燃氣輪機可靠性運行維護策略研究

魏昌淼，彭 濤，季 鈞

(1.中國船舶集團公司第七〇三研究所無錫分部，無錫 214151;2.中國船舶集團公司第七〇三研究所，哈爾濱 150036)

某型燃氣輪機在長期的運行過程中，出現過多種類型的故障，如燃氣溫度測量故障等。運行期間出現的故障往往迫使燃氣輪機降負荷，甚至停機。本文對多臺燃氣輪機長時間運行過程中出現的故障進行統計、分類并分析，對其進行針對性的研究，總結有效的排查方法，當故障發生時可快速有效排除故障，恢復燃氣輪機運行。統計分析某型燃氣輪機長時間運行期間出現的故障，找出多次造成運行故障的問題部件，通過提高問題部件的可靠性來減少故障的發生，是解決問題的思路。有些故障可以通過日常維護保養來避免發生。本文基于對某型燃氣輪機發生故障的統計分析，提出了一些舉措，旨在為燃氣輪機穩定運行提供建議。

1 運行故障分析

某型燃氣輪機在某一穩定工況運行時，控制系統突發“燃氣溫度故障性偏差”報警，數據如圖1所示。ET04燃氣溫度出現測量波動，其余熱電偶數值穩定不變。這表明燃燒可能存在不均勻的情況，隨后立即降負荷停機。機組冷卻后，對該熱電偶進行拆檢，發現熱電偶端子接線處接線斷裂。此次故障迫使機組停機，加上后續處理，耗時近3 h。

圖1 ET04燃氣溫度故障圖

某型燃氣輪機投運以來，已有1臺燃氣輪機運行了6 500 h，有20臺機組運行了1 000 h，各機組分別出現了不同的故障，基于已運行的故障情況進行分析，如下所述。

1.1 某臺燃氣輪機故障分析

某臺燃氣輪機在連續6 500 h運行期間，出現的故障數量如圖2所示。運行過程中，出現了燃油霧化空氣電磁閥故障、啟動油路電磁閥故障等，這些故障迫使機組停機。故障統計如表1所示。

圖2 不同時間故障數量分布圖

表1 燃氣輪機故障統計表

統計顯示，該臺燃氣輪機累計出現過3起轉速測量故障、6起各類電磁閥故障，同時還有1起壓力開關故障及1起燃氣溫度測量故障，主要故障分類圖如圖3所示。以上故障發生時，均迫使機組在運行期間降負荷或停機。

通過圖3可看出，在1臺燃氣輪機長時間運行過程中，基本發生4類故障，且不同種類的故障概率不同。

圖3 故障類型分布圖

1.2 20臺燃氣輪機故障分析

以20臺燃氣輪機為研究對象，發現該型燃氣輪機故障發生率符合故障盆骨曲線。以每臺機組運行1 000 h為標準，對20臺機組運行期間發生的故障進行總和統計及故障影響分析(Failure Mode and Effects Analysis，FMEA)，如表2所示。

表2 20臺燃氣輪機故障統計

(續表2)

其中故障失效概率等級定義及故障后果等級定義[1]如表3、表4所示。

表3 故障失效概率等級

表4 故障后果等級

如表2所示，20臺燃氣輪機在運行過程中出現的故障，均為機組外部零部件及附屬系統故障，這些故障對燃氣輪機的安全穩定運行均產生一定的影響，有些故障會迫使機組降負荷甚至停機。對重復率比較高的單點故障進行研究，可以減少該類故障。同時應制定合理的維護策略，降低故障率以擴大故障發生的間隔時間(Mean Time Between Failure，MTBF)，降低故障失效概率的等級。

2 運行可靠性維護策略研究

從表2中可看出該型燃氣輪機故障的發生類別及發生的概率。對某臺機組6 500 h及其他20臺該型機組前1 000 h出現的故障進行綜合分析，分析發生故障的特點及形式，并采取一定的措施進行維護，可保證機組的穩定運行。

應進行故障排除方法研究。對統計結果中發生概率較大的故障，應根據其特點，結合機組運行檢查要求，進行針對性的定期預防性維護。對單點故障率較高的部件進行優化改進及改型，加強零部件可靠性研究，可以提高部件可靠性，降低故障率。

2.1 故障排查方法研究

為維護燃氣輪機的安全穩定運行，系統設有降負荷、停機等多項保護。燃氣輪機各子系統包含的零部件和信號線路較多，任何一個零部件或接線端子出現故障，均會給燃氣輪機穩定運行帶來影響。

當故障發生時，應快速定位故障，有效排故，減少排故時間，使燃氣輪機快速恢復運行。應依據控制原理、運行原理進行故障排查，從不同的故障現象中總結出不同系統不同部件的問題。

當故障發生時，應按照故障各系統設置、控制原理，對故障現象進行詳盡的記錄，對可能的誘因進行分析，依據典型案例和排故經驗，分析故障現象與誘因之間潛在的聯系，判斷故障點并排除故障。

針對燃氣輪機不同的類型的典型故障，文獻[2-5]對案例進行了排故分析和詳細的闡述，為有效排除故障提出了建設性的方案。

2.2 預防性維護介紹

20臺機組運行期間出現的故障分析如表2所示。通過加強檢查及有效維護，有些故障是可以避免的，因此以故障統計為基礎對機組進行針對性的維護，主要為預防性維護[6-7]。

根據20臺機組運行期間出現的易發故障及影響較嚴重的故障進行針對性維護，綜合考慮故障發生的概率及危害性，同時考慮維護的可行性、耗時性、經濟性來建立預防性維護體系，定期檢查維護。主要采用日維護、月維護、年維護及長期停放時的維護保養等措施。

對維護方便、故障發生概率較高的故障點，結合故障危害性要素進行定期日維護，主要包括：(1)對各信號器與信號線路連接插頭、振動線纜、轉速傳感器接線情況進行狀態檢查確認；(2)對進氣道、排氣道、機組本體進行外觀檢查；(3)對滑油箱液位及滑油系統附屬管路系統進行油循環檢查，對滑油冷卻器冷卻水系統進行檢查；(4)對燃油系統油路循環漏油情況進行檢查；(5)壓縮空氣系統檢查；(6)對低壓放氣閥閥體動作性能進行檢查；(7)對燃氣溫度、滑油溫度進行測量，對滑油溫度調節系統進行檢查。

對維護耗時、故障發生可能性較小的故障點，結合運行檢查要素進行定期月維護，主要包括電氣設備及控制系統最重要元件的檢查以及燃油調節器檢查方面的工作：(1)檢查清洗燃油泵油濾、燃油調節器及壓力升高限制器內的節流組件；(2)檢查清洗啟動燃油節流器，防止泄流道阻塞；(3)檢查滑油系統金屬屑信號器污染情況；(4)對各電磁閥、截止閥進行靜態調試，檢查工作情況，如有冷卻空氣截止閥卡滯現象，應每月定期進行潤滑處理，對低壓放氣閥卡滯問題，應每月進行拆檢清理；(5)檢查清洗機組各軸承滑油系統入口滑油油濾情況；(6)檢查外設傳動箱里的滑油液位；(7)檢查燃氣輪機控制系統各部件的緊固情況及信號顯示情況；(8)對箱裝體進氣室清潔度進行檢查；(9)當燃氣輪機停運一周時，應完成一次慢車工況運行，進行一次養護。

對維護極耗時、故障極少可能發生的故障點，結合大修時間段進行年定期維護工作，包括：(1)化驗循環油箱油品質，必要時更換滑油；(2)查看并清洗油路中的滑油油濾，根據運行參數情況對滑油油濾進行更換；(3)清理和清洗滑油分離油箱；(4)檢查點火噴油嘴的霧化情況；(5)檢查和清洗進口導葉控制系統的空氣冷卻和凈化組件；(6)查看啟動電機工作狀態，并進行內部電路檢查；(7)檢查機組點火系統；(8)檢查所有接線盒內端子觸點和電氣設備固定的可靠性；(9)檢查機組與底架間的柔性支撐及底架減振器狀態；(10)使用孔探儀查看發動機通流部分情況。

嚴格按照維護規范對各系統進行檢查后，完成相應記錄，實現可追蹤、可追溯。

2.3 針對性的改進及可靠性測試

對圖3及表2中出現的單點故障較多的零部件進行針對性的改進，并進行可靠性測試，提高零部件的可靠性。

目前主要改進工作及其效果如下：

1)對內部線路出現斷路或感應電勢較小問題的轉速傳感器進行改進，改進后的傳感器已在多臺機組投運，并累計運行達2萬h，未出現故障。

2)對容易被流質顆粒物卡滯的機械式燃油調節系統進行改進，采用數字式燃油調節器，可以實現燃氣溫度及大氣溫度對燃油量的補償，不再需要人為調整燃油。目前多臺機組使用數字式燃油調節器，已完成4 000余次啟動，未出現故障。

3)進行了控制邏輯方面的相關改進，杜絕了因轉速測量故障、溫度測量故障等信號測量不準確引起的降負荷及停機故障。

同時開展針對各執行機構、各電磁閥、截止閥工作穩定性情況的可靠性試驗，對影響可靠性的部件進行改進，使其穩定運行。

3 結 論

本文從某型燃氣輪機長期運行情況出發，對該型某臺機組6 500 h及其他20臺該型機組前1 000 h出現的故障進行了故障影響分析。為降低故障率，減少停機及降負荷，維護燃氣輪機的穩定運行，提出了該型機組的可靠性運行維護策略，主要包括3方面：

1)通過故障排查方法研究，可以在故障發生時高效排除故障，快速恢復工作；

2)針對故障特點，對機組進行定期維護，主要包括定期日維護、定期月維護、定期年維護等維護事項；

3)對易出現故障的部件，可采取改進結構、升級控制邏輯等一系列措施，提高運行可靠性，降低故障率。

本文基于運行故障的燃氣輪機維護策略研究對燃氣輪機的安全穩定運行具有建設性意義。