燃氣輪機運行典型故障分析及處置

魏昌淼，顧忠明，蔡其波，曹 彪

(中國船舶重工集團公司 第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 21415)

0 引 言

某工業型燃氣輪機主要由低壓壓氣機、高壓壓氣機、動力渦輪等轉動部件組成。該型燃氣輪機憑借優良的性能投運多臺，廣泛應用于能源輸送、工業發電、船舶動力等方面。在長時間的投運過程中，該型燃氣輪機也出現過各種類型的故障，主要有起動故障、轉速測量故障及其他典型附件故障。

1 燃氣輪機起動故障

燃氣輪機的起動過程包括3個階段[1-2]，某型燃氣輪機起動過程根據起動特點可分為以下3個階段：起動電機旋轉帶動傳動箱，通過變速進而帶動燃氣輪機轉子旋轉至燃燒室開始噴油點火的轉速，此階段為冷態加速階段。隨后，燃氣輪機開始向燃燒室供燃油霧化空氣、控制系統發出點火指令及燃油電磁閥打開指令，燃燒室燃油著火，高溫燃氣開始推動渦輪做功，燃氣輪機轉子持續升速至起動電機脫扣，此階段為第2階段；該階段隨著燃油燃燒持續做功、轉子升速，起動電機電流逐漸減小，起動電機出力逐漸減小，機組達到脫扣轉速時，渦輪做功在帶動壓氣機轉子旋轉的同時仍有剩余功率。第3階段為熱態加速階段，起動電機退出工作后，渦輪繼續做功帶動轉子進一步升速至空載轉速。

燃氣輪機起動過程包括多個階段，是運行人員關注的一個重要的環節，也是最容易產生故障的一個環節[3]。

起動過程典型的故障主要有起動電機設備故障、點火失敗、燃氣超溫、起動懸掛。

1.1 起動電機設備故障

燃氣輪機起動冷態加速階段，起動電機帶動燃氣輪機加速，若點火前轉子轉速未達到程序要求值，控制系統將執行停機程序。燃氣輪機未達到點火轉速致使起動失敗，主要原因為起動電機設備工作異常。起動電機工作異常的主要原因有：

1）燃氣輪機未按規范起動，致使電機電流過大，電機線圈燒壞；

2）起動電機三相接線柱處線路連接松動；

3）控制指令發出后，控制箱接觸器未閉合；

4）起動電機控制箱內控制線路松動。

燃氣輪機起動前，運行人員應確認起動電機接線線路及控制箱控制線路連接正確、緊固。起動后，應密切關注起動電機電流是否存在電流過大、及無電流的現象，同時關注接觸器按程序閉合情況，以便故障發生時定位故障點。

1.2 點火失敗

燃氣輪機完成冷態加速階段后，燃氣輪機開始向燃燒室供燃油霧化空氣、控制系統同時發出點火指令及燃油閥打開指令，若點火后控制系統未檢測到燃氣溫度變化，將判斷為點火失敗，執行停機程序。

通過多次案例分析，點火失敗的主要原因有：

1）點火器故障或點火器控制箱故障，致使點火器不產生火花；

2）壓縮空氣減壓閥工作異常，造成霧化空氣壓力不穩定，霧化空氣量不足；

3）燃油管路泄漏、燃油電磁閥未正常打開，致使燃油量過小；

4）燃油溫度低（寒冬），致使燃油運動粘度降低、以致燃燒困難。

燃氣輪機起動前運行人員應確認點火器已供電；點火指令發出后，關注燃油霧化空氣壓力值是否正常，燃油電磁閥開位置反饋是否有效，燃油壓力是否正常等因素，在環境溫度較低時，起動前應將燃油加熱到規范溫度要求值。

1.3 燃氣超溫停機

燃氣輪機起動過程，燃料燃燒化學反應劇烈，溫度上升快，渦輪葉片、軸承等承受的熱應力非常大，容易造成熱部件故障。為防止燃氣超溫對熱部件的損傷，燃氣輪機設有超溫停機保護。

燃氣輪機起動過程中，運行人員應密切關注燃氣溫度變化，該型燃氣輪機采用的機械液壓式燃油調節系統，若燃油調整不當，易出現燃氣超溫故障，引發超溫緊急停機。

為防止起動超溫故障停機，應采取以下措施：

1）起動燃氣輪機前，根據實時大氣溫度對燃油調整，一般大氣溫度升高4 ℃，通過調整慢車螺釘減油一圈以防止超溫。

2）燃氣輪機處于熱態狀態，再次起動燃氣輪機前應進行冷吹，已達到降溫的效果。

3）起動過程中，密切關注燃油壓力及燃氣溫度上升速率，若上升過快逼近燃氣溫度高停機值，應手動短暫按下燃油劇減來實現起動過程中減油。

1.4 起動懸掛

燃氣輪機起動過程點火以后，渦輪開始做功，燃氣輪機轉速上升緩慢，轉速未到達慢車轉速而停止上升，當起動電機脫扣后，燃氣輪機轉速開始下降而停機，該現象稱為起動懸掛故障，如圖1所示。起動懸掛使燃氣輪機在非設計工作狀態運轉，會造成燃氣輪機磨損與老化[4]。

圖1 壓氣機轉速圖Fig.1 Compressor speed diagram

某型燃氣輪機起動過程，發生過多次懸掛故障，主要分為冷懸掛、熱懸掛2種。

冷懸掛故障現象為起動過程燃油供油量偏少，造成渦輪出力不足，以致無法將燃氣輪機壓氣機轉速帶至慢車轉速。

熱懸掛故障現象是燃氣輪機過熱，燃氣溫度快速上升，而轉速無法上升到自持轉速，繼續增加燃油量，轉速仍然停滯不前。熱懸掛形成機理主要燃料流量GF增加過快，運行點將靠向喘振邊界，壓氣機效率ηc進一步降低，導致轉速下降，最終導致起動失敗[5]。

1）當燃氣輪機起動過程發生懸掛，若燃氣溫度偏低、燃油壓力較當前環境溫度歷史值偏低，如圖2所示，可判斷出現起動冷懸掛故障，此時應手動短暫按下燃油劇增來實現起動過程中加油，同時快速調節燃油調節系統的慢車供油螺釘已實現增加慢車油量。起動燃氣輪機前，根據實時大氣溫度對燃油調整，一般大氣溫度降低4 ℃，通過調整慢車螺釘加油一圈以防止油量不足。

2）當燃氣輪機起動過程發生懸掛，若燃氣溫度偏高、燃油壓力較經驗值偏大，可判斷出現起動熱懸掛故障，此時，為避免發生喘振發生，嚴禁手動油門加油，應手動停機。起動前，若機組為熱態，應對機組冷吹后再起動；若由于燃油壓力偏高，造成了機組起動熱懸掛，應調節燃油調節系統減少燃油供應量。

圖2 燃油壓力圖Fig.2 Fuel pressure diagram

2 燃氣輪機轉速測量故障

燃氣輪機作為一種旋轉機械，轉速是燃氣輪機工作過程中關注的重要參數之一，是反映燃氣輪機工作狀態的實時重要參考數。該型燃氣輪機采用三轉子結構，分別裝設有低壓壓氣機、高壓壓氣機、動力渦輪轉速傳感器，同時燃氣輪機控制系統控制邏輯設有轉速控制值，轉速測量出現偏差會影響到控制系統對燃氣輪機狀態的判斷，進而影響到燃氣輪機的安全運行。針對燃氣輪機轉速傳感器內部斷路點，曲文浩指出可通過碳化方法來定位[6]。

本型燃氣輪機所采用的轉速傳感器為磁電變磁通式傳感器，基本結構如圖3所示。由2個基本元件組成：1個是永久磁鐵，永久磁鐵可產生恒定直流磁場的磁路系統；另1個元件是線圈，它可與磁場中的磁鏈產生感應電勢，感應電勢于線圈包圍的磁鏈對時間的變化率成正比，即

式中：N為線圈圈數；Φ為線圈所包圍的磁通量，Wb；t為時間，s；E為感應電勢，V。

圖3 轉速傳感器結構圖Fig.3 Structure diagram of speed sensor

該型燃氣輪機在以往運行過程中發生過多次轉速測量故障，如圖4所示。根據轉速傳感器測量原理及故障實例分析，當轉速測量出現故障后，主要存在轉速傳感器安裝間隙不在規范內、轉速傳感器內部電勢感應回路斷路、轉速傳感器至控制系統信號傳輸線路通斷異常、控制系統轉速采集模塊故障。

當轉速測量出現故障后，可通過以下方法來判斷故障點。

1）測量轉速傳感器感應線圈電阻值，線圈電阻值是判斷轉速傳感器內部線路通斷的重要指標，當線圈的電阻值為無窮大時，可判定傳感器內部線路斷路，應及時更換轉速傳感器。

圖4 高壓壓氣機轉速波動圖Fig.4 Speed fluctuation diagram of high pressure compressor

2）若測量轉速傳感器線圈電阻值正常，可測量轉速傳感器輸出的感應交流電壓值。若交流電壓測量值比該轉速對應的理論感應電壓值偏低，可判斷該故障為轉速傳感器安裝間隙不滿足安裝間隙范圍要求，需進行拆檢、重新安裝及驗證。

3）若上述兩步檢查均無異常，應對轉速傳感器至控制系統轉速信號傳輸線路進行排查，同時對轉速采集模塊進行檢查。傳輸線路通斷及線路連接狀態無異常時，可更換轉速采集模塊來排查轉速測量故障。

針對轉速測量故障，在轉速傳感器安裝前，可在轉速傳感器性能測量試驗臺上，測速輪轉動到一定轉速，以驗證轉速傳感器感應交流電壓幅值是否正常，以確保安裝轉速傳感器本體性能完好。

3 燃氣輪機附件故障

燃氣輪機發生附件故障會致使燃氣輪機降工況、甚至停機；附件故障具有非預期性，給燃機安全運行帶來不確定性；主要的附件故障有熱電偶故障、熱電阻故障、防喘放氣閥卡滯故障、壓力信號器故障。

3.1 壓力信號器故障

燃氣輪機作為一種高速旋轉機械，運行過程需要持續不斷的潤滑油潤滑，滑油壓力是判斷滑油供應是否正常的重要參數，當滑油壓力高于壓力信號器動作值時，壓力信號器閉合，則開關量回路閉合，控制系統采集到該閉合信號，當燃氣輪機運行過程中控制系統未采集到該閉合信號，控制系統判斷該滑油供應不正常，執行燃氣輪機降工況或緊急停機程序。燃氣輪機同樣設有燃油壓力信號器，當燃油壓力信號器動作異常時，會造成燃氣輪機降工況甚至停機。

該型燃氣輪機出現過多次因壓力信號器動作異常致使燃氣輪機降工況。當燃氣輪機發生因滑油、燃油壓力不正常降工況或停機時，運行人員應首先觀察就地滑油、燃油管路壓力表顯示值，若顯示值在運行范圍內，可判斷壓力信號器可能出現故障，緊急情況下，可短接壓力信號器連接插頭以維持燃氣輪機穩定運行，待停機后更換壓力信號器進行故障驗證、排除。

3.2 防喘放氣閥動作異常

該型燃氣輪機壓氣機設有防喘振放氣閥，放氣閥未按規范打開可能造成燃氣輪機發生喘振，放氣閥未按規范關閉降低了燃氣輪機運行效率同時產生附加的噪聲污染。放氣閥未按指令打開或關閉，一般有以下幾種因素：

1）放氣閥動作壓縮空氣壓力較低；

2）放氣閥供氣電磁閥故障；

3）放氣閥供氣電磁閥控制回路斷路；

4）放氣閥機械機構卡滯。

當運行過程中放氣閥未按要求打開時，禁止升工況，應檢查壓縮空氣壓力是否正常、電磁閥控制是否異常。若放氣閥機械機構卡滯，應停機后拆檢更換。在日常維護中，應定期對放氣閥保養，防止放氣閥閥桿、閥體出現銹蝕現象。

3.3 溫度測量故障

該型燃氣輪機采用鉑電阻用于測量滑油進出口溫度、鎳鉻-鎳硅熱電偶用于測量透平后燃氣溫度及排煙溫度。滑油進出口滑油溫度測量故障會導致燃氣輪機降工況，燃氣溫度測量故障會導致燃氣輪機停機。

溫度測量出現故障一般有以下因素：

1）熱電偶、熱電阻內部線路斷路；

2）熱電偶、熱電阻內部線路搭殼；

3）熱電偶、熱電阻內部感應元件損壞；

4）熱電偶、熱電阻至控制系統傳輸線路斷路；

5）控制系統模擬量采集模塊損壞。

當燃氣輪機溫度測量出現故障后，將測量線路與測量元件脫開，測量線路外加信號（電阻、電勢）來判斷測量控制系統監測顯示溫度是否正常，若不正常，可判斷測量線路或控制系統模擬量模塊故障；若正常，則測量元件（熱電阻、熱電偶）故障，應對測量元件進行更換。

4 其他故障及運行注意事項

4.1 壓氣機通流部分清洗

燃氣輪機運行一段時間，壓氣機會結垢，針對壓氣機結垢問題，專家學者進行了深入的研究[7-9]。

某型燃氣輪機壓氣機采用離線模式清洗溶液清洗，清洗溶液采用一定比例的清洗劑與水混合制作而成，在冷吹過程中，利用壓縮空氣將清洗溶液送入壓氣機通流部分，在冷吹結束前完成清洗溶液的送入。

燃氣輪機溶液清洗易出現以下故障：

1）透平后煙氣溫度測量熱電偶進水造成溫度測量故障；

2）各機匣連接處漏出的溶液滴落至下部測量元件及各插頭連接處造成控制回路短路、絕緣故障。

為避免以上故障，運行人員應嚴格按照運行規范進行溶液清洗，嚴禁一次清洗溶液超量；溶液清洗前，應將燃氣輪機下部各電纜、測量元件用保護罩包好，以防進水；在冷吹壓氣機轉速達到500 r/min以后投入清洗溶液，嚴禁過早投入清洗溶液；保證壓縮空氣壓力在規范值，以便在冷吹結束前，完成一次清洗溶液的投放量；溶液清洗完成后，對控制回路進行絕緣檢查，檢查合格后完成燃氣輪機起動，使燃機在慢車工況運行25 min，烘干機內水分。

4.2 燃氣輪機燃油系統油封與去油封

燃氣輪機出廠或停運時間過長，為防止燃油泵、燃油調節系統等燃油附件、燃燒室、渦輪出現銹蝕，應對燃氣輪機進行油封操作，即將滑油送入燃油系統、燃燒室、渦輪部分。同樣在恢復燃氣輪機運行前，應對燃氣輪機進行去油封操作，即在不點火的情況下，將燃油送入燃油附件內以置換油封滑油。

油封過程中，嚴禁投入過多滑油進入機體，若過多滑油進入機體，會造成滑油滲透至隔熱材料內，為后期烘干造成困難，運行人員應密切觀察燃氣輪機滑油進口壓力，以防因部分滑油進入燃油系統，造成轉子潤滑用滑油過少。

去油封過程中，嚴禁過長時間投入燃油，過多燃油進入機體，若排放不凈會造成燃油積存，積存過多極易出現爆燃事故；為防止燃油積存，去油封前應檢查確保燃燒室機匣下方殘油排放管暢通。去油封后，完成燃氣輪機起動，使燃機在慢車工況運行25 min，烘干機匣殘油。

4.3 燃氣輪機運行前檢查事項

在燃氣輪機運行時，運行人員應密切關注轉速、燃氣溫度、循環滑油進出口壓力、滑油進出口溫度、燃油壓力等核心參數，升降工況時應密切關注防喘放氣閥等執行機構動作是否正常。

在燃氣輪機首次起動前，運行人員應檢查及確認以下事項：

1）各控制、反饋線路插頭確認連接完畢；

2）各管路、單向閥確認連接正確；

3）各電磁閥靜態調試工作正常；

4）各泵體等旋轉附件，旋轉方向正確，燃油、滑油系統恢復；

5）各壓力測量系統管路及測量線路接線正確；

5 開展燃氣輪機實時故障監測、智能診斷系統及零附件可靠性相關工作的建議

針對該型燃氣輪機常見典型故障，開展燃氣輪機運行過程實時故障狀態監測及智能診斷工作，對燃氣輪機預防故障發生、可靠穩定運行具有重大意義。

針對燃氣輪機起動過程故障，開展以下故障監測系統工作：對多臺燃氣輪機起動數據建立起動模型。1）在起動過程冷態加速階段，當某一時間點壓氣機轉速低于模型轉速，監測系統應發出起動電機出力不足報警；同時對起動電機電流進行實時監測，當某個起動電機電流低于模型電流時，應發出該起動電機電流過低報警，以便運行人員定位故障點。2）在起動過程燃料燃燒做功階段，對燃氣溫度、霧化空氣、點火指令、起動燃油電磁閥開關位置反饋、燃油壓力等數據進行實時模型監測，以實時監測霧化空氣壓力是否過低、點火指令是否發出、起動燃油電磁閥是否打開、燃油壓力是否過低，當出現異常時，應及時報警。當起動過程壓氣機轉速上升緩慢或停滯，監測系統應根據實時數據與模型數據對比判斷，若燃油壓力及燃氣溫度過低，監測系統發出“機組發生冷懸掛、應加油”的報警；若燃油壓力過高、燃氣溫度過高，監測系統發出“機組發生熱懸掛，應減油”的報警。

針對磁電式轉速傳感器典型故障，通過采集燃氣輪機試驗臺出廠數據，建立以計算電壓為輸出的神經網絡模型，燃氣輪機實時運行時，控制系統通過電壓測量模塊實時測量并記錄轉速傳感器感應電壓值，將實時轉速、已測定的傳感器內阻及傳感器安裝間隙值輸入已建立的模型中，模型輸出模型計算電壓值。若感應電壓值與計算電壓值相差較大，則控制系統發出“當前轉速傳感器存在測量隱患”監測報警。

當燃氣輪機工況運行后，監測系統應對壓氣機轉速、燃油壓力、空氣壓力、燃氣溫度、各開關量指令、機組振動值、閥體動作反饋等數據進行實時監測，當出現異常時應及時報警，為運行人員提供異常信息排除故障，避免故障造成燃機降工況、停機。

針對燃氣輪機零附件故障，應開展各壓力信號器、放氣閥、溫度測量元件等附件可靠性測試工作。各信號器、閥體等附件應滿足精準動作次數、壽命要求；各溫度測量元件應滿足線路連接可靠度、耐高溫時間要求。出廠零附件應滿足燃氣輪機工作對零附件可靠性的要求，以避免燃氣輪機因零附件故障造成降工況、停機故障的發生。

6 結 語

本文從某工業型燃氣輪機結構、控制原理出發，對長期運行以來出現的燃氣輪機起動故障、轉速測量故障、附件故障等其他典型故障進行總結分析，為排查燃氣輪機運行典型故障指出了排故方向；同時為避免故障發生，提出了燃氣輪機運行注意事項。同時針對該型燃氣輪機常見典型故障，建議開展燃氣輪機運行過程實時故障狀態監測、智能診斷及零附件可靠性相關工作，對燃氣輪機預防故障發生、可靠穩定運行具有重大意義。