关于M251S型燃机空压机运行故障的分析

彭 珍

1　概述

目前，国内大、中型钢铁企业在自备电厂建设上，不仅只考虑回收富余煤气达到煤气零放散的目标，而且为全力提高自备电厂发电量，提升高炉煤气等工业副产品的使用价值,进一步降低企业的运营成本，已经成为钢铁企业发电技术开发的一种趋势。【1】

联合循环发电技术（简称CCPP）是由燃气轮机发电和蒸汽轮机发电叠加组合的联合循环发电装置。与传统的蒸汽发电系统相比，循环发电机组具有以下优点：

（1）二次能源利用度高，降低电力成本；

（2）循环发电技术先进可靠，煤气利用率高；

（3）燃气轮机适应煤气快速调节；

（4）燃气轮机采用低氮燃烧技术，节能环保；

某公司于2014年1月引进了两套50 MW 燃气-蒸汽联合循环发电(CCPP)机组。每套机组额定负荷50 MW，主要设备包括一台M251S型燃气轮机,一套煤气压缩机，一台蒸汽轮机,一台余热锅炉和两台发电机，采取分轴布置。其中余热锅炉由杭州锅炉股份有限公司提供，其他主体设备由杭州汽轮机公司提供。燃气—蒸汽联合循环发电机组是目前钢铁企业最先进的煤气回收利用技术，机组以高炉煤气为主燃料，燃烧后产生的能量推动燃机透平做功，排出的烟气经余热锅炉加热给水，产生高低压过热蒸汽推动汽轮机做功，其发电效率远远高于常规燃气锅炉发电机组，此项目也为公司实现煤气零放散奠定了坚实的基础。

本文结合两台50 MW循环发电机组空压机运行中出现的问题进行了探讨。

2　空压机简介

空压机是燃气轮机中的一个重要组成部件，它负责从周围大气吸入空气，并将其压缩增压，然后连续不断地向燃烧室提供高压空气。

M251S型燃气轮机的空压机是轴流式压气机，与燃气轮机同轴，轴流式压气机的特点是：空气流量大、效率高（接近85%）、具有良好的防喘措施。因此，大功率燃气轮机中，都毫无例外的采用多级轴流式压气机来压缩气体。

空压机参数如下：

类型：轴流式；

级数：19；

进口导叶类型：可变型；

压比：11：1（标准情况下）；

位置：冷端（压缩机侧）；

进口空气方向：侧面；

转子材料：锻钢；

静叶片材料：Cr钢；

动叶片材料：Cr钢；

空压机排气压力：1.1 MPa（环境15℃）;

空压机排气温度：335℃（环境15℃）;

排气方向：轴向;

转向：发电机侧顺时针。

3　空压机事故经过

2016年7月19日，因连续大雨天气，两台CCPP机组都因叶片通道温度持续升高导致燃机负荷持续降低，燃机负荷由25 MW降至最低12 MW，而后天气放晴两台燃机负荷最高恢复至20 MW时，即出现叶片通道温度高，燃机负荷超限现象。

2016年7月31日15：32分，2#燃气轮机因发电机功率快速下降触发跳闸，同时燃机入口空气过滤器报故障，经检查发现为燃机跳机同时，燃机入口空气过滤器由-1000 Pa变成+80 Pa，随即恢复成负压。通过调取空压机相关进气参数分析判断出空气气流出现短暂明显的倒返现象，导致燃机空气量不足，触发机组负荷急降跳闸，机组振动及惰走情况均正常。跳闸后专业人员检查空气过滤器内部有少量水，并进入空压机入口目视检查，未见异常。7月31日 19：30 分，燃机启动，22：08 分，燃机负荷 18 MW运行时，因燃机发电机功率急降触发机组跳闸，同时燃机入口空气过滤器报故障，跳机现象与前一次一致。经过专业人员分析，初步判断为以下两个原因：一是燃机入口空气过滤器滤芯受潮导致进气不畅；另一个是空压机本体出现问题，导致吸气不足。经过滤芯更换后，于8月1日18：43分，燃机再次启动，19：37分，燃机转速至2830 r/min时，燃机跳闸（转速下降每分钟超过30 r/min），其他情况与前两次跳机一致，同时现场人员发现跳机瞬间入口空气过滤器有明显的气流回返，声音较大。专业人员及领导一致决定对空压机进行全面检查，8月2日，利用内窥镜从空压机入口进行内部检查，发现3级静叶以后各级叶片均出现叶片损伤现象，机组进入大修。

2016年9月19日，利用1#机组停机机会，对1#燃机空压机进行内部检查，同样发现3级静叶以后各级叶片均出现叶片损伤现象，受伤程度较2#机组略轻，亦进入大修。

4　空压机事故原因分析

（1）通过两台空压机揭缸检查，均发现为空压机3级及以后几级静叶密封齿脱落，造成3～19级动静叶不同程度损伤，6～7级损伤最为严重（此处设有抽气口）。

经过检查发现，静叶密封齿损伤脱落部位几乎都在焊接部位，焊接部位未熔合好，焊接质量不合格，经过长时间运行会造成焊接部位开焊，导致密封齿脱落（2016年4月底1#燃机大修时发现3#静叶密封齿有开裂的现象，当时采用补焊处理。）。另焊接部位长度不足以及静叶密封齿偏薄（1.2 mm），最终造成密封齿开焊脱落损伤叶片。因此，静叶密封齿的质量问题是造成此次事故的直接原因。

（2）结合两台机组数据计算发现，7月20日，两台空压机效率明显降低（效率由85%降至80%以下），直至7月31日，空压机效率均未出现明显恢复，因此可以判断7月20日空压机叶片即出现不可逆损伤，空压机吸气能力不足，造成空气量进气不足，影响燃机叶片冷却风量，导致燃机叶片及轮盘温度明显上升，负荷受限。另自7月20日起，两台燃机频繁出现2#、7#燃烧室燃烧加速度报警（燃机共有2个燃烧加速度报警和4个燃烧压力波动报警），也佐证了空气量不足，燃机燃烧受影响等情况。

图1是2#燃机的负荷及空压机计算效率的对比图，为2016年6月至2016年9月对比数据，2016年7月20日之前的数据较为正常，空压机效率基本在80%～85%之间，机组满负荷在25 MW以上。而自2016年7月20日至7月31日期间，机组空压机效率明显降低且在80%以下，机组负荷低于20 MW。2016年9月10日，机组大修完后，空压机效率及机组负荷均恢复正常水平。

图2、图3分别是1#燃机负荷与空压机效率对比图及1#燃机负荷与空压机流量对比图，区间均为2016年7月20日～2016年7月24日，两图中7月21日15点～7月22日13点因煤气不足，1#机组停机22小时，停机后对入口空气过滤内部进行检查，发现内部滤芯受潮严重，三级过滤器后进风通道底部有存水现象。从图中可以看出，7月20日开始，1#机组空压机效率、流量及机组负荷均下降，7月22日机组启动后，机组的空压机效率、流量及机组负荷依旧未恢复到正常水平。

原因分析：因7月中旬开始的连续阴雨天气，至7月20日为大雨状态，两台燃机入口空气过滤器滤芯严重受潮，而空气过滤器自身没有除湿功能且排水能力不足，造成大量湿空气连带水汽进入空压机，对静叶密封齿的安全运行产生较大影响，产生不可逆的损伤，此是导致空压机故障的重大诱因。

图1　2#燃机负荷及空压机效率对比图

图2　1#燃机负荷、空压机效率对比图

图3　1#燃机负荷、空压机流量对比图

（3）针对2#燃机在8月2日启动到2830 r/min时，造成机组跳机的原因是：空压机6#、11#级设有抽气阀。机组启动时，抽气阀打开，一旦燃气轮机接近额定转速（2830 r/min），抽气阀关闭；而燃机轮机停机降速时，抽气阀迅速打开。两级抽气阀主要是防止压气机在启停过程中出现喘振。因此在2830 r/min时，两级抽气陆续关闭时，抽气口附近的气流比较紊乱，因叶片有较大损伤，易造成机组失速跳机，亦有可能造成空压机的进一步损伤。

5　结论

(1）空压机静叶密封齿的质量问题是造成此次事故的直接原因。

(2）入口空气过滤器防水不佳以及除湿功能的缺失，是造成此次事故的重要原因。

(3）连续大雨天气，空气湿度大，大量水汽进入空压机，是造成此次事故的次要原因。

(4）2#机组较1#机组情况严重，是因为2#机组运行超期，未及时进入大修，是造成此次事故的另一次要原因。

6　措施

(1）经过与厂家沟通，增加静叶密封齿厚度以加强密封齿的刚性，尤其在两级压抽气部位的静叶密封齿更要加厚，并适当增加静叶环与密封齿焊接的长度，同时加工完成后整体进行热处理及探伤，保证质量。

(2）加强对燃机入口空气过滤器运行的管控，并对入口空气过滤器进行改造，增加预过滤除湿系统改善过滤器除湿能力，同时加强过滤器防水排水能力。另过滤器滤芯差压达到更换要求时，应及时更换滤芯。

(3）机组遇极端天气，空气过滤器差压维持较高状态，旁路挡板持续打开时，应主动停止机组运行，保护设备安全。

(4）严控机组大修周期，根据行业经验严控检修周期不超两年。定期对设备进行检修维护，以保证设备性能。

[参 考 文 献]

【1】焦树建.燃气轮机与燃气—蒸汽联合循环装置[M].北京：中国电力出版社,2007年.