重型燃气轮机缺陷与检修过程分析

罗天文

[摘    要]随着我国经济的高速发展及对于环保问题的重视，燃气轮机以其占地面积小、联合循环效率高、启停调峰快速灵活、污染排放少等优点，正逐步占据我国电力市场份额。但目前国内对于重型燃气轮机的研究尚处于起步阶段，尤其是对于关键备品备件，主要依赖进口。对于燃气轮机的检修，特别是燃气轮机本体部分的检修与维护，大部分国内燃气轮机电厂还完全依赖于西门子，GE等燃气轮机制造商的检修团队。文章分析了燃气轮机运行中存在缺陷及检修过程，对国内燃气轮机电厂检修工作起到借鉴作用。

[关键词]燃气轮机;运行缺陷;检修;维护

[中图分类号]TM611.31 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）11–00–02

Analysis of Defects and Maintenance Process of Heavy Gas Turbine

Luo Tian-wen

[Abstract]With the rapid development of China's economy and attention to environmental protection， gas turbine is gradually occupying China's power market share with its advantages of small floor area， high combined cycle efficiency， fast and flexible start-up and stop peak shaving and less pollution emission. However， the domestic research on heavy-duty gas turbine is still in its infancy， especially for key spare parts， which mainly rely on import. For the maintenance of gas turbine， especially the inspection and maintenance of gas turbine body， most domestic gas turbine electromechanical plants also completely rely on the maintenance teams of gas turbine manufacturers such as Siemens and Ge. This paper analyzes the defects and maintenance process in the operation of gas turbine， which can be used as a reference for the maintenance of domestic gas turbine electromechanical plants.

[Keywords]gas turbine; operational defects;overhaul;maintain

1 燃气轮机小修状态描述

燃气轮机检修根据EOH（等效运行时间）分为小修（燃烧室检查）、中修（热通道检查）及大修（整体检查及转子维修）。其中，EOH=实际运行时间+等效启停次数×一次启停等效运行时间。等效启停次数=正常启停次数+甩负荷等效启停次数+紧急停机等效启停次数+快速变负荷等效启停次数。

笔者工厂使用燃气轮机为德国西门子SGT5-2000E（V94.2）重型燃气轮机，由西门子KWU公司设计制造，采用单轴、单缸、轴向排气，冷端驱动，双轴承支撑（压气机端为径向/支持联合轴承）;燃气轮机由压气机、燃烧室及透平组成。压气机和透平为多级轴流设计，压气机共16级，压比11.7，入口导叶（IGV）可调，透平为4级。两个侧立燃烧室，共16个组合式燃气喷嘴，内置陶瓷遮热板，每个燃烧室配置两个火焰探测器，监视燃烧状况。燃汽轮机全流程还包括燃料进气部分，压缩空气进气部分，扩散段等部分。

目前，燃气轮机只经历过小修（每8000 EOH），即燃烧室检查。燃烧室检查主要是针对进气和排气管道、压气机叶片、透平叶片、燃烧单元及其辅助系统进行测量及检查。在燃烧单元的检查中，要特别注意燃烧室的检查，尤其是对第一级透平喷嘴和动叶进行目视检查，以便观察这些部件上出现的磨损或变形。燃烧器、燃烧室、混合室、过渡段等由于内外缸温度差异，设计手段不可能将内部部件膨胀量达到完全一致，高温内部零件会相对移动。因此，内部部件一定會受到由摩擦力和低周疲劳引起的磨损。而这些检查结果都将成为中修检修计划开展的重要依据。

2 燃气轮机运行中存在缺陷及检修过程

2.1 调压阀

燃气轮机进气部分布置有自力式调压阀，用于保证燃气轮机入口燃气压力稳定。由于天然气爆炸极限为5 %～15 %，属易燃易爆气体，调节阀无法使用电力驱动。我厂调压站调压阀为自力式调压阀，可利用调压阀输出端与输入端的反馈压力通过信号管传递到皮膜腔室，进而驱动阀瓣，改变阀门的开度，达到调节压力的目的。由于自力式调压阀的工作特点，要求其入口压力不能低于调整压力，自力式调压阀对应入口压力要求最低不得小于2.0 MPa。冬季属于天然气需求较大季节，常导致天然气调压站入口压力低于2.0 MPa，在管线压力缓慢回升过程中调压阀出现运行故障，自力式调压阀失去调节作用，导致燃气轮机入口压力超过规定值，影响燃气轮机正常运行。

经过对调压阀工作原理和结构上的分析，检修人员提出在工作调压阀上增加加速指挥器，在工作调压阀失效时加速对调压阀上腔进行泄压，从而建立皮膜上下压差，以加速工作调压阀进入工作状态，改善了调压阀的工作性能，避免了非正常管线压力波动下造成的停机风险，具有一定的行业推广应用价值。

2.2 进气滤网

由于笔者工厂地处中国西北偏东干燥地区，空气中的含尘量较大，重度污染时PM10数值在170以上，空气中悬浮物总量在300～330 μg/m3。燃气轮机机组安装时使用的燃气轮机进气系统，因没有充分考虑地区环境差异进行个性化设计，所以实际运行时存在较大的问题，其中进气系统的预处理过滤器Coalescer（凝聚式除湿滤棉G3）很容易堵塞，易造成汽轮机进气系统压差超标，对燃气轮机效率、电厂稳定运行造成了一定程度的影响。

经过对笔者工厂燃气轮机进气系统进行升级节能改造，通过改变入口初滤的结构形式，将原有的板式预过滤器更换为袋式过滤器，初始阻力比原设计降低14 Pa，失效终阻力比原设计提高350 Pa。单片容尘量约为1 500 g，容尘量比原有的凝聚式除湿滤棉提高4～6倍，可以连续运行3个月不更换预处理过滤器，使用时间是原来的3倍。同时，一级过滤器的过滤能力提升，也使得二级过滤器寿命由原来的2 000 h，增加为10 000 h，是原来的5倍。改造后，该系统能在各种天气条件环境下，系统能够正常运行，减少机组非计划停机次数和降负荷运行时间，同时也填补了国外燃气轮机机在中国西北地区无法长期稳定运行的技术空白，避免了单一设计对机组安全、稳定、长期运行的影响，为同類型机组在该地区的运行积累了宝贵经验，具有一定的行业推广应用价值。

2.3 扩散段后燃气轮机外壳保温超温

笔者工厂燃气轮机扩散段外壳东侧部分油漆发生变色脱落现象，经现场检查，发现燃气轮机扩散段外壳存在局部超温现象，金属表面温度最高达163 ℃。

燃气轮机扩散段外壳保温为内部保温形式，保温材料为陶瓷纤维毯，外设保温内衬板逐层搭接，螺栓固定并进行焊接。如果对保温内衬板进行逐层拆除，工作量巨大，最终决定对燃气轮机扩散段外壳东侧超温部位内保温区域内衬板进行切割后更换内保温棉。

通过燃气轮机扩散段烟气温度测点作为内外层参照物，精准确定超温区域对应的内部位置，然后对保温内衬板进行检查，确定保温内衬板是否存在磨损、变形、变色、松动、严密性下降等问题。然后对切割区域进行确定，切割区域须有两个以上的固定螺栓，便于后期保温恢复时调整陶瓷耐火纤维毯压缩量及焊接前固定;切割区域不得跨过槽型压板，以防破坏保温内衬压板整体性及稳定性;保温层材料为陶瓷纤维毯，厚度为247 mm，分别用4层δ=50 mm和2层δ=38 mm的陶瓷纤维毯错缝布置;保温层厚度的压缩量不小于15 %，长度方向应压缩25 mm。扩散段由于处于燃气轮机排气出口，排气温度为538.2 ℃，排气压力为92.5 kPa，烟气质量流量为494.5 kg/s，所以需要对保温内衬板压紧螺母与螺柱进行点焊固定，一周不少于3处焊点，防止垫片松动脱落。

2.4 扩散段裂纹

笔者工厂燃气轮机扩散段在停机目视检查中发现存在变形及裂纹的情况，认为裂缝及变形为扩散段热应力释放导致，决定对裂缝进行打磨焊补。扩散段基材为X6CrNiTi18-10/1.4541，焊接前需要对裂缝边缘进行打磨，并开60 °坡口，着色确认有无潜在裂纹后再进行焊接。焊接使用的焊材为Bohler的ER347，焊丝直径3.2 mm。焊接完成后仍需打磨着色，确认无焊接缺陷后，工作结束。第一次焊接后，机组启动运行正常;待再次停机对扩散段第进行目视检查中，发现仍有新增裂缝，但变形情况已经消除。对裂缝进行再次焊接后，扩散段热应力逐渐得到释放，再未发现过严重裂缝。

3 六价铬

根据西门子以往的燃气轮机检修经验，在弹簧夹、过渡段、排气扩散器、叶片、叶片托架螺栓孔的外部焊缝、其他燃烧段螺栓连接以及排气缸上隔热毯的内侧，排气管、排气隔热层的内侧以及热气通道中的其他部件和材料上发现了六价铬[Cr（vi）]的存在，表现为黄色残留物。在我厂燃气轮机8000 EOH小修中，也在燃烧室、过渡段、透平叶片、扩散段、锅炉鳍片管上发现黄色粉末，跟西门子的检修队伍沟通后，初步判断为六价铬。燃气轮机的燃气喷嘴、混合室、过渡段及透平叶片为高温金属部件，为确保材料耐高温腐蚀性，金属中的三价铬含量在20 %左右，而三价铬在有氧条件下加热即可生成六价铬。

后经采样及实验室检测，测得黄色粉末中六价铬含量为0.61 %，虽含量少，但是六价铬毒性较强。首先，六价铬为吞入性毒物、吸入性极毒物，皮肤接触可能导致过敏;更可能造成遗传性基因缺陷，吸入可能致癌，对环境有持久危险性。其次，六价铬是很容易被人体吸收的，它可通过消化、呼吸道、皮肤及黏膜侵入人体。危害最大的是长期或短期接触或吸入时有致癌危险。吸入某些较高浓度的六价铬会引起流鼻涕、打喷嚏、瘙痒、鼻出血、溃疡和鼻中隔穿孔。短期大剂量的接触，在接触部位会产生不良后果，包括溃疡、鼻黏膜刺激和鼻中隔穿孔。摄入超大剂量的铬会导致肾脏和肝脏的损伤、恶心、胃肠道刺激、胃溃疡、痉挛甚至死亡。皮肤接触会造成溃疡或过敏反应。

因此，在对燃气轮机燃烧器及其后烟气流经的燃气轮机透平、扩散段、余热锅炉受热面进入时必须办理密闭空间进入许可并穿戴足够防护级别的PPE，包括但不限于N95及以上级别口罩、护目镜、连体防护服、橡胶手套等。其次，因六价铬会对环境造成持续性影响，在每次检修中，应尽可能对六价铬粉末进行收集，同时使用后的口罩、连体防护服、手套等应集中收集，统一交实验室处理。实验室可采用药剂还原沉淀法对六价铬进行处理。将六价铬溶于水后，向溶液中加入SO2、FeSO4等还原剂，将六价铬还原成三价铬，从而降低铬元素的毒性，然后再加入石灰或氢氧化钠，使其在碱性条件下生成氢氧化铬沉淀。燃气轮机电厂检修中，也应该注意六价铬的危害，拆开人口后应派专人进入燃气轮机，对六价铬黄色粉末进行收集，并经实验室妥善处理，不得随意丢弃，以免污染环境。检修人员进入燃气轮机内部，也应做好个人防护，防止六价铬对人体的伤害。

4 备品备件

燃气轮机电厂的备品备件优化管理可以从以下几点入手：①建立备件集中管理信息化平台，并与西门子备件编码无缝对接，方便查询与领取;②实现各厂燃气轮机备件的集中管理，利于合理分配各厂购买备件的种类和数量;③减少备件的重复配置，优化配置结构，降低备件资金成本;④开展部分备件的国产化尝试;⑤对于多机组运行燃气轮机电厂，可根据各台机组设备检修间隔时间的要求，错开各机组检修间隔的运行时间表，这样就可以实现热通道部件之间的调配，减少备件备品的数量。

5 结术语

因为目前国内燃气轮机的检修主要依靠国外技术力量，所以如何真正掌握燃气轮机的检修技术，冲破外方的技术封锁是燃气轮机工程师不得不面对的挑战。对于燃气轮机电厂来说，可以在国外检修公司检修时派遣自己的技术人员全程跟踪学习，引进维修设备和技术。此外，还可以将各自运行中的缺陷及检修情况进行交流，互相促进学习，培训和培养一批懂检修技术的本厂人员。在机组出现小故障时可以自己完成检修，摆脱对制造商的过分依赖。

参考文献

[1] 清华大学热能工程系动力机械与工程研究所，深圳南山热电股份有限公司.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.

[2] 郑黎峰，皇甫函.M701F型燃气轮机的检修与寿命管理[J].电力系统设备，2004（12）：84-87.