發(fā)電用燃氣輪機使用壽命的影響因素分析

宋宏海，黃治國

（中航發(fā)動機控股有限公司，北京 100028）

發(fā)電用燃氣輪機使用壽命的影響因素分析

宋宏海，黃治國

（中航發(fā)動機控股有限公司，北京 100028）

隨著西氣東輸工程的實施、大型油氣田的開發(fā)和中低熱值燃料應(yīng)用的發(fā)展，發(fā)電用燃氣輪機在中國的應(yīng)用越來越廣泛。根據(jù)燃氣輪機運行平穩(wěn)、可靠性高等特點，基于燃氣輪機電站的實際工作經(jīng)驗，對發(fā)電用燃氣輪機壽命的影響因素進行了分析。

使用壽命；燃氣輪機；發(fā)電；影響因素

0 引言

在燃氣輪機發(fā)電機組實際運行中，很多因素（如燃料、滑油、起動循環(huán)以及維修思想和外部環(huán)境等）直接影響燃氣發(fā)生器、成套系統(tǒng)的壽命。管理人員和運行維護人員不僅要了解燃氣輪機結(jié)構(gòu)和工作原理，還必須清楚這些因素對電站壽命的影響，以便制定合理的運行方式和維修計劃，最大限度地延長燃氣輪機的壽命，減少運行與維修費用和停機時間。

本文從運行環(huán)境及使用維護的角度，探討了大氣溫度、空氣質(zhì)量、燃料系統(tǒng)、注蒸汽或注水、燃燒溫度、滑油系統(tǒng)、清洗方式、氣動次數(shù)和循環(huán)方式、安裝和維修質(zhì)量等因素對燃氣輪機壽命的影響。

1 大氣溫度

大氣溫度是影響燃氣輪機發(fā)電功率、發(fā)電效率和使用壽命的1個重要因素。較高的大氣溫度，不僅不利于燃氣輪機起動，也會縮短其滑油系統(tǒng)、一些零部件和箱體的使用壽命；過低的溫度則會給燃氣輪機的運行、維護和防凍帶來困難。2006年冬季，東北地區(qū)溫度過低，致使某型燃氣輪機發(fā)電機組滑油系統(tǒng)無法正常工作，各系統(tǒng)的磨損加劇，縮短了各分系統(tǒng)的使用壽命；同年，由于冷卻水管道中殘留極少量水結(jié)冰，導致河南某型燃氣輪機機組冷卻水管道破裂。另外，大的溫差會損害燃氣輪機材料和運行功能。大氣溫度對燃氣輪機的影響見表1。

表1 大氣溫度對燃氣輪機的影響

2 空氣質(zhì)量

空氣質(zhì)量是影響燃氣輪機使用壽命和檢修周期的1個重要因素。空氣質(zhì)量差，會影響壓氣機、燃燒室和渦輪等流道部件性能，易使壓氣機和渦輪葉片磨蝕、腐蝕和結(jié)垢，其危害表現(xiàn)在以下方面。

（1）壓氣機、渦輪葉片的磨蝕、腐蝕，會增大葉片表面粗糙度，使葉片產(chǎn)生疲勞裂紋甚至斷裂；會使葉片表面耐高溫涂層脫落，從而使葉片在高溫條件下的高溫蠕變加速，導致葉片過早斷裂。

（2）壓氣機、渦輪葉片表面粗糙度增大以及葉片結(jié)垢，會導致壓氣機空氣流量降低，使壓氣機效率下降，從而使燃氣輪機功率減小。由于壓氣機葉片結(jié)垢引起的損失，一般占其性能損失的70%～85%。試驗表明：壓氣機空氣流量降低5%將會使燃氣輪機功率減小13%，熱耗增加5.5%[1]。

（3）壓氣機葉片葉尖的磨損，將增大葉尖與壓氣機機匣之間的間隙，造成漏氣，導致燃氣輪機功率減小。這種性能衰退是不可修復的，即使是1臺維護很好的燃氣輪機，也是不可避免的。

3 燃料系統(tǒng)

不同燃料的組分和特性（如霧化程度、燃料反應(yīng)速度、火焰熱輻射能量、燃燒產(chǎn)物的腐蝕性等）均不同，對熱端部件的使用壽命影響程度也不同。燃料系統(tǒng)的影響如下。

（1）燃料系統(tǒng)清潔度的影響。燃料顆粒包括重油中的殘渣、純凈的輕質(zhì)油和天然氣在輸送管道中混入的有害雜質(zhì)。這些雜質(zhì)容易堵塞或磨損燃燒室噴嘴，影響霧化和燃燒效果，同時也使燃氣輪機附件（如燃料控制閥、節(jié)流閥等）磨損或卡滯，造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速—負荷調(diào)節(jié)失效，導致燃氣輪機甩負荷緊急停車。

（2）不純天然氣的影響。如果天然氣中混有凝結(jié)的液體碳氫化合物并帶入燃氣輪機燃料系統(tǒng)，會縮短燃氣輪機高溫流道部件（如燃燒室、渦輪部件）的壽命。因為液體碳氫化合物爆燃會釋放大量輻射熱能，使得高溫通道暴露在過高溫度下而損壞。

（3）重質(zhì)油的影響。重質(zhì)油（重油、原油或渣油）的分子結(jié)構(gòu)復雜、黏度大、沸點高、揮發(fā)性差，并含有大量雜質(zhì)灰分，經(jīng)處理后仍霧化困難、燃燒反應(yīng)慢、熱輻射強，在熱部件結(jié)垢、積炭多，對熱部件使用壽命影響很大。而且，重油中氫的含量低，也會縮短熱部件壽命，其使用壽命用重油時僅為用天然氣時的1/3～1/2[2]。

（4）中低熱值燃料的影響。中低熱值燃料（煤層氣、焦爐煤氣、高爐煤氣、黃磷尾氣等）含有大量的SO2等雜質(zhì)氣體，對燃氣輪機壽命影響很大。

不同燃燒對燃氣輪機維修影響如圖1所示。

4 注蒸汽或注水

出于環(huán)保需要，燃氣輪機常采用注蒸汽（或注水）的方法減少或控制NOx、CO2等的排放量。即使所用蒸汽或水符合規(guī)范要求，也會影響高溫燃氣熱傳導特性，較高的燃氣熱傳導會增加傳遞給葉片的熱量，產(chǎn)生較高的金屬溫度；還會增大渦輪部件氣動負荷。這2方面因素都會縮短燃氣輪機壽命。

5 燃燒溫度

燃燒溫度過高會縮短高溫部件的壽命，而燃燒溫度較低則會延長其壽命。試驗表明：在最大轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)時，渦輪前燃氣溫度每升高1%，渦輪葉片的強度儲備將減少15%。

燃氣輪機在起動、加速和最大工作狀態(tài)（尖峰負荷）以及燃氣輪機緊急停車時，都會使燃氣輪機渦輪前燃氣溫度升高。

燃氣輪機在尖峰負荷下長時間運行會縮短燃氣輪機的壽命。在尖峰負荷下運行1h相當于在基本負荷下運行6 h；而在小于60%負荷下運行2h，僅相當于在基本負荷下運行1h。

6 滑油系統(tǒng)

滑油系統(tǒng)的影響除了滑油本身的潔凈度外，主要是潤滑效果差和滑油顆粒污染。

滑油系統(tǒng)的潤滑效果差表現(xiàn)在2方面：一方面，要考慮滑油溫度過低（如在北方或在冬季機組剛起動）或滑油溫度過高（如在南方或在夏季滑油散熱不良）時造成滑油黏度變化的影響，應(yīng)避免在進入燃氣輪機的滑油溫度超過其最高工作溫度下時使用燃氣輪機；另一方面，在使用過程中，滑油的黏度、污染物含量等化學、物理性質(zhì)會發(fā)生變化，在使用中應(yīng)加強對滑油的化驗，一旦不合格應(yīng)立即更換。滑油中的污染物特別是金屬粉末和顆粒，將增加燃氣輪機軸承、密封裝置、減速齒輪箱和被驅(qū)動裝置的磨損，從而使燃氣輪機振動增大和壽命縮短；軸承和密封裝置的磨損又會使滑油污染加速。二者相互作用，會引起燃氣輪機振動進一步增大，以致?lián)p壞。

污染物的來源如下：

（1）加油時沒有使用過濾裝置，或使用了不清潔的加油工具；

（2）燃氣輪機油氣分離器不干凈，致使回流的滑油受到污染；

（3）滑油管線或滑油箱本身不清潔；

（4）燃氣輪機、變速箱和發(fā)電機磨損所形成的顆粒污染物。

另外，在燃氣輪機使用中，滑油會有一定程度的泄漏，要定期觀察滑油箱中的滑油量，及時補充，避免因滑油過少而對燃氣輪機發(fā)電機組帶來不利影響。

7 清洗方式

在燃氣輪機機組運行過程中，壓氣機葉片因大氣污染總會出現(xiàn)不同程度的污垢，使得其空氣流量減少、效率下降，從而導致機組功率和效率下降，嚴重時還會引起壓氣機喘振。對燃氣輪機進行在線清洗和離線清洗，可以減輕由大氣污染引起的壓氣機轉(zhuǎn)子和靜子葉片結(jié)垢，減少其對燃氣輪機功率和效率的影響。在離線清洗時，要避免產(chǎn)生熱沖擊。通過冷運轉(zhuǎn)或自然冷卻到一定溫度，使輪間溫度與清洗液的溫差不大于70℃再進行清洗。

在線清洗對燃氣輪機造成的負面影響如下：

（1）由于在線清洗沒有像離線清洗那樣的浸泡時間，清洗劑的效果有限。所以，不能使壓氣機性能完全恢復到原來的狀態(tài)，只能減緩其性能衰減。

（2）用水沖洗總管，或是使用手持噴霧桿進行燃氣輪機清洗，水或清洗液對壓氣機轉(zhuǎn)子和靜子葉片的壽命是有影響的。由于在轉(zhuǎn)子和靜子葉片間的流動介質(zhì)與單純空氣不同，會使壓氣機和渦輪葉片的空氣動力負荷增大，進而增大葉片的撓度，使其萌發(fā)疲勞裂紋的可能性增大。

（3）清洗液及其中的固體顆粒會磨損壓氣機葉片，其顆粒也會在壓氣機殼體上沉淀而使空氣流動不暢。

（4）進行帶轉(zhuǎn)水沖洗時，由于滑油壓力過低，有可能使水或清洗劑通過篦齒式密封機構(gòu)進入滑油系統(tǒng)，從而造成滑油污染。

8 起動次數(shù)和循環(huán)方式

燃氣輪機（尤其是調(diào)峰電站）的起動和停機次數(shù)對其壽命也有影響。從起動、點火、暖機、升速、加負荷到停機的過程，熱部件都將經(jīng)受劇烈的溫度和轉(zhuǎn)速變化過程。實踐證明：1次緊急停機對燃氣輪機壽命的影響相當于8次正常的起動和停機循環(huán)的。不同負荷下遮斷停機對疲勞壽命的影響如圖2所示。

9 安裝、維修質(zhì)量

燃氣輪機的基礎(chǔ)好壞和機組安裝水平度的高低，直接影響其機組的運行可靠性和壽命。在安裝或維修過程中，燃氣輪機與被驅(qū)動設(shè)備（如齒輪箱、發(fā)電機）的對中精度以及安裝、更換、維修重要附件、管線、油料時，其清潔程度也將影響燃氣輪機的運行維修費用和停機時間。河南某燃氣輪機機組曾發(fā)生未按要求安裝N1轉(zhuǎn)速傳感器而刮磨低壓壓氣機葉片的故障。

安裝和維修質(zhì)量與工作人員的素質(zhì)、責任心密切相關(guān)。

10 結(jié)束語

綜上所述，燃氣輪機發(fā)電機組運行與維護的好壞是能否實現(xiàn)燃氣輪機最大可用率和最低維護費用，從而獲得最佳經(jīng)濟效益的關(guān)鍵。為了延長燃氣輪機的使用壽命，必須對其影響因素加以控制。

（1）運行前進行細致檢查，尤其是對進氣系統(tǒng)和滑油系統(tǒng)。可以用孔探儀在機組正常停機時對燃氣輪機氣流通道進行檢查；長時間停機后再起動時需要打滑油循環(huán)，并取樣品化驗。

（2）重視壓氣機在線清洗。對于在基本負荷下運行的發(fā)電機組，尤其是對大容量機組，需要長期運行，宜采用在線清洗為主、離線清洗為輔的方式。

（3）視情維護是提高燃氣輪機可用率和延長燃氣輪機使用壽命的有效辦法。對燃氣輪機進行定時翻修，有時會使本來穩(wěn)定的系統(tǒng)的早期故障率提高。因此，有必要建立以可靠性為中心的維修方式。燃氣輪機及其附件的維修檢查、翻修、大修等工作，必須根據(jù)其性能參數(shù)（如燃料流量壓力、T4溫度、滑油壓力、負荷、起停機次數(shù)、機組的振動水平等）的變化來確定，這些性能參數(shù)一旦偏離了正常值，就可判斷出發(fā)生故障的部位。

（4）安裝、調(diào)試和運行人員必須經(jīng)過嚴格培訓，熟悉機組結(jié)構(gòu)、性能、各輔助系統(tǒng)和設(shè)備的工作原理，以及運行和維護要求，做好運行記錄和分析。

[1]鄭仁武.燃氣發(fā)電機組運行故障分析和維修措施[J].設(shè)備管理與維修，2006,（1）：35-37.

[2]沈陽黎明航空發(fā)動機（集團）有限責任公司.燃氣輪機原理、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用[M].北京：科學出版社，2002.

Influence Factor Analysis of Gas Turbine Life for Power Generation

SONG Hong-hai,HUANG Zhi-guo
（AVIC Engine Holdings Co.,Ltd,Beijing 100028,China）

As implementation of West-East Pipeline project,development of large oil and gas field and application of LHV fuel,gas turbines for power generation had been widely applied in China.According to the smooth operation and high reliability of gas turbine,and based on the experience in the gas turbine power plant,the influence factor on the life of gas turbine for power generation was analyzed.

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宋宏海（1971），男，中航發(fā)動機控股有限公司非航空產(chǎn)業(yè)部副部長，從事燃氣輪機產(chǎn)業(yè)技術(shù)管理工作。