關(guān)于M251S型燃機空壓機運行故障的分析

彭 珍

1　概述

目前，國內(nèi)大、中型鋼鐵企業(yè)在自備電廠建設(shè)上，不僅只考慮回收富余煤氣達到煤氣零放散的目標(biāo)，而且為全力提高自備電廠發(fā)電量，提升高爐煤氣等工業(yè)副產(chǎn)品的使用價值,進一步降低企業(yè)的運營成本，已經(jīng)成為鋼鐵企業(yè)發(fā)電技術(shù)開發(fā)的一種趨勢?！?】

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)（簡稱CCPP）是由燃氣輪機發(fā)電和蒸汽輪機發(fā)電疊加組合的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置。與傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)電系統(tǒng)相比，循環(huán)發(fā)電機組具有以下優(yōu)點：

（1）二次能源利用度高，降低電力成本；

（2）循環(huán)發(fā)電技術(shù)先進可靠，煤氣利用率高；

（3）燃氣輪機適應(yīng)煤氣快速調(diào)節(jié)；

（4）燃氣輪機采用低氮燃燒技術(shù)，節(jié)能環(huán)保；

某公司于2014年1月引進了兩套50 MW 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電(CCPP)機組。每套機組額定負荷50 MW，主要設(shè)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(fā)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(shè)備由杭州汽輪機公司提供。燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組是目前鋼鐵企業(yè)最先進的煤氣回收利用技術(shù)，機組以高爐煤氣為主燃料，燃燒后產(chǎn)生的能量推動燃機透平做功，排出的煙氣經(jīng)余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生高低壓過熱蒸汽推動汽輪機做功，其發(fā)電效率遠遠高于常規(guī)燃氣鍋爐發(fā)電機組，此項目也為公司實現(xiàn)煤氣零放散奠定了堅實的基礎(chǔ)。

本文結(jié)合兩臺50 MW循環(huán)發(fā)電機組空壓機運行中出現(xiàn)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(zé)從周圍大氣吸入空氣，并將其壓縮增壓，然后連續(xù)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(shù)如下：

類型：軸流式；

級數(shù)：19；

進口導(dǎo)葉類型：可變型；

壓比：11：1（標(biāo)準(zhǔn)情況下）；

位置：冷端（壓縮機側(cè)）；

進口空氣方向：側(cè)面；

轉(zhuǎn)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(huán)境15℃）;

空壓機排氣溫度：335℃（環(huán)境15℃）;

排氣方向：軸向;

轉(zhuǎn)向：發(fā)電機側(cè)順時針。

3　空壓機事故經(jīng)過

2016年7月19日，因連續(xù)大雨天氣，兩臺CCPP機組都因葉片通道溫度持續(xù)升高導(dǎo)致燃機負荷持續(xù)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(fù)至20 MW時，即出現(xiàn)葉片通道溫度高，燃機負荷超限現(xiàn)象。

2016年7月31日15：32分，2#燃氣輪機因發(fā)電機功率快速下降觸發(fā)跳閘，同時燃機入口空氣過濾器報故障，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)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(fù)成負壓。通過調(diào)取空壓機相關(guān)進氣參數(shù)分析判斷出空氣氣流出現(xiàn)短暫明顯的倒返現(xiàn)象，導(dǎo)致燃機空氣量不足，觸發(fā)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(yè)人員檢查空氣過濾器內(nèi)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(fā)電機功率急降觸發(fā)機組跳閘，同時燃機入口空氣過濾器報故障，跳機現(xiàn)象與前一次一致。經(jīng)過專業(yè)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(dǎo)致進氣不暢；另一個是空壓機本體出現(xiàn)問題，導(dǎo)致吸氣不足。經(jīng)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(zhuǎn)速至2830 r/min時，燃機跳閘（轉(zhuǎn)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(xiàn)場人員發(fā)現(xiàn)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(yè)人員及領(lǐng)導(dǎo)一致決定對空壓機進行全面檢查，8月2日，利用內(nèi)窺鏡從空壓機入口進行內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)3級靜葉以后各級葉片均出現(xiàn)葉片損傷現(xiàn)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(nèi)部檢查，同樣發(fā)現(xiàn)3級靜葉以后各級葉片均出現(xiàn)葉片損傷現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(yán)重（此處設(shè)有抽氣口）。

經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)，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(zhì)量不合格，經(jīng)過長時間運行會造成焊接部位開焊，導(dǎo)致密封齒脫落（2016年4月底1#燃機大修時發(fā)現(xiàn)3#靜葉密封齒有開裂的現(xiàn)象，當(dāng)時采用補焊處理。）。另焊接部位長度不足以及靜葉密封齒偏?。?.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(zhì)量問題是造成此次事故的直接原因。

（2）結(jié)合兩臺機組數(shù)據(jù)計算發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)明顯恢復(fù)，因此可以判斷7月20日空壓機葉片即出現(xiàn)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(fēng)量，導(dǎo)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(xiàn)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(shù)據(jù)，2016年7月20日之前的數(shù)據(jù)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(fù)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(qū)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(nèi)部進行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部濾芯受潮嚴(yán)重，三級過濾器后進風(fēng)通道底部有存水現(xiàn)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(fù)到正常水平。

原因分析：因7月中旬開始的連續(xù)陰雨天氣，至7月20日為大雨狀態(tài)，兩臺燃機入口空氣過濾器濾芯嚴(yán)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(chǎn)生較大影響，產(chǎn)生不可逆的損傷，此是導(dǎo)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(shè)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(zhuǎn)速（2830 r/min），抽氣閥關(guān)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(xiàn)喘振。因此在2830 r/min時，兩級抽氣陸續(xù)關(guān)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(jié)論

(1）空壓機靜葉密封齒的質(zhì)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(xù)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(yán)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(jīng)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(dāng)增加靜葉環(huán)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(zhì)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(yù)過濾除濕系統(tǒng)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(yīng)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(tài)，旁路擋板持續(xù)打開時，應(yīng)主動停止機組運行，保護設(shè)備安全。

(4）嚴(yán)控機組大修周期，根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗嚴(yán)控檢修周期不超兩年。定期對設(shè)備進行檢修維護，以保證設(shè)備性能。

[參 考 文 獻]

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