V94.2型燃氣輪機的運行與維護分析

馬傳慶，馬 寧

(1.中海海南發電有限公司，海南 洋浦 578201；2.中電投內蒙古新能源發電有限公司，內蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

燃氣輪機有別于蒸汽輪機，其入口工質的溫度比蒸汽輪機高很多。如德國西門子V94.2型燃氣輪機(額定功率為138 M W)渦輪進氣溫度高達1 050 ℃，而蒸汽輪機的主蒸汽溫度僅為540 ℃(對于亞臨界機組)。由于入口工質溫度決定著動力機械的材質及使用壽命，因此燃氣輪機的檢修間隔周期和使用壽命較蒸汽輪機要短得多。

1 當量工作時間計算公式分析

由于燃氣輪機具有溫度高、加載快速等特點，因此不能單純地以運行小時來計算其維護檢查的時間，通常采用當量工作時間或絕對工作時間來確定檢修時間間隔。當量工作時間是在不同的運行狀況下，以高溫零件經受的負荷實況來衡量的一種尺度，可使用其來估算渦輪高溫部件的理論壽命。由于渦輪進口溫度快速變化，熱通道中的零部件在高于基本負荷的燃氣溫度下工作時將承受附加的應力。為此，可采用一些系數來權衡在不同溫度范圍內的工作周期和不同工況的影響。

當量工作時間可按下式計算：

其中：Tae為當量工作時間；n1為啟動次數；n2為快速加載次數；n3為快速溫度變化次數；t1為低于基本負荷的工作小時；t2為從基本負荷到尖峰負荷的工作小時；a1為啟動加權系數，正常啟動a1=1，快速啟動a1=10；a2為加載梯度加權系數，正常加載a2=1，快速加載a2=10；a3為溫度快速變化的加權系數；b1，b2為渦輪中溫度快速變化的當量小時修正系數，b1=1，b2=4，即超過基本負荷的負載下運行1 h則以正常運行4 h計。

按照德國西門子燃氣輪機制造廠的規定，小修時間間隔為4 000 h，但不得大于2年；大修時間間隔為25 000 h，但不得大于8年。

燃氣輪機組的測量儀表柜內配有1臺運行小時計時鐘，當它累計的當量工作時間達到或超過機組檢修時間間隔后，會出現“運行小時已超過”的報警信號。機組檢修時間間隔是在遵循正常的運行規定下確定的，即機組應在不超過極限壓力、功率下運行，并使用技術所要求的潤滑油等；若違背規定，則機組檢修時間間隔應根據實際情況進行修正。

2 機組的維護檢修

2.1 小修

當機組的當量工作時間達到4 000 h或2年時，應對機組進行1次停機維護檢查(小修)。

按正常小修規定，應對壓氣機進氣、熱通道、燃燒室和渦輪進口、渦輪后部排氣道和煙囪、空心軸和渦輪靜葉、裝置的外圍設備等進行檢查、維護。檢修項目包括目視檢查、對部分間隙的測量、對間隙松動和丟失部分的檢查，以保證機組檢修的全面性。直接的目視檢查比專門的內窺鏡檢查更充分可靠，通過人孔可完成對燃氣輪機主要部件的目視檢查，無需解體燃燒室或進行費時的內窺鏡檢查。如果在小修時檢查發現熱通道存在問題，如熱通道邊界的金屬部件有裂縫或光滑表面有磨損，應立即評估該裂縫和磨損，以決定是繼續使用該部件直到下一個大修，還是經過簡單維修后再使用，或直接更換新的部件。

2.2 大修

大修的任務是要保證燃氣輪機在2個大修的時間間隔內能可靠運行。機組大修要檢查燃氣輪機的所有零部件，即對任何會影響機組安全運行可靠性和可用性的變化都要進行檢查。這些變化包括永久性變形、磨損、裂紋、腐蝕等。若這些變化未能在早期予以識別并排除，則可能會進一步發展，嚴重損壞機組，進而引起惡劣的后果。在大修期間，更換透平葉片、清潔燃氣輪機氣流通道、調整葉片徑向間隙，均可以提高機組出力和效率；但由于不可避免的老化原因，機組不可能達到剛投運時的熱力性能。

機組大修在維護計劃中最為重要。燃氣輪機的熱通道部件，特別是透平葉片的設計服務是有年限的。透平葉片是在抗蠕變強度的基礎上進行設計的，該設計充分考慮了蠕變損失余量。透平葉片在壽命期內抗蠕變強度的變化曲線如圖1所示。

圖1 透平葉片壽命和維修

大修期間必須解體轉子以便拆卸內缸，在完成內缸的修補(如打磨、補焊等)后，還需對其進行熱處理以恢復其機械性能。為確保燃氣輪機的檢修維護，燃氣輪機及其設備制造廠應提供必要的技術文件資料和備件，推薦供貨單及備件采購清單，包括需要現場維護的備件數量，以及對現場缺乏的備件可能獲得的途徑和交付時間。根據通用技術要求，在大修間隔期內燃氣輪機運行實際功率下降不應超過額定值的5 %，效率下降相對值應不大于3 %。

3 運行方式對機組檢修維護的影響

3.1 機組運行方式

某電廠2套燃氣聯合循環機組采用一套連續運行、另外一套調峰的運行方式。聯合循環機組均采用滑壓運行方式。調峰機組每天1次熱態啟動。由于所屬省級電網峰谷差較大，連續運行機組在運行中也有較大的負荷變化。

3.2 對機組檢修時間間隔的影響

燃氣輪機的維護成本和設備可用率是重型燃氣輪機用戶需要考慮的2個重要問題。由于熱通道部件又是燃氣輪機最為昂貴和脆弱的部件，其維修和更換的成本極為昂貴，因此，為實現燃氣輪機的安全經濟運行，應盡可能在保證發電的前提下延長燃氣輪機的檢修時間間隔。

V94.2型燃氣輪機的檢修時間間隔主要由機組的當量工作時間決定，式(1)中的等效計算數據與機組的運行方式密切相關。調峰機組每日早開夜停的運行方式，必然導致機組啟停次數迅速增長；尤其是機組在低負荷階段火焰筒內溫度場的不均勻性易導致火焰筒產生鼓泡、涂層脫落甚至導流襯套開裂，因此，燃氣輪機在60 MW負荷以下的當量工作時間應將其運行時間乘以5倍的系數。采用調峰方式運行將導致設備使用壽命迅速縮短，燃氣輪機檢修時間間隔大大縮短，機組維護成本迅速增長。

該電廠調峰機組因參與省級電網的調峰而不能連續運行，而連續運行的燃氣聯合循環機組在后半夜基本上也是帶較低負荷(80 MW)運行。由于機組啟停次數的增加和低負荷運行，機組只運行了20 000 h就達到了當量工作時間25 000 h的狀態，提早進行了檢修，增加了檢修成本。

3.3 對機組可靠性和安全性的影響

從機組運行的可靠性方面分析，頻繁的啟停會明顯增大設備出現故障的頻率，降低機組的可用率。當機組采用調峰方式運行時，機組子系統設備動作頻率將成倍提高，而且頻繁啟停又必然導致設備熱疲勞加劇、磨損過度、密封件老化，進而導致各子系統設備動作可靠性降低，最終因部分設備的缺陷導致機組跳機或無法正常啟動，對電網的安全運行構成威脅。機組頻繁啟停還會造成部分熱力設備反復經歷熱脹冷縮的循環，進而導致螺栓松動、密封件失效。該電廠余熱鍋爐高壓過熱器疏水管道也曾因為頻繁啟停經常出現焊縫開裂的情況。

4 機組日常運行時的注意事項

4.1 做好運行檢查、記錄工作

新機組初次啟動和大修后的啟動前，應先記錄好基準的運行數據，以便在機組運行工況惡化時進行比較。在機組正常運行中，應注意觀察機組各參數的變化，特別是重要參數(如振動、排煙溫度、天然氣流量等)的變化，以判斷系統是否偏離正常值并及時做出調整，保證機組安全穩定運行。

4.2 注重機組平時的運行維護工作

加強對燃氣輪機熱通道部件的檢查，了解熱通道部件間隙、磨損等情況，以便及時做出預防和處理。為防止空氣質量的影響，及時更換空氣過濾器和加強壓氣機的水洗等運行維護工作。

4.3 避免負荷變化過快及被迫停機

快速變負荷對燃氣輪機熱通道部件壽命的影響很大，特別是在機組啟停過程中，由于熱通道部件的熱應力變化較大，加減負荷時更應平穩操作。若無特殊情況，機組不應投入尖峰負荷方式運行，運行中的機組也不應投入快速加載方式來控制負荷的升降率，因為這2種方式對機組壽命的影響均很大。機組運行中也應注意避免因輔助系統的原因造成機組甩負荷或被迫停機，因為機組出現甩負荷時的當量工作時間也較大。V94.2型燃氣輪機啟停時燃燒溫度的變化過程如圖2所示。

圖2 燃氣輪機啟停過程中燃燒溫度的變化

由于1次快速加載相當于25個當量工作時間，而1次正常啟動相當于5個當量工作時間；如果機組帶滿負荷跳閘，其對熱通道部件壽命的影響相當于10次正常的啟停；如果機組以50 %的負荷跳閘，其對熱通道部件壽命的影響相當于6次正常的啟停；如果機組甩60 %負荷，其對熱通道部件壽命的影響則相當于4次正常的啟停。當機組發生跳閘、甩負荷、快速變負荷等情況時，其對熱通道部件壽命的影響折合成當量工作時間是相當大的。這是因為機組在跳閘、甩負荷時，在葉片和噴嘴處產生了高熱應力，而較高的應力可能導致經過次數很少的循環就產生裂紋。

4.4 注意機組的振動情況

如果機組振動水平出現較大的變化或啟停機過程的振動較大，則應該對該情況進行分析及解決，必要時可咨詢燃氣輪機振動的專家。

4.5 記錄機組的啟動和惰走時間

根據啟動時間參數可以對機組今后的運行參數進行比較和評價。啟動時，必須準備1組啟動參數曲線，即轉速、排煙溫度、天然氣流量等參數從開始信號發出時隨時間變化的曲線。此參數曲線可以很好地顯示出有關控制系統的狀態；一旦發現系統偏離正常狀態，該曲線還可以幫助操作人員精確地判斷故障。而轉子的惰走時間是反映軸承對中以及軸承本身、潤滑油系統運行情況的最佳標志。

1 陳群武．三菱M 701F型燃氣輪機等效運行小時計算公式的初步分析[J]．燃氣輪機發電技術，2005，7(1)：34-39.

2 龔文強，王慶韌．燃氣輪機熱端部壽命的等效運行時間分析[J]．電力技術，2010，19(8)：28-30．

3 張 貴．燃氣機組發電特性及其在電網中運行方式的研究[J]．燃氣輪機技術，2009，22(2)：20-23.