分布式航改型燃?xì)廨啓C(jī)典型故障分析及應(yīng)對措施

鄭 健，田 鑫，韓苗苗，白云山，賀 軍,石 巖

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

0 引言

當(dāng)前，我國分布式能源系統(tǒng)主要由天然氣分布式能源和可再生分布式能源兩部分組成[1-2]。近兩年來，受政策、技術(shù)發(fā)展、高氣價(jià)等多重因素影響，以分布式光伏、分散式風(fēng)電等為代表的可再生分布式能源實(shí)現(xiàn)了爆發(fā)式增長[3]，而天然氣分布式發(fā)展較為平穩(wěn)，新增裝機(jī)規(guī)模遠(yuǎn)小于可再生分布式能源。但是，天然氣分布式能源因其可中斷性、主動用能、靈活性高、穩(wěn)定性強(qiáng)、綜合能源利用率高等特點(diǎn)[4-5]，在負(fù)荷中心就近并隨時(shí)滿足客戶端電力、制冷、蒸汽、熱水等多變的需求[6]，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化能源供應(yīng)，在某種程度上具有一定的不可替代性。據(jù)2019年中國分布式能源國際論壇發(fā)布的《中國分布式能源行業(yè)發(fā)展研究2019》報(bào)告顯示，截止2019年8月底，我國天然氣分布式能源項(xiàng)目總裝機(jī)容量已超過18 TW(含已建、在建、籌建)，其中，2017年以來至2019年8月新獲批或簽約天然氣分布式項(xiàng)目達(dá)71個(gè)，項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模合計(jì)為4.92 TW[7]。隨著我國電力體制改革深入，在各項(xiàng)鼓勵(lì)政策和油氣價(jià)持續(xù)走低等因素推動下，天然氣分布式將迎來快速發(fā)展。

作為天然氣分布式能源的核心設(shè)備，分布式燃?xì)廨啓C(jī)需要具備優(yōu)異的起、停機(jī)和快速加、減負(fù)荷性能，且在不同負(fù)荷條件下均能穩(wěn)定、高效運(yùn)行，部件能夠承受因頻繁負(fù)荷變化而產(chǎn)生的交變熱應(yīng)力，并最大限度地減小其對部件壽命影響，設(shè)備本身必須具備很高的可靠性。航改型燃?xì)廨啓C(jī)繼承了航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計(jì)，能夠高效、穩(wěn)定地在變負(fù)荷工況下運(yùn)行，其部件使用輕質(zhì)耐熱合金，并采用薄壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可承受交變熱應(yīng)力且基本不影響部件壽命，在區(qū)域型天然氣分布式能源項(xiàng)目中得到廣泛采用[8-9]。以LM2500、LM6000為代表的LM系列航改型燃?xì)廨啓C(jī)，從20世紀(jì)80年代開始，陸續(xù)應(yīng)用到發(fā)電領(lǐng)域[10]。目前，在全世界范圍內(nèi)，LM2500、LM6000燃?xì)廨啓C(jī)均有超過1000臺在運(yùn)行，機(jī)組可靠性超過99%，可用性超過98%[11-12]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自2014年以來，國內(nèi)至少已有9個(gè)項(xiàng)目、21臺LM系列燃機(jī)投運(yùn)，在同類型機(jī)組中，LM系列燃機(jī)數(shù)量最多。

LM系列燃機(jī)具有很高的可靠性，但受運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)不足、運(yùn)行環(huán)境差異以及設(shè)備自身缺陷等影響[13]，國內(nèi)LM系列燃機(jī)運(yùn)行中故障率不及預(yù)期，特別是燃機(jī)本體重大故障時(shí)有發(fā)生，因需要整機(jī)返廠維修造成巨大損失，嚴(yán)重影響分布式能源企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營甚至是生存發(fā)展。本文以LM系列燃機(jī)本體為研究對象，針對實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)過的重大故障或隱患，分析故障現(xiàn)象和成因，提出處理措施和防范建議，為分布式能源企業(yè)生產(chǎn)管理提供借鑒與參考。

1LM系列航改型燃?xì)廨啓C(jī)本體簡介

LM系列航改型燃?xì)廨喅商装l(fā)電機(jī)組通常包含燃?xì)廨啓C(jī)本體、燃料系統(tǒng)、空氣進(jìn)氣系統(tǒng)、潤滑油系統(tǒng)、壓氣機(jī)水洗系統(tǒng)、火災(zāi)探測和消防系統(tǒng)以及燃機(jī)控制系統(tǒng)等設(shè)備[14]。其中，燃?xì)廨啓C(jī)本體通常包含壓氣機(jī)、燃燒器、燃燒噴嘴及點(diǎn)火器、高壓透平、低壓透平、輔助齒輪箱、軸承以及各種儀表等。壓氣機(jī)入口配置可調(diào)式進(jìn)氣導(dǎo)葉，壓氣機(jī)前幾級靜葉可以通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保證燃?xì)廨啓C(jī)在部分負(fù)荷下的高效率并防止壓氣機(jī)發(fā)生喘振。采用耐高溫合金材料制作的滾動軸承，用于支撐轉(zhuǎn)子和平衡軸向推力。目前，國內(nèi)區(qū)域型天然氣分布式能源項(xiàng)目應(yīng)用較多的LM2500+G4燃機(jī)和LM6000PD/PF燃機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示[11-12]。

表1 LM2500+G4燃機(jī)和LM6000PD/PF燃機(jī)相關(guān)參數(shù)Table 1 Characteristics of LM2500+G4 and LM6000PD/PF

2 典型故障分析及應(yīng)對措施

國內(nèi)區(qū)域型天然氣分布式能源項(xiàng)目LM2500和LM6000燃機(jī)投產(chǎn)以來，運(yùn)行過程中燃機(jī)本體發(fā)生過多起設(shè)備損壞事件，在檢修維護(hù)過程中，也發(fā)現(xiàn)多個(gè)存在較大風(fēng)險(xiǎn)隱患的故障部件，部分機(jī)組甚至需要整機(jī)返廠維修。國內(nèi)區(qū)域型天然氣分布式能源項(xiàng)目LM系列航改型燃?xì)廨啓C(jī)典型故障如表2所示。

表2 國內(nèi)區(qū)域型天然氣分布式能源系項(xiàng)目LM系列航改型燃?xì)廨啓C(jī)典型故障情況Table 2 Typical faults of LM series aero-derivative gas turbines in regional gas distributed energy system

2.1 壓氣機(jī)葉片斷裂

多個(gè)區(qū)域型天然氣分布式能源項(xiàng)目LM6000燃機(jī)發(fā)生壓氣機(jī)葉片斷裂致機(jī)組返廠維修。A項(xiàng)目燃機(jī)(運(yùn)行近3 000 h)運(yùn)行中燃機(jī)負(fù)荷自動由41.7 MW下降至37.4 MW，同時(shí)，壓氣機(jī)可調(diào)靜葉反饋信號報(bào)警，經(jīng)檢查，可調(diào)靜葉開度與設(shè)定值匹配。約20 s后，發(fā)“壓氣機(jī)失速”報(bào)警，燃機(jī)喘振，觸發(fā)自動緊急停機(jī)。停機(jī)后對燃機(jī)進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查、機(jī)械檢查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣系統(tǒng)精濾背部無明顯臟污、過濾狀態(tài)良好，進(jìn)氣腔室潔凈，壓氣機(jī)喇叭口入口前外來異物篩網(wǎng)(材質(zhì)為鋼絲)存在銹蝕情況，同時(shí)存在直徑約1 mm的缺失，并且，低壓壓氣機(jī)0—4級除第2級基本無損傷外，其他動葉存在輕微損傷，高壓壓氣機(jī)動葉第1—14級均存在不同程度損傷，第10、11級損傷較為嚴(yán)重，第12—14級嚴(yán)重程度次之。B項(xiàng)目燃機(jī)(運(yùn)行近1 000 h)運(yùn)行中燃機(jī)跳閘繼電器K1動作，同時(shí)檢測到喘振，并發(fā)出報(bào)警信號，3 s后火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)動作，燃機(jī)消防系統(tǒng)向發(fā)動機(jī)、發(fā)電機(jī)艙室噴射CO2，機(jī)組停運(yùn)。對燃機(jī)進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查、機(jī)械檢查，發(fā)現(xiàn)高壓壓氣機(jī)第1—10、12、13級動葉未見明顯損傷，第11級動葉破損1片，第14級動葉損傷4片，此外，發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)存在積垢，進(jìn)氣濾網(wǎng)粗濾和精濾均較臟，濾筒背面較為清潔。

壓氣機(jī)葉片斷裂可能是受到外部異物的沖擊，也可能是受運(yùn)行維護(hù)等影響，造成葉片自身狀態(tài)或工作環(huán)境惡化，引起葉片自身斷裂。A項(xiàng)目燃機(jī)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)結(jié)構(gòu)完整、過濾效果良好，同時(shí)壓氣機(jī)葉片表面清潔，排除異物通過進(jìn)氣過濾系統(tǒng)進(jìn)入壓氣機(jī)引起葉片損傷的可能?？紤]到從低壓壓氣機(jī)0級到高壓壓氣機(jī)14級，均有不同程度沖擊損傷，結(jié)合壓氣機(jī)入口鋼絲網(wǎng)存在一小塊缺失，鋼絲網(wǎng)后無任何防護(hù)設(shè)施，推斷是脫落鋼絲進(jìn)入壓氣機(jī)對葉片進(jìn)行沖擊，引起高壓壓氣機(jī)第10級葉片較大材料脫落，進(jìn)一步加劇高壓壓氣機(jī)下游動葉損傷。并且，國外不止一個(gè)項(xiàng)目曾發(fā)現(xiàn)有鋼絲網(wǎng)碎片貫穿整個(gè)壓氣機(jī)。分析認(rèn)為，壓氣機(jī)入口鋼絲網(wǎng)網(wǎng)格或框架的損壞，很可能是由于高頻振動引起金屬絲網(wǎng)預(yù)緊力損失，進(jìn)而造成材料高周疲勞。B項(xiàng)目壓氣機(jī)第1—10級葉片未發(fā)現(xiàn)損壞的痕跡，因此基本排除異物進(jìn)入壓氣機(jī)打傷葉片的可能性。第11級葉片未見明顯塑性變形，而第14級的4根葉片均發(fā)現(xiàn)明顯的撞擊變形特征，可以推斷第11級葉片為首斷件。對第11級葉片斷裂形貌進(jìn)行檢測和分析，葉片側(cè)面尤其是疲勞源區(qū)附近存在大量的劃痕，葉片的斷口及側(cè)表面未見明顯冶金缺陷，斷裂特征符合疲勞斷裂特征。同時(shí)，根據(jù)事件中排氣壓力與瓦振變化關(guān)系，推斷此次葉片斷裂可能發(fā)生在機(jī)組喘振之后。壓氣機(jī)喘振是因?yàn)闅饬饕源笥橇魅雺簹鈾C(jī)，在葉片背面形成嚴(yán)重的分離，引起壓氣機(jī)出口氣流壓力和流量強(qiáng)烈脈動的周期性震蕩現(xiàn)象[15]。喘振發(fā)生前，在斷裂的葉片附近可能發(fā)生局部氣流脫落或失穩(wěn)等現(xiàn)象，長時(shí)間處于該工況下，容易造成葉片疲勞損傷。此外，從前一次水洗到葉片發(fā)生斷裂的320個(gè)運(yùn)行小時(shí)中，壓氣機(jī)效率下降較快，下降幅度遠(yuǎn)超過運(yùn)行規(guī)程規(guī)定的水洗條件。進(jìn)氣系統(tǒng)過濾效果不佳和水洗不及時(shí)，導(dǎo)致壓氣機(jī)積垢，引起壓氣機(jī)效率大幅降低，進(jìn)而會減小壓氣機(jī)的喘振裕度，當(dāng)環(huán)境條件突然劣化時(shí)(如空氣濕度突然增大、沙塵天氣等)，可能會誘發(fā)喘振。

運(yùn)行中發(fā)生壓氣機(jī)葉片斷裂，易導(dǎo)致壓氣機(jī)從葉片到缸體大范圍受損，需整機(jī)返廠維修。為防范壓氣機(jī)入口鋼絲網(wǎng)銹蝕、脫落，應(yīng)做好相應(yīng)的檢查和維護(hù)，同時(shí)，也可以采用廠商新推出的雙片式鋼絲網(wǎng)替換掉目前的單片式鋼絲網(wǎng)。為防范壓氣機(jī)積垢引起的壓氣機(jī)效率大幅降低，誘發(fā)機(jī)組喘振，甚至引起葉片斷裂，應(yīng)做好壓氣機(jī)效率統(tǒng)計(jì)和葉片水洗工作，確保壓氣機(jī)葉片狀態(tài)良好。此外，目前已投產(chǎn)的LM6000機(jī)組多采用就地儀表和壓力開關(guān)的配置，而未采用壓差變送器，宜將進(jìn)氣濾網(wǎng)差壓開關(guān)量監(jiān)測改為模擬量監(jiān)測，便于實(shí)時(shí)觀測差壓變化，指導(dǎo)進(jìn)氣過濾系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)。

2.2 壓氣機(jī)可調(diào)靜葉系統(tǒng)扭力桿軸承磨損

某項(xiàng)目LM2500燃機(jī)(運(yùn)行近13 000 h)在例行維護(hù)檢查中，發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)左側(cè)可調(diào)靜葉系統(tǒng)(variable stator vane，VSV)的液壓動作部件有松動現(xiàn)象，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)扭力桿后軸承支撐磨損嚴(yán)重，且第2級VSV 系統(tǒng)轉(zhuǎn)動環(huán)連接橋架嚴(yán)重磨損，機(jī)組處于高風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)下運(yùn)行。一旦缺陷進(jìn)一步擴(kuò)大，易導(dǎo)致可調(diào)靜葉無法正常調(diào)節(jié)，從而引發(fā)燃機(jī)喘振，嚴(yán)重時(shí)使得機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)失常，甚至損壞機(jī)組部件[16]。

壓氣機(jī)前幾級靜葉可以通過液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，基于先進(jìn)控制算法，在一定工作范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)葉片開度以達(dá)到最佳迎角，實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)在沒有失速的情況下的高速運(yùn)行，保持良好壓氣機(jī)特性。該機(jī)組由于長期低負(fù)荷運(yùn)行且經(jīng)常調(diào)整負(fù)荷，VSV 系統(tǒng)經(jīng)常參與調(diào)節(jié)，扭力桿、轉(zhuǎn)動環(huán)等頻繁動作，加劇軸承支撐、轉(zhuǎn)動環(huán)連接橋架等磨損。除應(yīng)用于發(fā)電的LM2500燃機(jī)外，據(jù)公開報(bào)道，國內(nèi)多臺用于天然氣輸送的LM2500燃機(jī)曾發(fā)生過類似故障。

為徹底消除隱患，更換經(jīng)硬化改進(jìn)的扭力桿軸承支撐、轉(zhuǎn)動環(huán)連接橋架等相應(yīng)部件，并在重新啟動前對VSV開度重新進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.3 燃料噴嘴堵塞

某項(xiàng)目2臺LM6000燃機(jī)(運(yùn)行近18 000 h)相繼出現(xiàn)高壓透平排煙溫度分布不均、燃燒消聲降級、燃燒模式自動切換等燃燒問題，由于燃燒不穩(wěn)定，機(jī)組只能在部分負(fù)荷運(yùn)行。此外，在負(fù)荷上升時(shí)，燃料閥前后經(jīng)常發(fā)生壓差報(bào)警。在燃機(jī)中修時(shí)(25 000 h)，深度清洗了壓氣機(jī)，更換了整套天然氣燃料噴嘴，在相同的運(yùn)行工況下，燃機(jī)出力增加33%，性能恢復(fù)至新機(jī)水平。但運(yùn)行1 000 h后，燃機(jī)出力又顯著下降，并且14號和15號噴嘴出現(xiàn)燃?xì)膺M(jìn)口節(jié)流孔板堵塞現(xiàn)象。檢查過程中還發(fā)現(xiàn)，打開燃機(jī)本體燃?xì)膺M(jìn)口前約3 m處的前置模塊過濾器排污閥后，排污口一直有油性液體排出。

該項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)中采用油冷式微油天然氣增壓機(jī)(天然氣壓力由2.8～3.0 MPa增壓至約5.0 MPa)，增壓機(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)之間雖設(shè)置了過濾器，但燃?xì)庠鰤簷C(jī)燃?xì)獬隹谔帨囟雀撸細(xì)庵械臐櫥统尸F(xiàn)氣霧狀，過濾器的過濾作用大為降低。該型號燃機(jī)燃料規(guī)范中要求進(jìn)入到燃燒室的天然氣中不能存在液態(tài)物質(zhì)。上述設(shè)計(jì)中，自增壓機(jī)帶出的微量潤滑油未得到充分去除，通過天然氣系統(tǒng)進(jìn)入到燃燒室中，在噴嘴處結(jié)垢，造成燃料噴嘴堵塞，影響燃燒系統(tǒng)正常運(yùn)行，機(jī)組出力下降。在同類機(jī)型的其他項(xiàng)目中，也有選配微油增壓機(jī)的，但對增壓機(jī)出口處的燃?xì)獠捎孟壤淠龠^濾的工藝方案，機(jī)組運(yùn)行超過3 000 h未出現(xiàn)上述故障。

為徹底解決噴嘴堵塞問題，除更換全套噴嘴外，對增壓站進(jìn)行改造，對增壓后的天然氣采用先冷凝再過濾的措施，以有效減少含油量。為避免發(fā)生此問題，同類項(xiàng)目在工程初步設(shè)計(jì)開展前，應(yīng)明確天然氣品質(zhì)要求，即天然氣溫度至少比烴露點(diǎn)和水露點(diǎn)高27.8 ℃且最高不超過82 ℃(LM2500)和120 ℃( LM6000 )，確保進(jìn)入燃機(jī)的天然氣不含液滴，并且最后一級天然氣過濾器，對于5 μm或以下顆粒，過濾效率要達(dá)到為99.5%的基本要求，顆粒的總質(zhì)量濃度不應(yīng)超過30×10-6，此外，最后一級天然氣過濾的下游應(yīng)使用不銹鋼管道。若管網(wǎng)天然氣需要增壓才能滿足燃料氣壓力要求，應(yīng)綜合考慮增壓機(jī)選型和后續(xù)工藝要求。對于微油增壓機(jī)，建議在增壓機(jī)出口處，先冷凝再過濾，減少潤滑油進(jìn)入燃燒室的風(fēng)險(xiǎn)。目前，從3 MPa增壓至5 MPa的螺桿式無油增壓機(jī)造價(jià)僅比螺桿式微油增壓機(jī)造價(jià)高30%～40%，在工程投資允許的情況下可采用無油增壓機(jī)，杜絕潤滑油進(jìn)入燃燒室的可能性。

2.4 高壓透平I級護(hù)環(huán)腐蝕

某項(xiàng)目2臺LM6000燃機(jī)在停機(jī)定檢期間(運(yùn)行約16 000 h)，孔探過程中均發(fā)現(xiàn)I級高壓透平護(hù)環(huán)出現(xiàn)多處比較嚴(yán)重的涂層材料缺失，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，護(hù)環(huán)涂層材料脫落處有即將燒穿的跡象，此外，高壓透平I級葉片涂層也有明顯脫落情況。

通過掃描電鏡對附著在護(hù)環(huán)上的材料進(jìn)行元素分析，發(fā)現(xiàn)Na、K等堿金屬。高溫下，堿金屬對高壓透平涂層有較強(qiáng)的腐蝕性。在環(huán)境溫度較高時(shí)，LM 6000機(jī)組可通過水霧中間冷卻系統(tǒng)向低壓或高壓壓氣機(jī)入口噴入霧化水，以有效降低燃燒空氣溫度，提升機(jī)組出力和效率。噴水來自余熱鍋爐低壓給水，為壓力0.1～0.3 MPa的未飽和水。故障后，對多份燃機(jī)噴水水質(zhì)取樣檢測報(bào)告進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)噴水水質(zhì)中的固體顆粒物、pH值、電導(dǎo)率、Na、K成分存在長期超標(biāo)現(xiàn)象，其中，Na、K離子總量部分時(shí)段超標(biāo)2倍左右(廠商要求的燃機(jī)噴水Na、K離子總量應(yīng)不超過0.2×10-6)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該廠原水取自廠址附近的河水，原水中Na離子最大含量為107×10-6，設(shè)計(jì)中采用了“超濾+一級反滲透+二級反滲透”工藝方案，其中一級反滲透脫鹽率≥98%，二級反滲透脫鹽率≥95%。在設(shè)計(jì)原水水質(zhì)輸入條件下，該方案中化學(xué)系統(tǒng)出水水質(zhì)中Na離子濃度的設(shè)計(jì)值為0.107×10-6，可以滿足燃機(jī)噴水水質(zhì)要求，同時(shí)，原水中未給出K離子含量，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，K離子比Na離子含量低很多，即使等量考慮，“超濾+兩級反滲透”方案也可滿足噴水水質(zhì)要求。但實(shí)際運(yùn)行過程中，由于原水水質(zhì)不穩(wěn)定，出現(xiàn)化學(xué)出水部分時(shí)段達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的情況，造成噴水水質(zhì)堿金屬嚴(yán)重超標(biāo)，對高壓透平涂層造成較嚴(yán)重的腐蝕。

更換新的高壓透平噴嘴及組件后，為徹底解決燃機(jī)噴水水質(zhì)問題，在水處理系統(tǒng)中為燃機(jī)噴水增加連續(xù)電解除鹽系統(tǒng)，并在噴水過程中嚴(yán)控水質(zhì)，及時(shí)檢測。改造后，每臺機(jī)組累計(jì)運(yùn)行約13 000 h，未再出現(xiàn)高壓透平涂層材料腐蝕問題。為避免發(fā)生此問題，同類項(xiàng)目在設(shè)計(jì)及建設(shè)過程中應(yīng)提前將噴水水質(zhì)問題考慮到位；在項(xiàng)目運(yùn)行初始階段，化學(xué)水出水不穩(wěn)定時(shí)，不應(yīng)投入噴水運(yùn)行；在常規(guī)運(yùn)行過程中，應(yīng)定期檢測噴水水質(zhì)情況，嚴(yán)格執(zhí)行噴水相關(guān)規(guī)定。

2.5 燃機(jī)軸承損壞

多個(gè)項(xiàng)目LM2500或LM6000燃機(jī)發(fā)生軸承磨損致機(jī)組返廠維修，主要表現(xiàn)為燃機(jī)回油腔中回油磁性探頭報(bào)警。C項(xiàng)目LM2500燃機(jī)(運(yùn)行近17 000 h)整機(jī)返廠維修完畢后，重新返回現(xiàn)場，安裝完成后恢復(fù)運(yùn)行，在之后的2個(gè)月內(nèi)，燃機(jī)B回油腔中回油磁性探頭多次報(bào)警，停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)磁性探頭有較多金屬碎屑積聚，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)4B軸承損壞。D項(xiàng)目LM6000燃機(jī)(運(yùn)行近25 000 h)現(xiàn)場完成了計(jì)劃性熱部套更換后重新投入運(yùn)行，運(yùn)行不足2月后，B油池首次發(fā)生磁性探測器報(bào)警，清理后繼續(xù)運(yùn)行觀察，B油池磁性探頭多次報(bào)警，之后C油池磁性探頭也開始報(bào)警，在監(jiān)視運(yùn)行過程中曾因B油池回油溫度高跳機(jī)，檢查發(fā)現(xiàn)B油池回油濾網(wǎng)處有大量碎屑，孔探檢查后確定4B軸承保持架已破損。

圖1 LM2500燃機(jī)回油腔和軸承位置Fig.1 Arrangement of oil return cavities and bearings

LM系列航改型燃?xì)廨啓C(jī)采用滾動軸承支撐整個(gè)軸系，LM2500燃機(jī)回油腔和軸承位置如圖1所示。LM6000燃機(jī)4B、4R軸承位置與LM2500相似，位于壓氣機(jī)后、靠近燃燒室。4B軸承為球軸承，由外圈、內(nèi)圈、滾珠和保持架等組成，內(nèi)外圈、滾珠均為M50材質(zhì)，保持架為AMS6414材質(zhì)，潤滑油對滾珠與內(nèi)外圈滾道之間的摩擦面進(jìn)行潤滑并加以冷卻。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測分析，確認(rèn)碎屑主要成分均是M50鋼。對C項(xiàng)目故障燃機(jī)拆解檢查發(fā)現(xiàn)，滾珠上有材料脫落現(xiàn)象，同時(shí)外圈滾道表面有硬質(zhì)顆粒刮損痕跡，通過掃描電鏡進(jìn)一步檢查，結(jié)果顯示內(nèi)圈滾道有硬質(zhì)顆粒污染物鑲嵌在涂層內(nèi)，成分為硅和鋁，而硅、鋁元素是非軸承材料元素。燃機(jī)運(yùn)行過程中，軸承密封腔會從燃機(jī)罩殼內(nèi)引入密封空氣，自燃機(jī)壓氣機(jī)引出的空氣進(jìn)入到文丘里管，將罩殼內(nèi)的密封空氣吸入，二者混合后進(jìn)入軸承密封腔，對潤滑油腔進(jìn)行密封，避免潤滑油外溢。硬質(zhì)顆粒存在通過油系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)進(jìn)入軸承腔的可能。為進(jìn)一步確定硬質(zhì)顆粒污染物來源，對C項(xiàng)目現(xiàn)場的空氣系統(tǒng)和潤滑油系統(tǒng)進(jìn)行排查。排查空氣系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)燃機(jī)罩殼內(nèi)壁存在破損的硅酸鋁降噪隔熱材料，在燃機(jī)空氣初濾安裝連接面處存在10～20 mm的縫隙，在燃機(jī)進(jìn)氣喇叭口前約200 mm處的內(nèi)壁存在Φ3 mm左右的孔洞，此外在燃機(jī)喇叭口處有較多灰塵。燃機(jī)罩殼內(nèi)壁破損處材料(硅酸鋁)元素與掃描電鏡檢查結(jié)果一致。排查潤滑油系統(tǒng)，通過目視檢查及對濾芯切片放大檢查，均未發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)顆粒物。故判斷硬質(zhì)顆粒物可能自罩殼內(nèi)空氣通過密封空氣進(jìn)入到潤滑油腔。在排除油質(zhì)問題等因素后，結(jié)合后續(xù)處理措施取得的良好效果，分析認(rèn)為，C項(xiàng)目軸承在硬質(zhì)顆粒污染物的刮損作用下受損并產(chǎn)生碎屑，暴露出現(xiàn)場運(yùn)行管理不足、燃機(jī)軸承表面硬度不夠以及燃機(jī)配套安裝質(zhì)量不高等問題。對D項(xiàng)目故障燃機(jī)進(jìn)行拆解檢查發(fā)現(xiàn)，4B軸承保持架破損，滾珠脫落，經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測及綜合分析，確定是由于硬質(zhì)顆粒物污染造成軸承的損壞。在故障發(fā)生前，燃機(jī)潤滑油中顆粒度長期超過國標(biāo)及廠商要求，考慮油中雜質(zhì)為軸承磨損的一個(gè)可能原因。此外，部分潤滑油金屬元素分析報(bào)告顯示，燃機(jī)潤滑油中金屬元素Fe、Ni含量均不同程度超過廠商標(biāo)準(zhǔn)，且Fe、Ni為金屬磨損元素，考慮油中金屬磨損元素為軸承磨損的另一個(gè)可能原因。

故障軸承無法現(xiàn)場更換，需整機(jī)返廠后更換軸承。同時(shí)，為提高軸承的耐磨性能，避免同類事故發(fā)生，該型燃機(jī)生產(chǎn)廠商于2019 年年初發(fā)布了服務(wù)說明，提出對燃機(jī)部分軸承進(jìn)行滲氮硬化處理，以提高軸承滾珠與內(nèi)外圈接觸面的表面硬度，降低硬質(zhì)顆粒進(jìn)入潤滑油腔后對軸承造成損傷破壞的可能性。該項(xiàng)改進(jìn)措施已在7年前于航空發(fā)動機(jī)中進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，改進(jìn)后全球約7700臺CF6航空發(fā)動機(jī)(LM2500地面燃機(jī)的航空發(fā)動機(jī)原型)運(yùn)行過程中未再發(fā)生類似軸承故障。此外，為進(jìn)一步減少硬質(zhì)顆粒物污染，在燃機(jī)罩殼內(nèi)應(yīng)加裝密封空氣入口過濾器，同時(shí)，加強(qiáng)運(yùn)行維護(hù)管理，保持燃機(jī)罩殼內(nèi)的清潔衛(wèi)生，從源頭上杜絕硬質(zhì)顆粒污染物進(jìn)入燃機(jī)軸承腔的可能。

2.6 進(jìn)口齒輪箱花鍵磨損

某項(xiàng)目LM2500燃機(jī)(2013年10月交付，運(yùn)行近16 000 h)運(yùn)行中突發(fā)故障，負(fù)荷在25～27 MW波動，并在壓氣機(jī)出口空氣壓力和溫度控制、燃?xì)廨啓C(jī)加速控制、最低燃料流量下限控制、燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速控制等不同模式下頻繁切換。當(dāng)切換至手動模式且降負(fù)荷至15 MW時(shí)，抽氣閥開度在7%～71%出現(xiàn)波動(正常開度應(yīng)在10%左右)。正常停機(jī)后，再次啟動，盤車轉(zhuǎn)速至2 100～2 200 r/min(盤車轉(zhuǎn)速正常值)時(shí)，發(fā)現(xiàn)燃?xì)獍l(fā)生器兩個(gè)轉(zhuǎn)速探頭信號讀數(shù)(約4 000 r/min)遠(yuǎn)高于正常值。同時(shí)，出現(xiàn)潤滑油供油壓力報(bào)警，退出啟動程序。再次開啟盤車程序后，燃?xì)獍l(fā)生器轉(zhuǎn)速均突變(超過10 260 r/min)，造成強(qiáng)制停機(jī)。檢查齒輪箱回油磁性探頭，發(fā)現(xiàn)頂端有油膩累積，阻值異常，約為60 Ω，低于正常值(100 Ω)；手動盤車，轉(zhuǎn)子不動；進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)花鍵磨損嚴(yán)重。同年，該項(xiàng)目另一臺機(jī)組出現(xiàn)類似故障。

航改型燃?xì)廨啓C(jī)中的花鍵位于進(jìn)口齒輪箱和高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子之間，負(fù)責(zé)二者之間的扭矩傳遞，在啟動和停機(jī)過程中，通過花鍵提供高速軸轉(zhuǎn)動所需要的力矩。據(jù)了解，在2013年前交付的該型設(shè)備存在潤滑油泵安全閥釋放壓力設(shè)定值偏低等設(shè)計(jì)缺陷，易造成安全閥動作，產(chǎn)生花鍵配合處供油壓力不足、油位不夠現(xiàn)象，導(dǎo)致花鍵磨損，燃機(jī)無法進(jìn)行正常傳動。全球2000余臺LM2500機(jī)組中至少有12臺出現(xiàn)類似問題。

為解決上述設(shè)計(jì)缺陷，2014年初該型燃機(jī)設(shè)備廠商發(fā)布服務(wù)說明，要求更換滑油泵安全閥，并將安全閥釋放壓力設(shè)定值由689 kPa提升至2 068 kPa，解決系統(tǒng)在低油壓條件下泄油的問題，另外，在花鍵前后安裝油檔，保證花鍵充分潤滑。但該信息并未有效傳遞到上述項(xiàng)目中，導(dǎo)致防范措施未能得到有效落實(shí)。事故發(fā)生后，對上述設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行了維修升級，之后運(yùn)行正常，未再出現(xiàn)花鍵磨損故障。

3 結(jié)論

燃?xì)夥植际侥茉雌髽I(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營一方面受天然氣氣價(jià)、負(fù)荷需求等外部條件影響，另一方面也受設(shè)備可靠性、可用率等內(nèi)部條件影響。當(dāng)前，作為燃?xì)夥植际侥茉聪到y(tǒng)最核心設(shè)備，燃?xì)廨啓C(jī)國產(chǎn)化程度偏低，一旦發(fā)生重大故障，往往需要送到國外維修廠處理，造成機(jī)組長時(shí)間停運(yùn)，無法滿足用戶需求，嚴(yán)重影響用戶的生產(chǎn)、生活，損害分布式能源企業(yè)的生存根本。為保障對外供能履約能力，燃?xì)夥植际侥茉雌髽I(yè)應(yīng)切實(shí)做好分布式能源系統(tǒng)各類設(shè)備，特別是燃?xì)廨啓C(jī)本體的運(yùn)行和維護(hù)工作，如規(guī)范開展水油品質(zhì)檢測和監(jiān)督，細(xì)致開展關(guān)鍵部位和故障多發(fā)部件的例行檢查和維護(hù)，及時(shí)執(zhí)行燃機(jī)廠商的服務(wù)通告，消除設(shè)計(jì)和制造缺陷帶來的設(shè)備隱患。