創(chuàng)新工具和方法解決索拉燃氣輪機可轉導葉卡死問題

張 錦

（中海石油（中國）有限公司 海南分公司陵-崖城作業(yè)公司，海南?？?570311）

某平臺的4臺索拉燃氣輪機，在設備運轉20 000 h以后，經常出現(xiàn)進氣導葉卡死情況。進氣導葉卡死需要及時有效處理，否則可能導致嚴重后果。該平臺索拉燃氣輪機曾出現(xiàn)過進氣導葉卡死導致的設備運轉故障，由于缺少相關檢修程序和專用工具，不得不從美國廠家請來服務工程師進行現(xiàn)場大修，承擔了高昂的修理服務費用。相關技術人員基于燃氣輪機機組運行經驗的總結和對廠家保養(yǎng)資料的研究和分析，設計了一套切實可行的檢修程序和工具，并應用在了進氣導葉卡死故障的檢修中，取得了良好的應用效果，避免了類似的情況發(fā)生。

1 燃氣輪機可轉導葉卡死原因分析

燃氣輪機進氣可轉導葉卡死和進氣空氣質量有著直接的關聯(lián)［1］。對該平臺周圍環(huán)境空氣質量進行24 h無間斷的靜態(tài)專用設備測量，得到1 m3空氣中不同尺寸顆粒的個數(shù)和總質量數(shù)據(jù)，見表1。

根據(jù)表1數(shù)據(jù)繪制進氣空氣中不同粒徑微粒的質量分布曲線，見圖1。

圖1 1 m3進氣空氣中不同粒徑微粒質量數(shù)分布曲線

表1 1m3燃氣輪機進氣空氣微粒測量數(shù)據(jù)

從圖1可以看出，微粒直徑大于10 μm的顆粒占大多數(shù)，這種尺寸的顆粒對設備影響最大。在平臺建設初期，通過現(xiàn)場調研，還發(fā)現(xiàn)在75%的污染物中含有氯離子和硫離子，而目前的平臺過濾器還無法去除氯離子和硫離子。據(jù)此初步推斷，導致燃氣輪機卡死的直接原因是微粒直徑大于10μm的顆粒，海洋空氣環(huán)境中存在的氯離子、硫離子以及水汽聚集引起導葉根部和旋轉孔銹蝕。

對初步推斷的幾個原因進行驗證。目前平臺上使用的過濾器還不具備去除氯離子、硫離子和空氣中的水蒸氣的技術能力，因此可以肯定這些離子和水汽都進入了燃氣輪機。此外，應用熱成像技術對可轉導葉進行檢測，得到的影像也進一步驗證了可轉導葉旋轉孔生銹（圖2）和葉根異物沉積（圖3）的推斷。

圖2 導葉根部旋轉孔生銹情況

圖3 可轉導葉根部異物沉積情況

2 燃氣輪機可轉導葉卡死前期征兆及后果

根據(jù)燃氣輪機機組運行累積的經驗，總結了燃氣輪機可轉導葉卡死的數(shù)條前兆，包括①機組啟動困難。②機組加速失敗。③機組啟動過程中出現(xiàn)喘振。④機組停機過程中出現(xiàn)喘振。⑤PCD（燃氣輪機壓氣機出口壓力）降低。⑥PCD波動。⑦機組出力降低。⑧機組振動（1號軸承和2號軸承的徑向振幅增加）。如果可轉導葉卡死，機組在長時間運轉過程中，容易導致葉片斷裂［2］。

燃氣輪機在運行過程中，可轉導葉卡死導致的最多故障是機組不能打開到設定位置，從而導致機組性能下降。比較嚴重的后果是設備零部件的損傷，海上某平臺燃氣輪機可轉導葉卡死曾導致透平在運轉期間第0級底部的一個可轉導葉斷裂（圖4）。

圖4 可轉導葉葉片斷裂情況

3 廠家可轉導葉保養(yǎng)方法分析［3-8］

在海洋環(huán)境中，燃氣輪機的可轉導葉卡死是一種常見的設備故障，因此廠家設定了專門的燃氣輪機進氣可轉導葉保養(yǎng)規(guī)范。廠家規(guī)范里面的保養(yǎng)僅僅限于對可轉導葉外部和相關的連接結構的目視檢查，或者是通過在可轉導葉外部噴射除銹劑（圖5），或者在機組盤車的情況下從進氣蝸殼人孔處向壓氣機內部噴射廠家指定的除銹劑（圖 6）。

圖5 向導葉根部噴射除銹劑工作圖

圖6 通過人孔向壓氣機噴射除銹劑工作圖

向壓氣機里面噴射除銹劑或從外部向可轉導葉根部噴射除銹劑，對于新機組來說效果是比較明顯的，但是對于運轉時間數(shù)超過20 000 h的機組來說效果明顯降低很多。目視檢查可轉導葉的連接機構，如果發(fā)現(xiàn)彎曲（圖7）或者斷裂（圖8），則說明該導葉已經存在卡死現(xiàn)象。如果按照廠家規(guī)范的話，現(xiàn)場將無法對卡死變形的導葉進行修復，只能等廠家工程師到現(xiàn)場對設備進行大修，這將耗費大量人力和物力［9］。

圖7 導葉移動圈變形

圖8 導葉不銹鋼銹鋼連接片斷裂

4 可轉導葉保養(yǎng)方法和專用工具設計應用及評價

4.1 工作原理及故障特點

在燃氣輪機裝置中采用可轉導葉作為壓氣機的防喘措施,是目前廣泛采用的方法［10］。與單純的放氣防喘措施相比,可轉導葉具有能擴大發(fā)動機許用功率范圍、提高低工況經濟性、改善發(fā)動機的啟動加速性能及改善機組工作條件等優(yōu)點。海上平臺上使用的燃氣輪機對發(fā)動機的工作穩(wěn)定性和性能調節(jié)能力要求尤其高,因此可轉導葉對燃氣輪機正常工作起著至關重要的作用［11］。

可轉導葉通過內軸套、外軸套分別固定在壓氣機的外機殼、內機殼上，通過移動鋼圈帶動傳動鋼片，再帶動可轉導葉轉動［12］（圖 9）。以往發(fā)生導葉卡死情況時，卡死的導葉多集中在壓氣機底部，每級可轉導葉卡死的葉片數(shù)大概在1～3個?？梢酝ㄟ^單獨脫開傳動鋼片和活動鋼圈螺栓，再推動活動鋼圈確定具體卡死葉片［13］。

圖9 可轉導葉結構

4.2 檢查和處理程序

根據(jù)工作原理提出的導葉卡死恢復方法［14］為，在出現(xiàn)任何一種卡死前兆時，按照如下步驟檢查并處理發(fā)現(xiàn)的燃氣輪機進氣可轉導葉卡死故障，①拆除壓氣機可轉導葉的活動板。②檢查每一級可轉導葉移動圈的機械連桿是否有彎曲變形，檢查定位油漆是否脫落。③檢查每一級、每一個可轉導葉的不銹鋼連接片是否有彎曲變形現(xiàn)象。④檢查不銹鋼連接片和移動圈之間的橡膠墊是否脫離了正常位置。⑤檢查每一個可轉導葉的根部銹蝕情況，對壓氣機底部導葉的檢查要格外細致。⑥如果發(fā)現(xiàn)明顯銹跡，或者有連接片變形情況，需要將可轉導葉移動圈的機械連桿拆開，用手逐一推動移動圈，根據(jù)經驗感覺該級可轉導葉的轉動情況。⑦如果感覺吃力，就脫開連接片和移動鋼圈，繼續(xù)活動，確定該級具體卡死葉片，然后進行更進一步處理［15］。

4.3 專用工具設計及應用

壓氣機的可轉導葉各級之間的安裝是呈魚鱗狀的［16］，除第0級之外，每級之間都有重疊現(xiàn)象（圖10）發(fā)生。因此就導致常規(guī)的工具不能抵達葉片根部對葉片進行活動。

圖10 壓氣機可轉導葉各級間重疊

通過現(xiàn)場尺寸和角度測量，根據(jù)每級葉片的特殊性，設計出了專門用來活動各級卡死導葉的專用工具（圖11）。該工具為Z字形，開口部分可以直接卡住葉片的根部，并且手柄部位遠離可轉導葉，工作人員有充分的空間（圖12）來活動卡死的葉片，從而徹底解決了由于空間原因導致無法活動可轉導葉的問題。

圖11 活動卡死導葉專用工具實物圖

圖12 使用專用工具工作現(xiàn)場

海上平臺索拉Mars100機組運轉過20 000 h之后，機組性能明顯有下降［17］。每次停機水洗前，對壓縮機的可轉導葉進行檢查，發(fā)現(xiàn)有多級可轉導葉存在卡死現(xiàn)象。在使用廠家推薦的保養(yǎng)方法后，卡死現(xiàn)象不能消除，透平性能無法有效恢復。在使用優(yōu)化后的保養(yǎng)方法和特制工具后，各級卡死的可轉導葉明顯恢復到正常狀態(tài)，并且機組的性能有明顯的提高（圖13）。

圖13 可轉導葉常規(guī)保養(yǎng)后和優(yōu)化保養(yǎng)后PCD變化

索拉透平壓氣機出口壓力PCD變化是衡量機組效率的關鍵指標［18］，由于燃氣輪機的PCD是一個與眾多因素有關的參數(shù)，如果將每個影響的參數(shù)都考慮進去，那么將是一個比較復雜的工作，但是如果只進行一個定性的分析，那么只要在相同工況下進行比較，就可對PCD變化進行直觀上的判斷，例如，在燃氣輪機壓氣機端達到額定轉速的百分比NGP=100%和燃氣輪機輸出端達到額定轉速的百分比NPT=100%的情況向取得，去除其他因素可近似認為兩個運行周期內該機組的工況是相同的。

通過常規(guī)保養(yǎng)后和優(yōu)化保養(yǎng)后PCD變化比較可以看出，在對可轉導葉進行優(yōu)化的保養(yǎng)后，機組的性能有明顯的提升。在一個保養(yǎng)周期內，隨著機組的運行時間延長，PCD有下降趨勢［19］，但是同樣運轉時間后，可轉導葉優(yōu)化保養(yǎng)后的性能還是要優(yōu)于常規(guī)的可轉導葉保養(yǎng)。

4.4 經濟效益

2017年某平臺的一臺索拉機發(fā)現(xiàn)可轉導葉卡死，導致機組性能下降。在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)了多個可轉導葉的連接片形變。跟廠家溝通之后，要求現(xiàn)場進行大修，對卡死的葉片進行更換?，F(xiàn)場根據(jù)可轉導葉工作原理，設計出的該套特有的可轉導葉卡死恢復程序和工具，徹底解決了可轉導葉卡死問題，為公司節(jié)省現(xiàn)場設備大修費用約65萬元。在此期間，另一臺機組處于故障不可用狀態(tài)。如果現(xiàn)場大修可轉導葉卡死機組，則至少需要6 d的維修周期，那么該平臺將會有6 d的時間沒有產量輸出，按當時銷售氣量和氣價統(tǒng)計會產生約2 400萬元的經濟損失。由于采用本方法和工具無需大修，在2017年一年避免生產損失和節(jié)省設備維修費用約2 500萬元。

5 結語

索拉燃氣輪機卡死的可轉導葉性能恢復方法和工具，是在對索拉燃氣輪機可轉導葉的工作原理的充分理解和分析的基礎上提出的，具有一定的科學性，能徹底解決索拉燃氣輪機機組壓氣機可轉導葉的卡死問題［20］。工具加工簡單，程序操作簡單，能很好地在索拉機組上應用。同時也突破了索拉燃氣輪機壓氣機可轉導葉卡死只能進行現(xiàn)場大修才能解決的壟斷局面，本方法和工具可操作性強，具有很好的推廣意義，同樣適合其它平臺的索拉機組。