基于開口穩(wěn)定流系統(tǒng)分析燃?xì)廨啓C(jī)異物損壞壓氣機(jī)葉片

邱瑋坤，盧偉國，晏海能

(江蘇國信淮安第二燃?xì)獍l(fā)電有限責(zé)任公司,江蘇 淮安 223002)

國內(nèi)某燃?xì)怆姀S配置有兩臺9F級燃?xì)廨啓C(jī)，分軸低位布置。燃?xì)廨啓C(jī)本體布置標(biāo)高為4米層，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)布置標(biāo)高13米層。

燃?xì)廨啓C(jī)是一種高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，以連續(xù)流動的天然氣氣體作為工質(zhì)、把熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的重要組成部分。在運(yùn)行中，壓氣機(jī)從外界大氣環(huán)境吸入空氣，通過燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣道，并經(jīng)過軸流式壓氣機(jī)逐級壓縮使之增壓；壓縮空氣被壓送到燃燒室與噴入的燃料混合燃燒生成高溫高壓的氣體；然后再進(jìn)入到透平中膨脹做功，推動透平帶動壓氣機(jī)、轉(zhuǎn)子一起高速旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了氣體燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)主要部件之一。

1 事情經(jīng)過

2017年7月14日10:19，#1燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行出現(xiàn)異?，F(xiàn)象：#1燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷從280 MW下降到270 MW，隨后NOx排放濃度增加，從26.65 mg/m3上升到約36.9 mg/m3，如圖1所示。負(fù)荷下降時，壓氣機(jī)出口壓縮空氣溫度有所上升,從458 ℃升至463 ℃，上升了5 ℃。壓氣機(jī)殼體壓力出現(xiàn)了下降，1.71 MPa降至1.69 MPa。

圖1 異常時燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷和氮氧化物變化曲線

相關(guān)技術(shù)人員對#1燃?xì)廨啓C(jī)整個運(yùn)行數(shù)據(jù)工況做了詳細(xì)分析，燃?xì)廨啓C(jī)軸振、瓦溫、潤滑油溫、各輪盤腔室溫度、燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度分散度、燃燒器燃燒各頻段振動、燃燒振動加速度等均在允許合格范圍內(nèi)。就地對燃?xì)廨啓C(jī)本體聽音無異音，綜合判斷機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)整體評價機(jī)組運(yùn)行正常。

至18日#1燃?xì)廨啓C(jī)正常停機(jī)，停#1燃?xì)廨啓C(jī)前相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)均正常,#1燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)時惰走時間正常。

利用#1燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)機(jī)會對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行目視檢查，檢查無異常，進(jìn)入到燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣室發(fā)現(xiàn)壓氣機(jī)進(jìn)口IGV葉片、動葉葉片被異物嚴(yán)重打傷(圖2)。

(a) IGV葉片

(b) 動葉葉片

隨后在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣室底部發(fā)現(xiàn)被打壞的燃?xì)廨啓C(jī)水洗噴嘴頭(圖 3)。

圖3 噴嘴損壞部件

根據(jù)現(xiàn)場情況分析判斷造成壓氣機(jī)葉片受損的直接原因為#1燃?xì)廨啓C(jī)水洗噴嘴頭部件在機(jī)組運(yùn)行中脫落(圖 4)，脫落后被進(jìn)氣系統(tǒng)高速氣流吸入壓氣機(jī)，與壓氣機(jī)第一級IGV葉片碰撞后隨氣流又進(jìn)入第一級動葉，噴嘴頭被壓氣機(jī)動葉碰撞帶動一起旋轉(zhuǎn)，造成IGV葉片和第一級動葉損壞，葉片損壞的部分又隨氣流進(jìn)入下一級流道，又造成下一級葉片損壞，從而造成整個壓氣機(jī)葉片不同程度損壞。

圖4 噴嘴頭部件

水洗噴嘴頭脫落的原因為噴嘴部件之間采用絲牙連接方式，通過點(diǎn)焊方式固定，由于工廠總裝時點(diǎn)焊止動焊點(diǎn)較小(圖4)，寬度不足1 mm，且只有一點(diǎn)，焊接強(qiáng)度低，在機(jī)組正常運(yùn)行中焊點(diǎn)突然斷裂，導(dǎo)致水洗噴嘴頭部件松動脫落。

2 理論分析

由于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)空氣流動的速度比較快，在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣道、進(jìn)氣室停留的時間很短，它與周圍外界空間幾乎沒有能量交換。所以，我們可以把燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)看成是一個開口的、絕熱的、穩(wěn)定流動的理想空氣系統(tǒng)(忽略氣體流動時的能量損失和位能變化)[1]。

根據(jù)理想氣體絕熱流動過程方程：

(1)

式中：p表示氣體的絕對壓力；ρ表示氣體密度；C表示常數(shù)；k表示定熵指數(shù)(k=1.4)

將式(1)兩邊進(jìn)行微分，積分，得

(2)

根據(jù)理想氣體一元恒定流動基本方程，取一個流向長度為ds的微元柱體，其截面積為A(圖5)，則

且 ds/dt=V

圖5 微元示意圖

將上式積分，得

(3)

聯(lián)立式(2)(3)，得氣體絕熱流動的能量方程

即任意兩斷面[2]

(4)

根據(jù)氣體狀態(tài)方程[3]

p=ρRT

絕熱過程初、終態(tài)間的狀態(tài)參數(shù)關(guān)系為

(5)

(6)

式中：T表示氣體熱力學(xué)溫度；P表示氣體的絕對壓力；ρ表示氣體密度；ρ、T表示終狀態(tài)參數(shù)；p0、T0表示初狀態(tài)參數(shù)；各參數(shù)為氣體流動過程任一截面上的氣體特征參數(shù)。

3 情況分析

根據(jù)現(xiàn)場燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)情況，將其分成截面0-0、1-1、2-2三個截面，空氣源源不斷地從0-0截面流進(jìn)系統(tǒng)，經(jīng)過1-1截面，從截面2-2流出進(jìn)入壓氣機(jī)(圖 6)。

查閱歷史數(shù)據(jù)，14日#1燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組負(fù)荷280 MW時，大氣壓力：100.198 kPa，環(huán)境溫度：30.9 ℃，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口溫度30.4 ℃，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口靜壓力：-1.628 kPa，1-1、2-2截面差壓：23.104 kPa。

在標(biāo)準(zhǔn)條件下(0 ℃，1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)，空氣密度約為1.293 kg/m3。

根據(jù)空氣密度計算公式：

空氣密度=1.293×(實際壓力/標(biāo)準(zhǔn)物理大氣壓)×(273.15 / 熱力學(xué)溫度)

可以得出在外界環(huán)境溫度30.9 ℃時，空氣密度為：

ρ0≈1.148 kg/m3

圖6 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)截面圖

根據(jù)公式(5)，解得1-1截面空氣密度為

ρ1≈1.143 kg/m3

根據(jù)公式(6)，解得1-1截面氣壓為

P1≈99.622 kPa

由于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)從大氣中吸入空氣，所以V0=0，根據(jù)公式(4)，解得1-1截面空氣速度為

v1≈31.682 m/s

由于1-1截面和2-2截面差壓為23.104 kPa，得2-2截面氣壓為

p2=76.517 kPa

由于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)是個穩(wěn)定流系統(tǒng)，通過1-1截面和2-2截面空氣質(zhì)量流量相等，可知

ρ1v1A1=ρ2v2A2

查閱燃?xì)廨啓C(jī)制造廠家進(jìn)氣系統(tǒng)制造數(shù)據(jù)，1-1截面為矩形，長8.5 m，寬2.1 m,2-2截面為喇叭口形狀圓形，外徑為1.275 m，內(nèi)徑為0.615 m，其中IGV葉片 0.66 m。

可得：

1.143×31.682×8.5×2.1=ρ2v2(πX((1.275)2-(0.615)2)

(7)

根據(jù)公式(4)，得

(8)

聯(lián)立式(7)(8)，解得2-2截面空氣速度為

v2≈177.681 m/s

可以看出，隨著燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣面積不斷收縮，直至壓氣機(jī)進(jìn)口，0-0、1-1、2-2截面上空氣流速不斷增加。

4 水洗噴嘴頭脫落剖析

#1燃?xì)廨啓C(jī)離線水洗噴嘴頭共有8個，實際脫落水洗噴嘴頭為下部#7噴嘴頭[4](圖7)，以脫落水洗噴嘴頭為研究對象。

圖7 燃?xì)廨啓C(jī)水洗噴嘴布置圖

燃?xì)廨啓C(jī)水洗噴嘴頭脫落一瞬間，噴嘴頭受到水平ox方向的高速氣流攜帶作用力，自身受到垂直作用oy方向向下的重力、與重力反向的浮力、旋轉(zhuǎn)氣流對其oz方向的偏轉(zhuǎn)力，根據(jù)物體受力合力方向描繪出物體運(yùn)動軌跡圖(圖 8)。

圖8 水洗噴嘴脫落軌跡圖

由于水洗噴嘴頭受高速氣流偏轉(zhuǎn)不會對物體進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)構(gòu)成影響，所以不予討論。噴嘴處空氣密度較小，所受的浮力較小，予以省略。只需分析水洗噴嘴頭脫落后，受到水平ox方向的高速氣流攜帶作用力，垂直作用oy方向向下的重力的影響， 假設(shè)物體在ox運(yùn)動方向加速度為a，根據(jù)物體加速度和位移關(guān)系，得

a=98 m/s2

實測燃?xì)廨啓C(jī)水洗噴嘴頭質(zhì)量為127.446 g，由于ox運(yùn)動方向加速度為98 m/s2，受到的力為：F=98×127.45/1 000=12.49 N。

即水洗噴嘴頭部件脫落一瞬間，水平方向高速氣流攜帶作用力只要超過12.49 N，就會被高速氣流攜帶進(jìn)入壓氣機(jī)。

實測燃?xì)廨啓C(jī)水洗噴嘴頭最大面為正六邊形，邊長為29 mm，可以計算出水洗噴嘴截面積大約為0.002 185 m2。

水洗噴嘴在脫落一瞬間時，速度為0，空氣流中空氣與水洗噴嘴頭受力面碰撞，碰撞后速度為0。

由動量定理mv=Ft，

解得：

v=78.613 m/s

即燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)高速氣流速度只要大于78.613 m/s,就能夠?qū)⑺磭娮祛^脫落部件攜帶進(jìn)壓氣機(jī)。

氣流由1-1截面處速度為31.682 m/s， 至2-2截面處空氣流速已經(jīng)達(dá)到177.681 m/s，說明在氣流變工況區(qū)，氣流速度急劇增加，完全能夠?qū)⑷細(xì)廨啓C(jī)水洗噴嘴頭脫落部件攜帶入壓氣機(jī)，事實燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)葉片受損也說明水洗噴嘴頭脫落部件是被高速氣流攜帶進(jìn)入壓氣機(jī)，壓氣機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時帶動噴嘴頭一起運(yùn)轉(zhuǎn)，互相碰撞，導(dǎo)致葉片損壞，損壞的部件又進(jìn)入下一流道，形成連鎖反應(yīng)，導(dǎo)致整個壓氣機(jī)葉片不同程度受到損傷。

5 事故處理及對策

根據(jù)此次水洗噴嘴部件脫落導(dǎo)致壓氣機(jī)葉片損壞事件，燃?xì)廨啓C(jī)生產(chǎn)廠家重新制定了水洗噴嘴部件連接、焊接質(zhì)量檢查標(biāo)準(zhǔn)。要求生產(chǎn)總裝結(jié)束后檢查燃?xì)廨啓C(jī)水洗噴嘴各部件是否擰緊到位，止動焊點(diǎn)是否良好。

標(biāo)準(zhǔn)要求水洗噴嘴壓板兩端部焊點(diǎn)數(shù)量各為3點(diǎn)，焊點(diǎn)直徑4～6 mm。噴嘴螺母連接處焊點(diǎn)數(shù)量由1點(diǎn)變?yōu)?點(diǎn)，焊點(diǎn)直徑4～6 mm。螺母之間要求0.02 mm塞尺不入。噴嘴螺紋外漏≤6 mm，即噴嘴螺紋螺母與接頭間距≤10 mm(圖 9)。

圖9 噴嘴焊接標(biāo)準(zhǔn)圖

針對此次事件，燃?xì)廨啓C(jī)售后服務(wù)廠家在定期維護(hù)檢修標(biāo)準(zhǔn)中增加燃?xì)廨啓C(jī)水洗噴嘴部件檢查項目，要求每次檢修時對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣室各水洗噴嘴焊點(diǎn)狀況進(jìn)行檢查。具體步驟為首先去除水洗噴嘴表面臟污等附著物，然后對水洗噴嘴處各焊點(diǎn)情況進(jìn)行目視檢查，發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)有損傷時需進(jìn)行著色滲透檢查，焊點(diǎn)出現(xiàn)裂紋等損傷需重新打磨后再次進(jìn)行點(diǎn)焊處理，焊接結(jié)束后需要進(jìn)行著色檢查。

針對此次事件，燃?xì)廨啓C(jī)用戶也制定了相應(yīng)預(yù)防措施，對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)有松動可能螺栓進(jìn)行點(diǎn)焊加固處理，同時要求在燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)期間定期進(jìn)入進(jìn)氣室人孔檢查內(nèi)部各部件焊接等情況，發(fā)現(xiàn)脫焊時需加固處理。

6 結(jié)語

燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)是高速旋轉(zhuǎn)部件，一旦有異物自進(jìn)氣系統(tǒng)隨高速氣流進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)，伴隨著就是設(shè)備的損壞[5]。要提高異物進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)造成設(shè)備損壞的重要性認(rèn)識，做好防止異物進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)措施，定期對進(jìn)氣系統(tǒng)各連接部件進(jìn)行檢查，對易松脫部件加固，更要力求在設(shè)計初期把控，盡量將燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)分立式的部件設(shè)計成一個整體，確保不會出現(xiàn)部件脫落損壞燃?xì)廨啓C(jī)事件，同時吸取前車之鑒，嚴(yán)格控制及管理燃?xì)廨啓C(jī)的各個系統(tǒng)以避免此類事故的發(fā)生。