发电用燃气轮机使用寿命的影响因素分析

宋宏海，黄治国

（中航发动机控股有限公司，北京 100028）

发电用燃气轮机使用寿命的影响因素分析

宋宏海，黄治国

（中航发动机控股有限公司，北京 100028）

随着西气东输工程的实施、大型油气田的开发和中低热值燃料应用的发展，发电用燃气轮机在中国的应用越来越广泛。根据燃气轮机运行平稳、可靠性高等特点，基于燃气轮机电站的实际工作经验，对发电用燃气轮机寿命的影响因素进行了分析。

使用寿命；燃气轮机；发电；影响因素

0 引言

在燃气轮机发电机组实际运行中，很多因素（如燃料、滑油、起动循环以及维修思想和外部环境等）直接影响燃气发生器、成套系统的寿命。管理人员和运行维护人员不仅要了解燃气轮机结构和工作原理，还必须清楚这些因素对电站寿命的影响，以便制定合理的运行方式和维修计划，最大限度地延长燃气轮机的寿命，减少运行与维修费用和停机时间。

本文从运行环境及使用维护的角度，探讨了大气温度、空气质量、燃料系统、注蒸汽或注水、燃烧温度、滑油系统、清洗方式、气动次数和循环方式、安装和维修质量等因素对燃气轮机寿命的影响。

1 大气温度

大气温度是影响燃气轮机发电功率、发电效率和使用寿命的1个重要因素。较高的大气温度，不仅不利于燃气轮机起动，也会缩短其滑油系统、一些零部件和箱体的使用寿命；过低的温度则会给燃气轮机的运行、维护和防冻带来困难。2006年冬季，东北地区温度过低，致使某型燃气轮机发电机组滑油系统无法正常工作，各系统的磨损加剧，缩短了各分系统的使用寿命；同年，由于冷却水管道中残留极少量水结冰，导致河南某型燃气轮机机组冷却水管道破裂。另外，大的温差会损害燃气轮机材料和运行功能。大气温度对燃气轮机的影响见表1。

表1 大气温度对燃气轮机的影响

2 空气质量

空气质量是影响燃气轮机使用寿命和检修周期的1个重要因素。空气质量差，会影响压气机、燃烧室和涡轮等流道部件性能，易使压气机和涡轮叶片磨蚀、腐蚀和结垢，其危害表现在以下方面。

（1）压气机、涡轮叶片的磨蚀、腐蚀，会增大叶片表面粗糙度，使叶片产生疲劳裂纹甚至断裂；会使叶片表面耐高温涂层脱落，从而使叶片在高温条件下的高温蠕变加速，导致叶片过早断裂。

（2）压气机、涡轮叶片表面粗糙度增大以及叶片结垢，会导致压气机空气流量降低，使压气机效率下降，从而使燃气轮机功率减小。由于压气机叶片结垢引起的损失，一般占其性能损失的70%～85%。试验表明：压气机空气流量降低5%将会使燃气轮机功率减小13%，热耗增加5.5%[1]。

（3）压气机叶片叶尖的磨损，将增大叶尖与压气机机匣之间的间隙，造成漏气，导致燃气轮机功率减小。这种性能衰退是不可修复的，即使是1台维护很好的燃气轮机，也是不可避免的。

3 燃料系统

不同燃料的组分和特性（如雾化程度、燃料反应速度、火焰热辐射能量、燃烧产物的腐蚀性等）均不同，对热端部件的使用寿命影响程度也不同。燃料系统的影响如下。

（1）燃料系统清洁度的影响。燃料颗粒包括重油中的残渣、纯净的轻质油和天然气在输送管道中混入的有害杂质。这些杂质容易堵塞或磨损燃烧室喷嘴，影响雾化和燃烧效果，同时也使燃气轮机附件（如燃料控制阀、节流阀等）磨损或卡滞，造成转子转速—负荷调节失效，导致燃气轮机甩负荷紧急停车。

（2）不纯天然气的影响。如果天然气中混有凝结的液体碳氢化合物并带入燃气轮机燃料系统，会缩短燃气轮机高温流道部件（如燃烧室、涡轮部件）的寿命。因为液体碳氢化合物爆燃会释放大量辐射热能，使得高温通道暴露在过高温度下而损坏。

（3）重质油的影响。重质油（重油、原油或渣油）的分子结构复杂、黏度大、沸点高、挥发性差，并含有大量杂质灰分，经处理后仍雾化困难、燃烧反应慢、热辐射强，在热部件结垢、积炭多，对热部件使用寿命影响很大。而且，重油中氢的含量低，也会缩短热部件寿命，其使用寿命用重油时仅为用天然气时的1/3～1/2[2]。

（4）中低热值燃料的影响。中低热值燃料（煤层气、焦炉煤气、高炉煤气、黄磷尾气等）含有大量的SO2等杂质气体，对燃气轮机寿命影响很大。

不同燃烧对燃气轮机维修影响如图1所示。

4 注蒸汽或注水

出于环保需要，燃气轮机常采用注蒸汽（或注水）的方法减少或控制NOx、CO2等的排放量。即使所用蒸汽或水符合规范要求，也会影响高温燃气热传导特性，较高的燃气热传导会增加传递给叶片的热量，产生较高的金属温度；还会增大涡轮部件气动负荷。这2方面因素都会缩短燃气轮机寿命。

5 燃烧温度

燃烧温度过高会缩短高温部件的寿命，而燃烧温度较低则会延长其寿命。试验表明：在最大转速工作状态时，涡轮前燃气温度每升高1%，涡轮叶片的强度储备将减少15%。

燃气轮机在起动、加速和最大工作状态（尖峰负荷）以及燃气轮机紧急停车时，都会使燃气轮机涡轮前燃气温度升高。

燃气轮机在尖峰负荷下长时间运行会缩短燃气轮机的寿命。在尖峰负荷下运行1h相当于在基本负荷下运行6 h；而在小于60%负荷下运行2h，仅相当于在基本负荷下运行1h。

6 滑油系统

滑油系统的影响除了滑油本身的洁净度外，主要是润滑效果差和滑油颗粒污染。

滑油系统的润滑效果差表现在2方面：一方面，要考虑滑油温度过低（如在北方或在冬季机组刚起动）或滑油温度过高（如在南方或在夏季滑油散热不良）时造成滑油黏度变化的影响，应避免在进入燃气轮机的滑油温度超过其最高工作温度下时使用燃气轮机；另一方面，在使用过程中，滑油的黏度、污染物含量等化学、物理性质会发生变化，在使用中应加强对滑油的化验，一旦不合格应立即更换。滑油中的污染物特别是金属粉末和颗粒，将增加燃气轮机轴承、密封装置、减速齿轮箱和被驱动装置的磨损，从而使燃气轮机振动增大和寿命缩短；轴承和密封装置的磨损又会使滑油污染加速。二者相互作用，会引起燃气轮机振动进一步增大，以致损坏。

污染物的来源如下：

（1）加油时没有使用过滤装置，或使用了不清洁的加油工具；

（2）燃气轮机油气分离器不干净，致使回流的滑油受到污染；

（3）滑油管线或滑油箱本身不清洁；

（4）燃气轮机、变速箱和发电机磨损所形成的颗粒污染物。

另外，在燃气轮机使用中，滑油会有一定程度的泄漏，要定期观察滑油箱中的滑油量，及时补充，避免因滑油过少而对燃气轮机发电机组带来不利影响。

7 清洗方式

在燃气轮机机组运行过程中，压气机叶片因大气污染总会出现不同程度的污垢，使得其空气流量减少、效率下降，从而导致机组功率和效率下降，严重时还会引起压气机喘振。对燃气轮机进行在线清洗和离线清洗，可以减轻由大气污染引起的压气机转子和静子叶片结垢，减少其对燃气轮机功率和效率的影响。在离线清洗时，要避免产生热冲击。通过冷运转或自然冷却到一定温度，使轮间温度与清洗液的温差不大于70℃再进行清洗。

在线清洗对燃气轮机造成的负面影响如下：

（1）由于在线清洗没有像离线清洗那样的浸泡时间，清洗剂的效果有限。所以，不能使压气机性能完全恢复到原来的状态，只能减缓其性能衰减。

（2）用水冲洗总管，或是使用手持喷雾杆进行燃气轮机清洗，水或清洗液对压气机转子和静子叶片的寿命是有影响的。由于在转子和静子叶片间的流动介质与单纯空气不同，会使压气机和涡轮叶片的空气动力负荷增大，进而增大叶片的挠度，使其萌发疲劳裂纹的可能性增大。

（3）清洗液及其中的固体颗粒会磨损压气机叶片，其颗粒也会在压气机壳体上沉淀而使空气流动不畅。

（4）进行带转水冲洗时，由于滑油压力过低，有可能使水或清洗剂通过篦齿式密封机构进入滑油系统，从而造成滑油污染。

8 起动次数和循环方式

燃气轮机（尤其是调峰电站）的起动和停机次数对其寿命也有影响。从起动、点火、暖机、升速、加负荷到停机的过程，热部件都将经受剧烈的温度和转速变化过程。实践证明：1次紧急停机对燃气轮机寿命的影响相当于8次正常的起动和停机循环的。不同负荷下遮断停机对疲劳寿命的影响如图2所示。

9 安装、维修质量

燃气轮机的基础好坏和机组安装水平度的高低，直接影响其机组的运行可靠性和寿命。在安装或维修过程中，燃气轮机与被驱动设备（如齿轮箱、发电机）的对中精度以及安装、更换、维修重要附件、管线、油料时，其清洁程度也将影响燃气轮机的运行维修费用和停机时间。河南某燃气轮机机组曾发生未按要求安装N1转速传感器而刮磨低压压气机叶片的故障。

安装和维修质量与工作人员的素质、责任心密切相关。

10 结束语

综上所述，燃气轮机发电机组运行与维护的好坏是能否实现燃气轮机最大可用率和最低维护费用，从而获得最佳经济效益的关键。为了延长燃气轮机的使用寿命，必须对其影响因素加以控制。

（1）运行前进行细致检查，尤其是对进气系统和滑油系统。可以用孔探仪在机组正常停机时对燃气轮机气流通道进行检查；长时间停机后再起动时需要打滑油循环，并取样品化验。

（2）重视压气机在线清洗。对于在基本负荷下运行的发电机组，尤其是对大容量机组，需要长期运行，宜采用在线清洗为主、离线清洗为辅的方式。

（3）视情维护是提高燃气轮机可用率和延长燃气轮机使用寿命的有效办法。对燃气轮机进行定时翻修，有时会使本来稳定的系统的早期故障率提高。因此，有必要建立以可靠性为中心的维修方式。燃气轮机及其附件的维修检查、翻修、大修等工作，必须根据其性能参数（如燃料流量压力、T4温度、滑油压力、负荷、起停机次数、机组的振动水平等）的变化来确定，这些性能参数一旦偏离了正常值，就可判断出发生故障的部位。

（4）安装、调试和运行人员必须经过严格培训，熟悉机组结构、性能、各辅助系统和设备的工作原理，以及运行和维护要求，做好运行记录和分析。

[1]郑仁武.燃气发电机组运行故障分析和维修措施[J].设备管理与维修，2006,（1）：35-37.

[2]沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司.燃气轮机原理、结构与应用[M].北京：科学出版社，2002.

Influence Factor Analysis of Gas Turbine Life for Power Generation

SONG Hong-hai,HUANG Zhi-guo
（AVIC Engine Holdings Co.,Ltd,Beijing 100028,China）

As implementation of West-East Pipeline project,development of large oil and gas field and application of LHV fuel,gas turbines for power generation had been widely applied in China.According to the smooth operation and high reliability of gas turbine,and based on the experience in the gas turbine power plant,the influence factor on the life of gas turbine for power generation was analyzed.

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宋宏海（1971），男，中航发动机控股有限公司非航空产业部副部长，从事燃气轮机产业技术管理工作。