V94.2型燃气轮机的运行与维护分析

马传庆，马 宁

(1.中海海南发电有限公司，海南 洋浦 578201；2.中电投内蒙古新能源发电有限公司，内蒙古 呼和浩特 010010)

0 引言

燃气轮机有别于蒸汽轮机，其入口工质的温度比蒸汽轮机高很多。如德国西门子V94.2型燃气轮机(额定功率为138 M W)涡轮进气温度高达1 050 ℃，而蒸汽轮机的主蒸汽温度仅为540 ℃(对于亚临界机组)。由于入口工质温度决定着动力机械的材质及使用寿命，因此燃气轮机的检修间隔周期和使用寿命较蒸汽轮机要短得多。

1 当量工作时间计算公式分析

由于燃气轮机具有温度高、加载快速等特点，因此不能单纯地以运行小时来计算其维护检查的时间，通常采用当量工作时间或绝对工作时间来确定检修时间间隔。当量工作时间是在不同的运行状况下，以高温零件经受的负荷实况来衡量的一种尺度，可使用其来估算涡轮高温部件的理论寿命。由于涡轮进口温度快速变化，热通道中的零部件在高于基本负荷的燃气温度下工作时将承受附加的应力。为此，可采用一些系数来权衡在不同温度范围内的工作周期和不同工况的影响。

当量工作时间可按下式计算：

其中：Tae为当量工作时间；n1为启动次数；n2为快速加载次数；n3为快速温度变化次数；t1为低于基本负荷的工作小时；t2为从基本负荷到尖峰负荷的工作小时；a1为启动加权系数，正常启动a1=1，快速启动a1=10；a2为加载梯度加权系数，正常加载a2=1，快速加载a2=10；a3为温度快速变化的加权系数；b1，b2为涡轮中温度快速变化的当量小时修正系数，b1=1，b2=4，即超过基本负荷的负载下运行1 h则以正常运行4 h计。

按照德国西门子燃气轮机制造厂的规定，小修时间间隔为4 000 h，但不得大于2年；大修时间间隔为25 000 h，但不得大于8年。

燃气轮机组的测量仪表柜内配有1台运行小时计时钟，当它累计的当量工作时间达到或超过机组检修时间间隔后，会出现“运行小时已超过”的报警信号。机组检修时间间隔是在遵循正常的运行规定下确定的，即机组应在不超过极限压力、功率下运行，并使用技术所要求的润滑油等；若违背规定，则机组检修时间间隔应根据实际情况进行修正。

2 机组的维护检修

2.1 小修

当机组的当量工作时间达到4 000 h或2年时，应对机组进行1次停机维护检查(小修)。

按正常小修规定，应对压气机进气、热通道、燃烧室和涡轮进口、涡轮后部排气道和烟囱、空心轴和涡轮静叶、装置的外围设备等进行检查、维护。检修项目包括目视检查、对部分间隙的测量、对间隙松动和丢失部分的检查，以保证机组检修的全面性。直接的目视检查比专门的内窥镜检查更充分可靠，通过人孔可完成对燃气轮机主要部件的目视检查，无需解体燃烧室或进行费时的内窥镜检查。如果在小修时检查发现热通道存在问题，如热通道边界的金属部件有裂缝或光滑表面有磨损，应立即评估该裂缝和磨损，以决定是继续使用该部件直到下一个大修，还是经过简单维修后再使用，或直接更换新的部件。

2.2 大修

大修的任务是要保证燃气轮机在2个大修的时间间隔内能可靠运行。机组大修要检查燃气轮机的所有零部件，即对任何会影响机组安全运行可靠性和可用性的变化都要进行检查。这些变化包括永久性变形、磨损、裂纹、腐蚀等。若这些变化未能在早期予以识别并排除，则可能会进一步发展，严重损坏机组，进而引起恶劣的后果。在大修期间，更换透平叶片、清洁燃气轮机气流通道、调整叶片径向间隙，均可以提高机组出力和效率；但由于不可避免的老化原因，机组不可能达到刚投运时的热力性能。

机组大修在维护计划中最为重要。燃气轮机的热通道部件，特别是透平叶片的设计服务是有年限的。透平叶片是在抗蠕变强度的基础上进行设计的，该设计充分考虑了蠕变损失余量。透平叶片在寿命期内抗蠕变强度的变化曲线如图1所示。

图1 透平叶片寿命和维修

大修期间必须解体转子以便拆卸内缸，在完成内缸的修补(如打磨、补焊等)后，还需对其进行热处理以恢复其机械性能。为确保燃气轮机的检修维护，燃气轮机及其设备制造厂应提供必要的技术文件资料和备件，推荐供货单及备件采购清单，包括需要现场维护的备件数量，以及对现场缺乏的备件可能获得的途径和交付时间。根据通用技术要求，在大修间隔期内燃气轮机运行实际功率下降不应超过额定值的5 %，效率下降相对值应不大于3 %。

3 运行方式对机组检修维护的影响

3.1 机组运行方式

某电厂2套燃气联合循环机组采用一套连续运行、另外一套调峰的运行方式。联合循环机组均采用滑压运行方式。调峰机组每天1次热态启动。由于所属省级电网峰谷差较大，连续运行机组在运行中也有较大的负荷变化。

3.2 对机组检修时间间隔的影响

燃气轮机的维护成本和设备可用率是重型燃气轮机用户需要考虑的2个重要问题。由于热通道部件又是燃气轮机最为昂贵和脆弱的部件，其维修和更换的成本极为昂贵，因此，为实现燃气轮机的安全经济运行，应尽可能在保证发电的前提下延长燃气轮机的检修时间间隔。

V94.2型燃气轮机的检修时间间隔主要由机组的当量工作时间决定，式(1)中的等效计算数据与机组的运行方式密切相关。调峰机组每日早开夜停的运行方式，必然导致机组启停次数迅速增长；尤其是机组在低负荷阶段火焰筒内温度场的不均匀性易导致火焰筒产生鼓泡、涂层脱落甚至导流衬套开裂，因此，燃气轮机在60 MW负荷以下的当量工作时间应将其运行时间乘以5倍的系数。采用调峰方式运行将导致设备使用寿命迅速缩短，燃气轮机检修时间间隔大大缩短，机组维护成本迅速增长。

该电厂调峰机组因参与省级电网的调峰而不能连续运行，而连续运行的燃气联合循环机组在后半夜基本上也是带较低负荷(80 MW)运行。由于机组启停次数的增加和低负荷运行，机组只运行了20 000 h就达到了当量工作时间25 000 h的状态，提早进行了检修，增加了检修成本。

3.3 对机组可靠性和安全性的影响

从机组运行的可靠性方面分析，频繁的启停会明显增大设备出现故障的频率，降低机组的可用率。当机组采用调峰方式运行时，机组子系统设备动作频率将成倍提高，而且频繁启停又必然导致设备热疲劳加剧、磨损过度、密封件老化，进而导致各子系统设备动作可靠性降低，最终因部分设备的缺陷导致机组跳机或无法正常启动，对电网的安全运行构成威胁。机组频繁启停还会造成部分热力设备反复经历热胀冷缩的循环，进而导致螺栓松动、密封件失效。该电厂余热锅炉高压过热器疏水管道也曾因为频繁启停经常出现焊缝开裂的情况。

4 机组日常运行时的注意事项

4.1 做好运行检查、记录工作

新机组初次启动和大修后的启动前，应先记录好基准的运行数据，以便在机组运行工况恶化时进行比较。在机组正常运行中，应注意观察机组各参数的变化，特别是重要参数(如振动、排烟温度、天然气流量等)的变化，以判断系统是否偏离正常值并及时做出调整，保证机组安全稳定运行。

4.2 注重机组平时的运行维护工作

加强对燃气轮机热通道部件的检查，了解热通道部件间隙、磨损等情况，以便及时做出预防和处理。为防止空气质量的影响，及时更换空气过滤器和加强压气机的水洗等运行维护工作。

4.3 避免负荷变化过快及被迫停机

快速变负荷对燃气轮机热通道部件寿命的影响很大，特别是在机组启停过程中，由于热通道部件的热应力变化较大，加减负荷时更应平稳操作。若无特殊情况，机组不应投入尖峰负荷方式运行，运行中的机组也不应投入快速加载方式来控制负荷的升降率，因为这2种方式对机组寿命的影响均很大。机组运行中也应注意避免因辅助系统的原因造成机组甩负荷或被迫停机，因为机组出现甩负荷时的当量工作时间也较大。V94.2型燃气轮机启停时燃烧温度的变化过程如图2所示。

图2 燃气轮机启停过程中燃烧温度的变化

由于1次快速加载相当于25个当量工作时间，而1次正常启动相当于5个当量工作时间；如果机组带满负荷跳闸，其对热通道部件寿命的影响相当于10次正常的启停；如果机组以50 %的负荷跳闸，其对热通道部件寿命的影响相当于6次正常的启停；如果机组甩60 %负荷，其对热通道部件寿命的影响则相当于4次正常的启停。当机组发生跳闸、甩负荷、快速变负荷等情况时，其对热通道部件寿命的影响折合成当量工作时间是相当大的。这是因为机组在跳闸、甩负荷时，在叶片和喷嘴处产生了高热应力，而较高的应力可能导致经过次数很少的循环就产生裂纹。

4.4 注意机组的振动情况

如果机组振动水平出现较大的变化或启停机过程的振动较大，则应该对该情况进行分析及解决，必要时可咨询燃气轮机振动的专家。

4.5 记录机组的启动和惰走时间

根据启动时间参数可以对机组今后的运行参数进行比较和评价。启动时，必须准备1组启动参数曲线，即转速、排烟温度、天然气流量等参数从开始信号发出时随时间变化的曲线。此参数曲线可以很好地显示出有关控制系统的状态；一旦发现系统偏离正常状态，该曲线还可以帮助操作人员精确地判断故障。而转子的惰走时间是反映轴承对中以及轴承本身、润滑油系统运行情况的最佳标志。

1 陈群武．三菱M 701F型燃气轮机等效运行小时计算公式的初步分析[J]．燃气轮机发电技术，2005，7(1)：34-39.

2 龚文强，王庆韧．燃气轮机热端部寿命的等效运行时间分析[J]．电力技术，2010，19(8)：28-30．

3 张 贵．燃气机组发电特性及其在电网中运行方式的研究[J]．燃气轮机技术，2009，22(2)：20-23.