燃气 -蒸汽联合循环机组进口可调导叶在启动过程中的作用

燃气 -蒸汽联合循环机组进口可调导叶在启动过程中的作用

徐畅

福建晋江天然气发电有限公司 福建省 362200

摘要：燃气-蒸汽联合循环机组是具备快速启停优势的发电机组，为了满足快速启停的要求，燃气轮机压气机进口可调导叶起到不可或缺的作用。本文通过实际数据与理论分析相结合的方式，介绍进口可调导叶在S109FA机组启动过程中的动作情况，并分析其原因。当发生机组启动异常时，能够提供参考。

关键词：燃气轮机；燃气-蒸汽联合循环；压气机进口可调导叶

ABSTRACT : Gas-Steam Combined Cycle Generator Unit is a kind of generator which could start fast . Inlet Guide Vane(IGV) plays an important role in this advantage . This article will introduce the action of IGV during the starting period of S109FA , with both actual data and theoretical analysis , Then analyze the reasons . This article could give a reference for those whoever face a aberrant when Unit starting .

Keywords : Gas turbine ; Gas-Steam Combined Cycle ; Compressor Inlet Guide Vane

一、简介

进口可调导叶（Inlet Guide Vane，后文简称为IGV），是布置于燃气轮机压气机进气缸内壁的一组可动叶片。IGV通过控制系统控制，液压油驱动，将IGV调整至合适的角度，以适应机组的运行状态，使机组保持在最佳工况运行。

S109FA联合循环机组是GE公司制造的大型单轴联合循环机组，设计工况364.1MW，燃机型号为PG9351FA，燃烧室型号为DLN2.6+，IGV数量有46片，由高压抗燃油驱动，全关角度21°，最小运行角29°，最小全速角41.5°，最大工作角84°，机组启动升速阶段由静态启动装置（后文简称LCI）提供转矩。

二、IGV的作用

1、防止压气机喘振：大型燃气轮机的压气机多为轴流式压气机，级数较多。当轴流式压气机的体积流量下降到喘振边界以下时，就会发生压气机喘振，导致压气机的流量和压力发生大幅度的低频周期性波动，对燃机造成极大的破坏。IGV可以从两方面防止喘振的发生，一是通过调整开度改变压气机空气流量，使空气流量与设计工况相匹配；二是改变进气角度，防止气流以正冲角进入动叶，正冲角会导致气流脱离（旋转失速），从而引发喘振。

2、减小机组启动时的功率损耗：大型燃气轮机中2/3的功率消耗在压气机中，由于联合循环机组启动时需要外界提供能量（柴油机或者静态启动装置），因此需要使压气机消耗的功尽可能小，从而减少能量浪费。因此，在启机阶段IGV会关小，减小压气机空气流量，从而减少启动功耗，同时还能缩短启动时间。

3、控制透平排气温度：燃气-蒸汽联合循环利用燃气轮机的废气进入余热锅炉，加热蒸汽进入汽轮机做功。为了控制燃气轮机的排气温度，可以通过调节IGV角度，改变空气流量，从而控制燃烧温度以及排气温度，使联合循环的效率处于最佳状态。

三、S109FA机组启动过程中IGV的动作情况

1、机组并网前IGV的动作情况

IGV在S109FA机组的启动过程中起到重要作用，图1标出了S109FA机组在启动阶段下的IGV动作情况。

图.1 并网前IGV角度随机组转速变化情况

并网前IGV动作情况：无论机组处于冷态还是热态，在机组并网前，IGV的动作情况是一致的。在机组并网前的大部分阶段，IGV角度保持在最小运行角29°，但在机组转速处于2400RPM附近时，存在一个300RPM左右的区间，该区间内IGV回关至23°，回关的原因是：该转速时LCI开始减小输出扭矩，压气机压缩空气能力下降，但同时由于机组升速，空气流量增大，可能导致压气机后几级的空气压缩不充分，会造成气流堵塞。压气机中的气流出现堵塞时，气流轴向速度减小，气流攻角增大，气流在叶片背弧侧发生脱离，这种现象在压气机前几级更明显，脱离的气流会形成气团，在动静叶和各级之间形成涡流或扰流，分离的气团在动叶栅内部形成的失速区以低于动叶栅圆周速的速度沿着与叶轮转向相反的方向转移，这种现象也称为旋转脱离或旋转失速，如果失速区堵塞严重，局部压力增大，就会造成压力剧烈波动，进而引发机组轴承振动。为防止发生以上情况，在LCI减小输出的同时关小IGV，减小空气流量。

IGV回关至23°转速区间并非固定值，而是与压气机进气温度有关，压气机进气温度越低，IGV回关转速越小。原因是进气温度低，空气密度大，同等转速下空气流量也就越大，可能发生末级堵塞的转速也会提前，因此需要将IGV回关的转速提前。

此外，还需要注意的是，在机组转速处于2130~2360RPM时，压气机第13级后的两个防喘放气阀会暂时关闭，关闭这两个阀门可以在保证机组不靠近喘振边界的前提下暂时降低压气机流量，为之后IGV回关做准备，在IGV回关后再打开防喘放气阀，二者配合使压气机内空气流量变化相对平滑，防止燃机工况发生突变。

2、机组并网后IGV的作用（热态）

燃气-蒸汽联合循环机组在并网后需要进行温度匹配，使排气温度、蒸汽温度与汽轮机缸温三者接近，防止热应力过大对汽轮机缸体造成损伤。蒸汽温度由排气温度决定，而排气温度则需要通过IGV开度变化来调节空气流量，达到控制排气温度的目的。因此，机组在温度匹配时IGV的动作情况与汽轮机的工况息息相关。

图2.热态启动并网后IGV角度随负荷变化情况

当机组处于热态时，汽轮机缸温很高，正常在500℃以上，温度匹配时要求燃机排气温度控制在高压缸上缸温度以上100℃。因此，热态机组投入温度匹配后将控制燃机排气温度在温度匹配允许最高值565℃，IGV将保持在最小全速角41.5°，用尽可能小的燃料量达到最高的温度匹配温度。当温度匹配结束，汽轮机进汽完成后，给机组升负荷指令，控制器便会同时增加燃料量与IGV开度，快速将负荷提升至满负荷。

3、机组并网后IGV的作用（冷态）

图3.冷态启动并网后IGV角度随负荷变化情况

当机组处于冷态时，汽轮机缸温低于200℃，温度匹配的最低排气温度为371℃。当冷态机组投入温度匹配时，燃料量将保持在最低允许燃料量，通过增大IGV开度，增加空气流量的方式，将排气温度降低至371℃。当汽轮机开始进汽后，汽轮机缸温逐渐提升后，将IGV慢慢回关，使排气温度提升速率与汽轮机缸温升速相匹配，直到排气温度达到最高温度匹配值565℃。进汽完成后的启动步骤与热态启动一致。

4. 总结

IGV是燃气轮机中非常重要的设备，若在机组运行中发现IGV角度与正常状态有偏差，需要格外注意，可结合机组其他相关参数（如：进气温度、燃料状态、燃烧温度、排气温度、机组振动、排气分散度等）判断症结所在。即使暂时未发生故障，也应该将异常参数提供给专业人员，防患于未然。

[参考文献]

1. 刘建生;燃气轮机压气机旋转失速原因分析[J];《发电设备》 2017年03期

2. 中国华电集团公司.大型燃气—蒸汽联合循环发电技术丛书设备及系统分册[M].北京：中国电力出版社，2009

3. 中国华电集团公司.大型燃气—蒸汽联合循环发电技术丛书 控制系统分册[M].北京：中国电力出版社，2009

4. 杨顺虎.燃气—蒸汽联合循环发电设备及运行[M].北京：中国电力出版社，2003