燃?xì)廨啓C(jī)氣路調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障研究

徐搏超

(中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究總院有限公司大唐華東電力試驗研究院， 合肥 230000)

燃?xì)廨啓C(jī)是一種將氣體或液體燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式葉輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械。由于其性能優(yōu)異，已被廣泛應(yīng)用于石油化工、艦船工業(yè)、航空工業(yè)、分布式供能[1]以及大型電站等領(lǐng)域[2-3]。其中，作為能源轉(zhuǎn)換裝備制造業(yè)的高端產(chǎn)品，重型燃?xì)廨啓C(jī)已被廣泛應(yīng)用于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠[4-5]，并已被我國列為優(yōu)先發(fā)展的重大裝備。

在燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行過程中，由于內(nèi)部惡劣的運(yùn)行條件，維持氣路穩(wěn)定性是保證機(jī)組安全穩(wěn)定的重要前提。為改善燃?xì)廨啓C(jī)氣路流道特性，提高燃?xì)廨啓C(jī)啟機(jī)及低負(fù)荷階段的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性及安全性，目前重型燃?xì)廨啓C(jī)在壓氣機(jī)的入口大多設(shè)計了可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在不同負(fù)荷時通過調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉的角度，使得進(jìn)入壓氣機(jī)動葉前的氣流方向發(fā)生改變，調(diào)節(jié)機(jī)組空氣進(jìn)氣流量。通過可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉開度變化，控制燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度，對提高燃?xì)廨啓C(jī)及聯(lián)合循環(huán)的效率有著重要意義[6-7]。

目前對可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉系統(tǒng)的研究主要集中在對軸流壓氣機(jī)性能的影響[8]，以及關(guān)于燃?xì)廨啓C(jī)整體性能的機(jī)械和控制等方面的理論建模[9-10]等，對調(diào)節(jié)系統(tǒng)驅(qū)動結(jié)構(gòu)故障分析及優(yōu)化較少?；诖?，從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和裝配標(biāo)準(zhǔn)角度提出故障診斷方法，并在同類型機(jī)組進(jìn)行推廣應(yīng)用，結(jié)果表明該方法可以快速實現(xiàn)故障診斷。針對該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)問題，從設(shè)計制造、現(xiàn)場安裝、停機(jī)檢修、運(yùn)行維護(hù)方面提出建議，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉系統(tǒng)介紹

目前，國際上先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)逐漸采用多級可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)。例如：GE的9HA.01壓氣機(jī)，具有1級進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉和3級獨(dú)立驅(qū)動可調(diào)靜葉；西門子的SGT5-8000H壓氣機(jī)，具有4級可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉；三菱M701J同樣配備了進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉和可調(diào)靜葉。

1.1 調(diào)節(jié)原理

多級軸流壓氣機(jī)特性曲線見圖1。當(dāng)流經(jīng)工作葉柵的空氣流量減小到一定程度，就會在葉片進(jìn)口處產(chǎn)生正沖角。同時在葉片的背弧側(cè)產(chǎn)生氣流附面層脫離現(xiàn)象，這種脫離會引起喘振。設(shè)置可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉可以減少或消除進(jìn)入下一級動葉的氣流正沖角，避免葉片背弧氣流附面層的脫離(氣流附面層的脫離易形成氣流失速團(tuán)，從而發(fā)生喘振)，防止了喘振事件的發(fā)生。

圖1 多級軸流壓氣機(jī)特性線

對于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，提高透平進(jìn)口溫度是提高燃?xì)廨啓C(jī)效率的最有效手段，同時維持較高的排煙溫度有利于保障汽輪機(jī)效率。在部分負(fù)荷下，維持較高透平進(jìn)口溫度和排煙溫度能改善聯(lián)合循環(huán)機(jī)組效率。隨著發(fā)電負(fù)荷降低，先保持透平進(jìn)口溫度不變，調(diào)小可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉開度，這時排煙溫度會升高，當(dāng)排煙溫度達(dá)到最大值時，保持溫度不變。因此，可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉在機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行中能改善聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的效率。

1.2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉(inlet guide vanes，IGV)位于壓氣機(jī)進(jìn)口第一級動葉前，相當(dāng)于第0級；第一級可調(diào)靜葉(compressor vane 1，CV1)位于第一級動葉后，位置結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 IGV、CV1位置結(jié)構(gòu)圖

同為可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉，IGV和CV1的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)具有相似性。葉片通過一根連接桿連到轉(zhuǎn)動環(huán)上，轉(zhuǎn)動環(huán)由靜葉持環(huán)支撐。液壓傳動機(jī)構(gòu)安裝在壓氣機(jī)支撐上，并通過一根頂桿連接到轉(zhuǎn)動環(huán)上，并帶動轉(zhuǎn)動環(huán)。CV1傳動機(jī)構(gòu)立體圖如圖3所示。

圖3 CV1傳動機(jī)構(gòu)立體圖

實際動作中，液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)接受指令動作，帶動轉(zhuǎn)動環(huán)(俗稱大連桿)動作，轉(zhuǎn)動環(huán)進(jìn)而拉動小連桿動作，小連桿、搖臂與CV1葉根軸通過螺栓連接，從而帶動CV1轉(zhuǎn)動。圖4為某安薩爾多機(jī)組解體檢修時拍攝的CV傳動機(jī)構(gòu)及葉根處配套組件。

圖4 CV1傳動機(jī)構(gòu)及葉根處配套組件

葉冠軸置于分半軸承內(nèi)，整體嵌套在內(nèi)環(huán)中，葉冠處配套部件見圖5。

圖5 CV1葉冠處配套部件

1.3 調(diào)節(jié)過程

IGV、CV1機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)過程見圖6。在燃?xì)廨啓C(jī)啟動升速階段，IGV和CV1處于關(guān)閉狀態(tài)(顯示開度為0，實際機(jī)械位在最小開度)，目的是減小進(jìn)氣流量，防止壓氣機(jī)發(fā)生喘振；當(dāng)負(fù)荷升到一定值時，IGV和CV1開度增加，IGV跟蹤負(fù)荷指令，對導(dǎo)葉開度進(jìn)行調(diào)整，以維持在該負(fù)荷下較高的透平排氣溫度，使總體熱效率得到改進(jìn)；CV1跟蹤IGV指令動作(通過折線函數(shù)輸出開度指令)。

圖6 IGV、CV1調(diào)節(jié)曲線

2 調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障原因分析

在一定工作范圍內(nèi)，壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉和前幾級靜葉可以通過液壓調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)葉片開度以達(dá)到最佳沖角，實現(xiàn)沒有失速的情況下的高速運(yùn)行，保持良好氣路特性。由于燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)常低負(fù)荷運(yùn)行且參與調(diào)峰，調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻繁動作，加劇機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損，同時長期缺乏穩(wěn)定潤滑系統(tǒng)，易發(fā)生銹蝕、卡澀等故障。

2.1 CV1故障簡介

2019年某電廠1號機(jī)組CV1發(fā)生卡澀，CV1開至73%后卡澀，無法繼續(xù)增加開度，通過反復(fù)調(diào)節(jié)活動，可開至91%。2020年4月卡澀情況惡化，CV1無法開到指定位置。為保證機(jī)組安全運(yùn)行，上海電氣(制造廠家)要求對CV1卡澀上限開度進(jìn)行限位，避免卡澀情況進(jìn)一步惡化而強(qiáng)制操作，造成惡性事故。2021年4月，電廠利用機(jī)組停機(jī)期間對CV1進(jìn)行了檢修處理。

2.2 相似案例分析

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)是利用液壓缸推動可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉連桿機(jī)構(gòu)，從而改變導(dǎo)葉的角度，利用伺服閥等部件控制液壓缸的運(yùn)動，其控制策略為帶有角度或行程反饋的PID控制[11]。該系統(tǒng)技術(shù)成熟，控制壓力穩(wěn)定，干擾因素少，但同時存在系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜導(dǎo)致整體可靠性降低等問題。

2020年7月，上海某安薩爾多機(jī)組CV1部件脫落，造成飛速旋轉(zhuǎn)的壓氣機(jī)葉片均被脫落的部件擊毀，后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，CV1組件存在明顯銹蝕痕跡。經(jīng)事故分析，CV1葉片距離水洗后的積液位置較近，電廠在水洗后未嚴(yán)格執(zhí)行制造廠的相關(guān)操作規(guī)程，未及時烘干保養(yǎng)；該機(jī)組水洗排出的廢液濃度較高，在一定程度上增加了機(jī)組葉片銹蝕的風(fēng)險，進(jìn)而導(dǎo)致CV1部分區(qū)域發(fā)生銹蝕、卡澀故障。

2.3 CV1卡澀原因分析

CV1及其傳動結(jié)構(gòu)對裝配要求較高，靜態(tài)測試力矩不能超過設(shè)計限定值。在排除控制系統(tǒng)指令異常后，對機(jī)械系統(tǒng)重點部位進(jìn)行排查。

(1) 搖臂和小連桿是CV1的重要傳動機(jī)構(gòu)，搖臂至銅套的間隙標(biāo)準(zhǔn)為0.1 mm，應(yīng)進(jìn)行實際間隙檢測，連桿軸承處易存在變形、銹蝕問題。

(2) CV1出廠的力矩要求為30 N，長期運(yùn)行易誘發(fā)CV1葉根和銅套銹蝕、變形等問題，導(dǎo)致摩擦力矩增大，應(yīng)對每片CV1進(jìn)行力矩檢測。

(3) CV1葉冠軸通過分半軸承固定在內(nèi)環(huán)上，軸承處缺乏穩(wěn)定潤滑油供應(yīng)，易發(fā)生磨損、變形、銹蝕等問題，增大摩擦阻力，從而出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象。

3 CV1檢修及方法推廣

3.1 CV1檢修過程

檢修過程中發(fā)現(xiàn)問題如下：

(1) 搖臂至銅套間隙實測數(shù)據(jù)較標(biāo)準(zhǔn)值偏小，部分位置甚至存在接觸現(xiàn)象，部分小連桿端關(guān)節(jié)軸承卡澀，見圖7。

圖7 搖臂、小連桿端關(guān)節(jié)軸承銹蝕情況

(2) 拆除前部分葉片力矩達(dá)到200 N以上，遠(yuǎn)超要求范圍，轉(zhuǎn)動力矩過大導(dǎo)致活動失效；部分CV1從銅套中抽取困難，銅套及配套組件表面存在磨損，如圖8所示。

圖8 銅套及配套組件銹蝕、磨損情況

(3) 上半部分CV1與缸體內(nèi)壁、第1級內(nèi)環(huán)軸向間隙過小，第1級內(nèi)環(huán)拆除后，部分CV1轉(zhuǎn)動不暢，葉冠分半軸承安裝位置存在銹蝕，見圖9。

圖9 葉冠分半軸承安裝位置銹蝕情況

本次檢修更換的部件主要包括以下部分：(1) 全部CV1(55片)；(2) 部分搖臂組件；(3) 部分桿端關(guān)節(jié)軸承組件；(4) 部分銅套相關(guān)組件；(5) 部分分半軸承組件。檢修后，CV1卡澀現(xiàn)象消除。

3.2 CV1檢修推廣

2019年7月針對2號機(jī)組開展CV1卡澀檢查，解決如下問題：(1) 檢查發(fā)現(xiàn)CV1執(zhí)行器內(nèi)卡入異物，后續(xù)檢修人員將異物取出；(2) 頂桿零位松動漂移，造成讀數(shù)不準(zhǔn)，后續(xù)檢修人員將其加焊牢固。

經(jīng)過上述處理后，2號機(jī)組正常運(yùn)行，直至目前未發(fā)生卡澀現(xiàn)象。針對此類CV1調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計上存在卡澀隱患，應(yīng)重點關(guān)注同類型機(jī)組此類問題。

4 運(yùn)行維護(hù)建議

為進(jìn)一步解決類似機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障，推廣相關(guān)經(jīng)驗，從設(shè)計制造、安裝、停機(jī)檢修、運(yùn)行維護(hù)等方面，進(jìn)行綜合優(yōu)化。

4.1 設(shè)計制造

(1) 制造廠選用耐腐蝕材料或耐腐蝕涂層，增強(qiáng)零部件的耐腐蝕性。

(2) 壓氣機(jī)疏水口設(shè)計應(yīng)合理，內(nèi)部設(shè)有斜坡，水洗后不應(yīng)留有存水的部位。

(3) 轉(zhuǎn)動環(huán)、小連桿及搖臂等連接部件有防止松動的緊固措施。

(4) 轉(zhuǎn)動環(huán)外部設(shè)保護(hù)罩，防止異物進(jìn)入。

4.2 現(xiàn)場安裝

(1) 嚴(yán)格按照設(shè)計間隙對各部件進(jìn)行裝配。

(2) 各螺栓應(yīng)按照規(guī)范緊固，緊固力矩滿足設(shè)計要求。

(3) 安裝前對液壓油管路進(jìn)行清洗和油沖洗，確保管路清潔度達(dá)標(biāo)。

4.3 停機(jī)檢修

嚴(yán)格把關(guān)檢修項目中各工序流程，確保項目設(shè)置合理，總結(jié)每一部件的檢修周期，不過修、欠修，確保檢修質(zhì)量。

(1) 裝配完畢后，檢查CV1的葉根與葉冠的軸向間隙檢查，對轉(zhuǎn)動環(huán)等連接部件進(jìn)行清理、檢查，更換潤滑脂。

(2) 對CV1葉根、葉冠軸頸、軸套銹蝕、變形情況進(jìn)行檢查清理，發(fā)現(xiàn)活動力矩超過定值，及時安排解體檢修，清理活動部件銹蝕，更換變形部件。

(3) 大修時對CV1葉片進(jìn)行無損檢查，發(fā)現(xiàn)葉片有裂紋及時更換，對葉片角度進(jìn)行校驗，開展CV1開度遠(yuǎn)方與就地校準(zhǔn)，確保CV1開度準(zhǔn)確。

(4) 檢查水洗效果，檢查壓氣機(jī)疏水管路是否通暢。

(5) 及時更換CV1液壓油濾芯，保證液壓油清潔度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.4 運(yùn)行維護(hù)

(1) 嚴(yán)禁強(qiáng)行活動嚴(yán)重卡澀的CV1(活動力矩超設(shè)計值上限)，并對嚴(yán)重卡澀的CV1開度位置進(jìn)行限制。

(2) 嚴(yán)格按照制造廠運(yùn)行維護(hù)手冊要求對壓氣機(jī)進(jìn)行水洗。在使用清潔劑清洗時，至少要用除鹽水漂洗兩次，水洗排水管應(yīng)接有可目視檢查的排水情況的視窗，清洗結(jié)束后，對比原水和排污水電導(dǎo)率的變化情況，以此判斷水洗的清潔程度。

(3) 水洗完成后應(yīng)及時進(jìn)行點火烘干，防止各部件銹蝕；對于早啟晚停的機(jī)組可利用夜間停機(jī)進(jìn)行離線水洗，水洗后啟動燃?xì)廨啓C(jī)，利用啟動過程進(jìn)行烘干。

(4) 重視進(jìn)氣濾網(wǎng)壓差監(jiān)測，對濾網(wǎng)壓差異常增高或降低及時關(guān)注，開展就地檢查，定期對進(jìn)氣道進(jìn)行銹蝕破損檢查，定期對壓氣機(jī)進(jìn)行內(nèi)窺檢查。

5 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了燃?xì)廨啓C(jī)可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉的作用、傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并針對調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障原因進(jìn)行了分析。結(jié)合電廠故障實例，提出了現(xiàn)場故障診斷的方法和流程，并進(jìn)行了推廣驗證，結(jié)果表明提出的方法具有針對性，能幫助現(xiàn)場人員判斷潛在故障點。最后針對此類問題，從多維度給出設(shè)計和運(yùn)行維護(hù)建議，為今后類似故障處理提供參考。

(1) 設(shè)計制造應(yīng)加強(qiáng)對關(guān)鍵部位的防腐蝕處理，合理設(shè)計水洗方式，并安裝防異物裝置。

(2) 現(xiàn)場安裝應(yīng)注重清潔，裝配要求按照標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

(3) 停機(jī)檢修對重點部件和位置加強(qiáng)檢測，記錄裝配后液壓系統(tǒng)初始油壓，作為后續(xù)啟機(jī)安全運(yùn)行參考。

(4) 運(yùn)行維護(hù)應(yīng)完善水洗檢查流程，并定期對氣路進(jìn)行清潔度檢查。