關于M251S型燃機空壓機運行故障的分析

彭 珍

1　概述

目前，國內大、中型鋼鐵企業在自備電廠建設上，不僅只考慮回收富余煤氣達到煤氣零放散的目標，而且為全力提高自備電廠發電量，提升高爐煤氣等工業副產品的使用價值,進一步降低企業的運營成本，已經成為鋼鐵企業發電技術開發的一種趨勢。【1】

聯合循環發電技術（簡稱CCPP）是由燃氣輪機發電和蒸汽輪機發電疊加組合的聯合循環發電裝置。與傳統的蒸汽發電系統相比，循環發電機組具有以下優點：

（1）二次能源利用度高，降低電力成本；

（2）循環發電技術先進可靠，煤氣利用率高；

（3）燃氣輪機適應煤氣快速調節；

（4）燃氣輪機采用低氮燃燒技術，節能環保；

某公司于2014年1月引進了兩套50 MW 燃氣-蒸汽聯合循環發電(CCPP)機組。每套機組額定負荷50 MW，主要設備包括一臺M251S型燃氣輪機,一套煤氣壓縮機，一臺蒸汽輪機,一臺余熱鍋爐和兩臺發電機，采取分軸布置。其中余熱鍋爐由杭州鍋爐股份有限公司提供，其他主體設備由杭州汽輪機公司提供。燃氣—蒸汽聯合循環發電機組是目前鋼鐵企業最先進的煤氣回收利用技術，機組以高爐煤氣為主燃料，燃燒后產生的能量推動燃機透平做功，排出的煙氣經余熱鍋爐加熱給水，產生高低壓過熱蒸汽推動汽輪機做功，其發電效率遠遠高于常規燃氣鍋爐發電機組，此項目也為公司實現煤氣零放散奠定了堅實的基礎。

本文結合兩臺50 MW循環發電機組空壓機運行中出現的問題進行了探討。

2　空壓機簡介

空壓機是燃氣輪機中的一個重要組成部件，它負責從周圍大氣吸入空氣，并將其壓縮增壓，然后連續不斷地向燃燒室提供高壓空氣。

M251S型燃氣輪機的空壓機是軸流式壓氣機，與燃氣輪機同軸，軸流式壓氣機的特點是：空氣流量大、效率高（接近85%）、具有良好的防喘措施。因此，大功率燃氣輪機中，都毫無例外的采用多級軸流式壓氣機來壓縮氣體。

空壓機參數如下：

類型：軸流式；

級數：19；

進口導葉類型：可變型；

壓比：11：1（標準情況下）；

位置：冷端（壓縮機側）；

進口空氣方向：側面；

轉子材料：鍛鋼；

靜葉片材料：Cr鋼；

動葉片材料：Cr鋼；

空壓機排氣壓力：1.1 MPa（環境15℃）;

空壓機排氣溫度：335℃（環境15℃）;

排氣方向：軸向;

轉向：發電機側順時針。

3　空壓機事故經過

2016年7月19日，因連續大雨天氣，兩臺CCPP機組都因葉片通道溫度持續升高導致燃機負荷持續降低，燃機負荷由25 MW降至最低12 MW，而后天氣放晴兩臺燃機負荷最高恢復至20 MW時，即出現葉片通道溫度高，燃機負荷超限現象。

2016年7月31日15：32分，2#燃氣輪機因發電機功率快速下降觸發跳閘，同時燃機入口空氣過濾器報故障，經檢查發現為燃機跳機同時，燃機入口空氣過濾器由-1000 Pa變成+80 Pa，隨即恢復成負壓。通過調取空壓機相關進氣參數分析判斷出空氣氣流出現短暫明顯的倒返現象，導致燃機空氣量不足，觸發機組負荷急降跳閘，機組振動及惰走情況均正常。跳閘后專業人員檢查空氣過濾器內部有少量水，并進入空壓機入口目視檢查，未見異常。7月31日 19：30 分，燃機啟動，22：08 分，燃機負荷 18 MW運行時，因燃機發電機功率急降觸發機組跳閘，同時燃機入口空氣過濾器報故障，跳機現象與前一次一致。經過專業人員分析，初步判斷為以下兩個原因：一是燃機入口空氣過濾器濾芯受潮導致進氣不暢；另一個是空壓機本體出現問題，導致吸氣不足。經過濾芯更換后，于8月1日18：43分，燃機再次啟動，19：37分，燃機轉速至2830 r/min時，燃機跳閘（轉速下降每分鐘超過30 r/min），其他情況與前兩次跳機一致，同時現場人員發現跳機瞬間入口空氣過濾器有明顯的氣流回返，聲音較大。專業人員及領導一致決定對空壓機進行全面檢查，8月2日，利用內窺鏡從空壓機入口進行內部檢查，發現3級靜葉以后各級葉片均出現葉片損傷現象，機組進入大修。

2016年9月19日，利用1#機組停機機會，對1#燃機空壓機進行內部檢查，同樣發現3級靜葉以后各級葉片均出現葉片損傷現象，受傷程度較2#機組略輕，亦進入大修。

4　空壓機事故原因分析

（1）通過兩臺空壓機揭缸檢查，均發現為空壓機3級及以后幾級靜葉密封齒脫落，造成3～19級動靜葉不同程度損傷，6～7級損傷最為嚴重（此處設有抽氣口）。

經過檢查發現，靜葉密封齒損傷脫落部位幾乎都在焊接部位，焊接部位未熔合好，焊接質量不合格，經過長時間運行會造成焊接部位開焊，導致密封齒脫落（2016年4月底1#燃機大修時發現3#靜葉密封齒有開裂的現象，當時采用補焊處理。）。另焊接部位長度不足以及靜葉密封齒偏薄（1.2 mm），最終造成密封齒開焊脫落損傷葉片。因此，靜葉密封齒的質量問題是造成此次事故的直接原因。

（2）結合兩臺機組數據計算發現，7月20日，兩臺空壓機效率明顯降低（效率由85%降至80%以下），直至7月31日，空壓機效率均未出現明顯恢復，因此可以判斷7月20日空壓機葉片即出現不可逆損傷，空壓機吸氣能力不足，造成空氣量進氣不足，影響燃機葉片冷卻風量，導致燃機葉片及輪盤溫度明顯上升，負荷受限。另自7月20日起，兩臺燃機頻繁出現2#、7#燃燒室燃燒加速度報警（燃機共有2個燃燒加速度報警和4個燃燒壓力波動報警），也佐證了空氣量不足，燃機燃燒受影響等情況。

圖1是2#燃機的負荷及空壓機計算效率的對比圖，為2016年6月至2016年9月對比數據，2016年7月20日之前的數據較為正常，空壓機效率基本在80%～85%之間，機組滿負荷在25 MW以上。而自2016年7月20日至7月31日期間，機組空壓機效率明顯降低且在80%以下，機組負荷低于20 MW。2016年9月10日，機組大修完后，空壓機效率及機組負荷均恢復正常水平。

圖2、圖3分別是1#燃機負荷與空壓機效率對比圖及1#燃機負荷與空壓機流量對比圖，區間均為2016年7月20日～2016年7月24日，兩圖中7月21日15點～7月22日13點因煤氣不足，1#機組停機22小時，停機后對入口空氣過濾內部進行檢查，發現內部濾芯受潮嚴重，三級過濾器后進風通道底部有存水現象。從圖中可以看出，7月20日開始，1#機組空壓機效率、流量及機組負荷均下降，7月22日機組啟動后，機組的空壓機效率、流量及機組負荷依舊未恢復到正常水平。

原因分析：因7月中旬開始的連續陰雨天氣，至7月20日為大雨狀態，兩臺燃機入口空氣過濾器濾芯嚴重受潮，而空氣過濾器自身沒有除濕功能且排水能力不足，造成大量濕空氣連帶水汽進入空壓機，對靜葉密封齒的安全運行產生較大影響，產生不可逆的損傷，此是導致空壓機故障的重大誘因。

圖1　2#燃機負荷及空壓機效率對比圖

圖2　1#燃機負荷、空壓機效率對比圖

圖3　1#燃機負荷、空壓機流量對比圖

（3）針對2#燃機在8月2日啟動到2830 r/min時，造成機組跳機的原因是：空壓機6#、11#級設有抽氣閥。機組啟動時，抽氣閥打開，一旦燃氣輪機接近額定轉速（2830 r/min），抽氣閥關閉；而燃機輪機停機降速時，抽氣閥迅速打開。兩級抽氣閥主要是防止壓氣機在啟停過程中出現喘振。因此在2830 r/min時，兩級抽氣陸續關閉時，抽氣口附近的氣流比較紊亂，因葉片有較大損傷，易造成機組失速跳機，亦有可能造成空壓機的進一步損傷。

5　結論

(1）空壓機靜葉密封齒的質量問題是造成此次事故的直接原因。

(2）入口空氣過濾器防水不佳以及除濕功能的缺失，是造成此次事故的重要原因。

(3）連續大雨天氣，空氣濕度大，大量水汽進入空壓機，是造成此次事故的次要原因。

(4）2#機組較1#機組情況嚴重，是因為2#機組運行超期，未及時進入大修，是造成此次事故的另一次要原因。

6　措施

(1）經過與廠家溝通，增加靜葉密封齒厚度以加強密封齒的剛性，尤其在兩級壓抽氣部位的靜葉密封齒更要加厚，并適當增加靜葉環與密封齒焊接的長度，同時加工完成后整體進行熱處理及探傷，保證質量。

(2）加強對燃機入口空氣過濾器運行的管控，并對入口空氣過濾器進行改造，增加預過濾除濕系統改善過濾器除濕能力，同時加強過濾器防水排水能力。另過濾器濾芯差壓達到更換要求時，應及時更換濾芯。

(3）機組遇極端天氣，空氣過濾器差壓維持較高狀態，旁路擋板持續打開時，應主動停止機組運行，保護設備安全。

(4）嚴控機組大修周期，根據行業經驗嚴控檢修周期不超兩年。定期對設備進行檢修維護，以保證設備性能。

[參 考 文 獻]

【1】焦樹建.燃氣輪機與燃氣—蒸汽聯合循環裝置[M].北京：中國電力出版社,2007年.