重型燃氣輪機缺陷與檢修過程分析

羅天文

[摘? ? 要]隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展及對于環(huán)保問題的重視，燃氣輪機以其占地面積小、聯(lián)合循環(huán)效率高、啟停調(diào)峰快速靈活、污染排放少等優(yōu)點，正逐步占據(jù)我國電力市場份額。但目前國內(nèi)對于重型燃氣輪機的研究尚處于起步階段，尤其是對于關(guān)鍵備品備件，主要依賴進口。對于燃氣輪機的檢修，特別是燃氣輪機本體部分的檢修與維護，大部分國內(nèi)燃氣輪機電廠還完全依賴于西門子，GE等燃氣輪機制造商的檢修團隊。文章分析了燃氣輪機運行中存在缺陷及檢修過程，對國內(nèi)燃氣輪機電廠檢修工作起到借鑒作用。

[關(guān)鍵詞]燃氣輪機;運行缺陷;檢修;維護

[中圖分類號]TM611.31 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）11–00–02

Analysis of Defects and Maintenance Process of Heavy Gas Turbine

Luo Tian-wen

[Abstract]With the rapid development of China's economy and attention to environmental protection， gas turbine is gradually occupying China's power market share with its advantages of small floor area， high combined cycle efficiency， fast and flexible start-up and stop peak shaving and less pollution emission. However， the domestic research on heavy-duty gas turbine is still in its infancy， especially for key spare parts， which mainly rely on import. For the maintenance of gas turbine， especially the inspection and maintenance of gas turbine body， most domestic gas turbine electromechanical plants also completely rely on the maintenance teams of gas turbine manufacturers such as Siemens and Ge. This paper analyzes the defects and maintenance process in the operation of gas turbine， which can be used as a reference for the maintenance of domestic gas turbine electromechanical plants.

[Keywords]gas turbine; operational defects;overhaul;maintain

1 燃氣輪機小修狀態(tài)描述

燃氣輪機檢修根據(jù)EOH（等效運行時間）分為小修（燃燒室檢查）、中修（熱通道檢查）及大修（整體檢查及轉(zhuǎn)子維修）。其中，EOH=實際運行時間+等效啟停次數(shù)×一次啟停等效運行時間。等效啟停次數(shù)=正常啟停次數(shù)+甩負荷等效啟停次數(shù)+緊急停機等效啟停次數(shù)+快速變負荷等效啟停次數(shù)。

筆者工廠使用燃氣輪機為德國西門子SGT5-2000E（V94.2）重型燃氣輪機，由西門子KWU公司設(shè)計制造，采用單軸、單缸、軸向排氣，冷端驅(qū)動，雙軸承支撐（壓氣機端為徑向/支持聯(lián)合軸承）;燃氣輪機由壓氣機、燃燒室及透平組成。壓氣機和透平為多級軸流設(shè)計，壓氣機共16級，壓比11.7，入口導(dǎo)葉（IGV）可調(diào)，透平為4級。兩個側(cè)立燃燒室，共16個組合式燃氣噴嘴，內(nèi)置陶瓷遮熱板，每個燃燒室配置兩個火焰探測器，監(jiān)視燃燒狀況。燃汽輪機全流程還包括燃料進氣部分，壓縮空氣進氣部分，擴散段等部分。

目前，燃氣輪機只經(jīng)歷過小修（每8000 EOH），即燃燒室檢查。燃燒室檢查主要是針對進氣和排氣管道、壓氣機葉片、透平葉片、燃燒單元及其輔助系統(tǒng)進行測量及檢查。在燃燒單元的檢查中，要特別注意燃燒室的檢查，尤其是對第一級透平噴嘴和動葉進行目視檢查，以便觀察這些部件上出現(xiàn)的磨損或變形。燃燒器、燃燒室、混合室、過渡段等由于內(nèi)外缸溫度差異，設(shè)計手段不可能將內(nèi)部部件膨脹量達到完全一致，高溫內(nèi)部零件會相對移動。因此，內(nèi)部部件一定會受到由摩擦力和低周疲勞引起的磨損。而這些檢查結(jié)果都將成為中修檢修計劃開展的重要依據(jù)。

2 燃氣輪機運行中存在缺陷及檢修過程

2.1 調(diào)壓閥

燃氣輪機進氣部分布置有自力式調(diào)壓閥，用于保證燃氣輪機入口燃氣壓力穩(wěn)定。由于天然氣爆炸極限為5 %～15 %，屬易燃易爆氣體，調(diào)節(jié)閥無法使用電力驅(qū)動。我廠調(diào)壓站調(diào)壓閥為自力式調(diào)壓閥，可利用調(diào)壓閥輸出端與輸入端的反饋壓力通過信號管傳遞到皮膜腔室，進而驅(qū)動閥瓣，改變閥門的開度，達到調(diào)節(jié)壓力的目的。由于自力式調(diào)壓閥的工作特點，要求其入口壓力不能低于調(diào)整壓力，自力式調(diào)壓閥對應(yīng)入口壓力要求最低不得小于2.0 MPa。冬季屬于天然氣需求較大季節(jié)，常導(dǎo)致天然氣調(diào)壓站入口壓力低于2.0 MPa，在管線壓力緩慢回升過程中調(diào)壓閥出現(xiàn)運行故障，自力式調(diào)壓閥失去調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致燃氣輪機入口壓力超過規(guī)定值，影響燃氣輪機正常運行。

經(jīng)過對調(diào)壓閥工作原理和結(jié)構(gòu)上的分析，檢修人員提出在工作調(diào)壓閥上增加加速指揮器，在工作調(diào)壓閥失效時加速對調(diào)壓閥上腔進行泄壓，從而建立皮膜上下壓差，以加速工作調(diào)壓閥進入工作狀態(tài)，改善了調(diào)壓閥的工作性能，避免了非正常管線壓力波動下造成的停機風(fēng)險，具有一定的行業(yè)推廣應(yīng)用價值。

2.2 進氣濾網(wǎng)

由于筆者工廠地處中國西北偏東干燥地區(qū)，空氣中的含塵量較大，重度污染時PM10數(shù)值在170以上，空氣中懸浮物總量在300～330 μg/m3。燃氣輪機機組安裝時使用的燃氣輪機進氣系統(tǒng)，因沒有充分考慮地區(qū)環(huán)境差異進行個性化設(shè)計，所以實際運行時存在較大的問題，其中進氣系統(tǒng)的預(yù)處理過濾器Coalescer（凝聚式除濕濾棉G3）很容易堵塞，易造成汽輪機進氣系統(tǒng)壓差超標，對燃氣輪機效率、電廠穩(wěn)定運行造成了一定程度的影響。

經(jīng)過對筆者工廠燃氣輪機進氣系統(tǒng)進行升級節(jié)能改造，通過改變?nèi)肟诔鯙V的結(jié)構(gòu)形式，將原有的板式預(yù)過濾器更換為袋式過濾器，初始阻力比原設(shè)計降低14 Pa，失效終阻力比原設(shè)計提高350 Pa。單片容塵量約為1 500 g，容塵量比原有的凝聚式除濕濾棉提高4～6倍，可以連續(xù)運行3個月不更換預(yù)處理過濾器，使用時間是原來的3倍。同時，一級過濾器的過濾能力提升，也使得二級過濾器壽命由原來的2 000 h，增加為10 000 h，是原來的5倍。改造后，該系統(tǒng)能在各種天氣條件環(huán)境下，系統(tǒng)能夠正常運行，減少機組非計劃停機次數(shù)和降負荷運行時間，同時也填補了國外燃氣輪機機在中國西北地區(qū)無法長期穩(wěn)定運行的技術(shù)空白，避免了單一設(shè)計對機組安全、穩(wěn)定、長期運行的影響，為同類型機組在該地區(qū)的運行積累了寶貴經(jīng)驗，具有一定的行業(yè)推廣應(yīng)用價值。

2.3 擴散段后燃氣輪機外殼保溫超溫

筆者工廠燃氣輪機擴散段外殼東側(cè)部分油漆發(fā)生變色脫落現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場檢查，發(fā)現(xiàn)燃氣輪機擴散段外殼存在局部超溫現(xiàn)象，金屬表面溫度最高達163 ℃。

燃氣輪機擴散段外殼保溫為內(nèi)部保溫形式，保溫材料為陶瓷纖維毯，外設(shè)保溫內(nèi)襯板逐層搭接，螺栓固定并進行焊接。如果對保溫內(nèi)襯板進行逐層拆除，工作量巨大，最終決定對燃氣輪機擴散段外殼東側(cè)超溫部位內(nèi)保溫區(qū)域內(nèi)襯板進行切割后更換內(nèi)保溫棉。

通過燃氣輪機擴散段煙氣溫度測點作為內(nèi)外層參照物，精準確定超溫區(qū)域?qū)?yīng)的內(nèi)部位置，然后對保溫內(nèi)襯板進行檢查，確定保溫內(nèi)襯板是否存在磨損、變形、變色、松動、嚴密性下降等問題。然后對切割區(qū)域進行確定，切割區(qū)域須有兩個以上的固定螺栓，便于后期保溫恢復(fù)時調(diào)整陶瓷耐火纖維毯壓縮量及焊接前固定;切割區(qū)域不得跨過槽型壓板，以防破壞保溫內(nèi)襯壓板整體性及穩(wěn)定性;保溫層材料為陶瓷纖維毯，厚度為247 mm，分別用4層δ=50 mm和2層δ=38 mm的陶瓷纖維毯錯縫布置;保溫層厚度的壓縮量不小于15 %，長度方向應(yīng)壓縮25 mm。擴散段由于處于燃氣輪機排氣出口，排氣溫度為538.2 ℃，排氣壓力為92.5 kPa，煙氣質(zhì)量流量為494.5 kg/s，所以需要對保溫內(nèi)襯板壓緊螺母與螺柱進行點焊固定，一周不少于3處焊點，防止墊片松動脫落。

2.4 擴散段裂紋

筆者工廠燃氣輪機擴散段在停機目視檢查中發(fā)現(xiàn)存在變形及裂紋的情況，認為裂縫及變形為擴散段熱應(yīng)力釋放導(dǎo)致，決定對裂縫進行打磨焊補。擴散段基材為X6CrNiTi18-10/1.4541，焊接前需要對裂縫邊緣進行打磨，并開60 °坡口，著色確認有無潛在裂紋后再進行焊接。焊接使用的焊材為Bohler的ER347，焊絲直徑3.2 mm。焊接完成后仍需打磨著色，確認無焊接缺陷后，工作結(jié)束。第一次焊接后，機組啟動運行正常;待再次停機對擴散段第進行目視檢查中，發(fā)現(xiàn)仍有新增裂縫，但變形情況已經(jīng)消除。對裂縫進行再次焊接后，擴散段熱應(yīng)力逐漸得到釋放，再未發(fā)現(xiàn)過嚴重裂縫。

3 六價鉻

根據(jù)西門子以往的燃氣輪機檢修經(jīng)驗，在彈簧夾、過渡段、排氣擴散器、葉片、葉片托架螺栓孔的外部焊縫、其他燃燒段螺栓連接以及排氣缸上隔熱毯的內(nèi)側(cè)，排氣管、排氣隔熱層的內(nèi)側(cè)以及熱氣通道中的其他部件和材料上發(fā)現(xiàn)了六價鉻[Cr（vi）]的存在，表現(xiàn)為黃色殘留物。在我廠燃氣輪機8000 EOH小修中，也在燃燒室、過渡段、透平葉片、擴散段、鍋爐鰭片管上發(fā)現(xiàn)黃色粉末，跟西門子的檢修隊伍溝通后，初步判斷為六價鉻。燃氣輪機的燃氣噴嘴、混合室、過渡段及透平葉片為高溫金屬部件，為確保材料耐高溫腐蝕性，金屬中的三價鉻含量在20 %左右，而三價鉻在有氧條件下加熱即可生成六價鉻。

后經(jīng)采樣及實驗室檢測，測得黃色粉末中六價鉻含量為0.61 %，雖含量少，但是六價鉻毒性較強。首先，六價鉻為吞入性毒物、吸入性極毒物，皮膚接觸可能導(dǎo)致過敏;更可能造成遺傳性基因缺陷，吸入可能致癌，對環(huán)境有持久危險性。其次，六價鉻是很容易被人體吸收的，它可通過消化、呼吸道、皮膚及黏膜侵入人體。危害最大的是長期或短期接觸或吸入時有致癌危險。吸入某些較高濃度的六價鉻會引起流鼻涕、打噴嚏、瘙癢、鼻出血、潰瘍和鼻中隔穿孔。短期大劑量的接觸，在接觸部位會產(chǎn)生不良后果，包括潰瘍、鼻黏膜刺激和鼻中隔穿孔。攝入超大劑量的鉻會導(dǎo)致腎臟和肝臟的損傷、惡心、胃腸道刺激、胃潰瘍、痙攣甚至死亡。皮膚接觸會造成潰瘍或過敏反應(yīng)。

因此，在對燃氣輪機燃燒器及其后煙氣流經(jīng)的燃氣輪機透平、擴散段、余熱鍋爐受熱面進入時必須辦理密閉空間進入許可并穿戴足夠防護級別的PPE，包括但不限于N95及以上級別口罩、護目鏡、連體防護服、橡膠手套等。其次，因六價鉻會對環(huán)境造成持續(xù)性影響，在每次檢修中，應(yīng)盡可能對六價鉻粉末進行收集，同時使用后的口罩、連體防護服、手套等應(yīng)集中收集，統(tǒng)一交實驗室處理。實驗室可采用藥劑還原沉淀法對六價鉻進行處理。將六價鉻溶于水后，向溶液中加入SO2、FeSO4等還原劑，將六價鉻還原成三價鉻，從而降低鉻元素的毒性，然后再加入石灰或氫氧化鈉，使其在堿性條件下生成氫氧化鉻沉淀。燃氣輪機電廠檢修中，也應(yīng)該注意六價鉻的危害，拆開人口后應(yīng)派專人進入燃氣輪機，對六價鉻黃色粉末進行收集，并經(jīng)實驗室妥善處理，不得隨意丟棄，以免污染環(huán)境。檢修人員進入燃氣輪機內(nèi)部，也應(yīng)做好個人防護，防止六價鉻對人體的傷害。

4 備品備件

燃氣輪機電廠的備品備件優(yōu)化管理可以從以下幾點入手：①建立備件集中管理信息化平臺，并與西門子備件編碼無縫對接，方便查詢與領(lǐng)取;②實現(xiàn)各廠燃氣輪機備件的集中管理，利于合理分配各廠購買備件的種類和數(shù)量;③減少備件的重復(fù)配置，優(yōu)化配置結(jié)構(gòu)，降低備件資金成本;④開展部分備件的國產(chǎn)化嘗試;⑤對于多機組運行燃氣輪機電廠，可根據(jù)各臺機組設(shè)備檢修間隔時間的要求，錯開各機組檢修間隔的運行時間表，這樣就可以實現(xiàn)熱通道部件之間的調(diào)配，減少備件備品的數(shù)量。

5 結(jié)術(shù)語

因為目前國內(nèi)燃氣輪機的檢修主要依靠國外技術(shù)力量，所以如何真正掌握燃氣輪機的檢修技術(shù)，沖破外方的技術(shù)封鎖是燃氣輪機工程師不得不面對的挑戰(zhàn)。對于燃氣輪機電廠來說，可以在國外檢修公司檢修時派遣自己的技術(shù)人員全程跟蹤學(xué)習(xí)，引進維修設(shè)備和技術(shù)。此外，還可以將各自運行中的缺陷及檢修情況進行交流，互相促進學(xué)習(xí)，培訓(xùn)和培養(yǎng)一批懂檢修技術(shù)的本廠人員。在機組出現(xiàn)小故障時可以自己完成檢修，擺脫對制造商的過分依賴。

參考文獻

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[2] 鄭黎峰，皇甫函.M701F型燃氣輪機的檢修與壽命管理[J].電力系統(tǒng)設(shè)備，2004（12）：84-87.