基于開口穩定流系統分析燃氣輪機異物損壞壓氣機葉片

邱瑋坤，盧偉國，晏海能

(江蘇國信淮安第二燃氣發電有限責任公司,江蘇 淮安 223002)

國內某燃氣電廠配置有兩臺9F級燃氣輪機，分軸低位布置。燃氣輪機本體布置標高為4米層，燃氣輪機進氣系統布置標高13米層。

燃氣輪機是一種高速旋轉機械，以連續流動的天然氣氣體作為工質、把熱能轉換為機械能，壓氣機是燃氣輪機的重要組成部分。在運行中，壓氣機從外界大氣環境吸入空氣，通過燃氣輪機進氣道，并經過軸流式壓氣機逐級壓縮使之增壓；壓縮空氣被壓送到燃燒室與噴入的燃料混合燃燒生成高溫高壓的氣體；然后再進入到透平中膨脹做功，推動透平帶動壓氣機、轉子一起高速旋轉，實現了氣體燃料的化學能轉換為機械能。壓氣機是燃氣輪機主要部件之一。

1 事情經過

2017年7月14日10:19，#1燃氣輪機運行出現異常現象：#1燃氣輪機負荷從280 MW下降到270 MW，隨后NOx排放濃度增加，從26.65 mg/m3上升到約36.9 mg/m3，如圖1所示。負荷下降時，壓氣機出口壓縮空氣溫度有所上升,從458 ℃升至463 ℃，上升了5 ℃。壓氣機殼體壓力出現了下降，1.71 MPa降至1.69 MPa。

圖1 異常時燃氣輪機負荷和氮氧化物變化曲線

相關技術人員對#1燃氣輪機整個運行數據工況做了詳細分析，燃氣輪機軸振、瓦溫、潤滑油溫、各輪盤腔室溫度、燃氣輪機排氣溫度分散度、燃燒器燃燒各頻段振動、燃燒振動加速度等均在允許合格范圍內。就地對燃氣輪機本體聽音無異音，綜合判斷機組各運行參數整體評價機組運行正常。

至18日#1燃氣輪機正常停機，停#1燃氣輪機前相關運行數據均正常,#1燃氣輪機停機時惰走時間正常。

利用#1燃氣輪機停機機會對燃氣輪機進氣系統進行目視檢查，檢查無異常，進入到燃氣輪機進氣室發現壓氣機進口IGV葉片、動葉葉片被異物嚴重打傷(圖2)。

(a) IGV葉片

(b) 動葉葉片

隨后在燃氣輪機進氣室底部發現被打壞的燃氣輪機水洗噴嘴頭(圖 3)。

圖3 噴嘴損壞部件

根據現場情況分析判斷造成壓氣機葉片受損的直接原因為#1燃氣輪機水洗噴嘴頭部件在機組運行中脫落(圖 4)，脫落后被進氣系統高速氣流吸入壓氣機，與壓氣機第一級IGV葉片碰撞后隨氣流又進入第一級動葉，噴嘴頭被壓氣機動葉碰撞帶動一起旋轉，造成IGV葉片和第一級動葉損壞，葉片損壞的部分又隨氣流進入下一級流道，又造成下一級葉片損壞，從而造成整個壓氣機葉片不同程度損壞。

圖4 噴嘴頭部件

水洗噴嘴頭脫落的原因為噴嘴部件之間采用絲牙連接方式，通過點焊方式固定，由于工廠總裝時點焊止動焊點較小(圖4)，寬度不足1 mm，且只有一點，焊接強度低，在機組正常運行中焊點突然斷裂，導致水洗噴嘴頭部件松動脫落。

2 理論分析

由于燃氣輪機進氣系統空氣流動的速度比較快，在燃氣輪機進氣道、進氣室停留的時間很短，它與周圍外界空間幾乎沒有能量交換。所以，我們可以把燃氣輪機進氣系統看成是一個開口的、絕熱的、穩定流動的理想空氣系統(忽略氣體流動時的能量損失和位能變化)[1]。

根據理想氣體絕熱流動過程方程：

(1)

式中：p表示氣體的絕對壓力；ρ表示氣體密度；C表示常數；k表示定熵指數(k=1.4)

將式(1)兩邊進行微分，積分，得

(2)

根據理想氣體一元恒定流動基本方程，取一個流向長度為ds的微元柱體，其截面積為A(圖5)，則

且 ds/dt=V

圖5 微元示意圖

將上式積分，得

(3)

聯立式(2)(3)，得氣體絕熱流動的能量方程

即任意兩斷面[2]

(4)

根據氣體狀態方程[3]

p=ρRT

絕熱過程初、終態間的狀態參數關系為

(5)

(6)

式中：T表示氣體熱力學溫度；P表示氣體的絕對壓力；ρ表示氣體密度；ρ、T表示終狀態參數；p0、T0表示初狀態參數；各參數為氣體流動過程任一截面上的氣體特征參數。

3 情況分析

根據現場燃氣輪機進氣系統情況，將其分成截面0-0、1-1、2-2三個截面，空氣源源不斷地從0-0截面流進系統，經過1-1截面，從截面2-2流出進入壓氣機(圖 6)。

查閱歷史數據，14日#1燃氣輪機機組負荷280 MW時，大氣壓力：100.198 kPa，環境溫度：30.9 ℃，燃氣輪機進氣口溫度30.4 ℃，燃氣輪機壓氣機進口靜壓力：-1.628 kPa，1-1、2-2截面差壓：23.104 kPa。

在標準條件下(0 ℃，1個標準大氣壓)，空氣密度約為1.293 kg/m3。

根據空氣密度計算公式：

空氣密度=1.293×(實際壓力/標準物理大氣壓)×(273.15 / 熱力學溫度)

可以得出在外界環境溫度30.9 ℃時，空氣密度為：

ρ0≈1.148 kg/m3

圖6 燃氣輪機進氣系統截面圖

根據公式(5)，解得1-1截面空氣密度為

ρ1≈1.143 kg/m3

根據公式(6)，解得1-1截面氣壓為

P1≈99.622 kPa

由于燃氣輪機進氣系統從大氣中吸入空氣，所以V0=0，根據公式(4)，解得1-1截面空氣速度為

v1≈31.682 m/s

由于1-1截面和2-2截面差壓為23.104 kPa，得2-2截面氣壓為

p2=76.517 kPa

由于燃氣輪機進氣系統是個穩定流系統，通過1-1截面和2-2截面空氣質量流量相等，可知

ρ1v1A1=ρ2v2A2

查閱燃氣輪機制造廠家進氣系統制造數據，1-1截面為矩形，長8.5 m，寬2.1 m,2-2截面為喇叭口形狀圓形，外徑為1.275 m，內徑為0.615 m，其中IGV葉片 0.66 m。

可得：

1.143×31.682×8.5×2.1=ρ2v2(πX((1.275)2-(0.615)2)

(7)

根據公式(4)，得

(8)

聯立式(7)(8)，解得2-2截面空氣速度為

v2≈177.681 m/s

可以看出，隨著燃氣輪機進氣系統進氣面積不斷收縮，直至壓氣機進口，0-0、1-1、2-2截面上空氣流速不斷增加。

4 水洗噴嘴頭脫落剖析

#1燃氣輪機離線水洗噴嘴頭共有8個，實際脫落水洗噴嘴頭為下部#7噴嘴頭[4](圖7)，以脫落水洗噴嘴頭為研究對象。

圖7 燃氣輪機水洗噴嘴布置圖

燃氣輪機水洗噴嘴頭脫落一瞬間，噴嘴頭受到水平ox方向的高速氣流攜帶作用力，自身受到垂直作用oy方向向下的重力、與重力反向的浮力、旋轉氣流對其oz方向的偏轉力，根據物體受力合力方向描繪出物體運動軌跡圖(圖 8)。

圖8 水洗噴嘴脫落軌跡圖

由于水洗噴嘴頭受高速氣流偏轉不會對物體進入燃氣輪機構成影響，所以不予討論。噴嘴處空氣密度較小，所受的浮力較小，予以省略。只需分析水洗噴嘴頭脫落后，受到水平ox方向的高速氣流攜帶作用力，垂直作用oy方向向下的重力的影響， 假設物體在ox運動方向加速度為a，根據物體加速度和位移關系，得

a=98 m/s2

實測燃氣輪機水洗噴嘴頭質量為127.446 g，由于ox運動方向加速度為98 m/s2，受到的力為：F=98×127.45/1 000=12.49 N。

即水洗噴嘴頭部件脫落一瞬間，水平方向高速氣流攜帶作用力只要超過12.49 N，就會被高速氣流攜帶進入壓氣機。

實測燃氣輪機水洗噴嘴頭最大面為正六邊形，邊長為29 mm，可以計算出水洗噴嘴截面積大約為0.002 185 m2。

水洗噴嘴在脫落一瞬間時，速度為0，空氣流中空氣與水洗噴嘴頭受力面碰撞，碰撞后速度為0。

由動量定理mv=Ft，

解得：

v=78.613 m/s

即燃氣輪機進氣系統高速氣流速度只要大于78.613 m/s,就能夠將水洗噴嘴頭脫落部件攜帶進壓氣機。

氣流由1-1截面處速度為31.682 m/s， 至2-2截面處空氣流速已經達到177.681 m/s，說明在氣流變工況區，氣流速度急劇增加，完全能夠將燃氣輪機水洗噴嘴頭脫落部件攜帶入壓氣機，事實燃氣輪機壓氣機葉片受損也說明水洗噴嘴頭脫落部件是被高速氣流攜帶進入壓氣機，壓氣機高速旋轉時帶動噴嘴頭一起運轉，互相碰撞，導致葉片損壞，損壞的部件又進入下一流道，形成連鎖反應，導致整個壓氣機葉片不同程度受到損傷。

5 事故處理及對策

根據此次水洗噴嘴部件脫落導致壓氣機葉片損壞事件，燃氣輪機生產廠家重新制定了水洗噴嘴部件連接、焊接質量檢查標準。要求生產總裝結束后檢查燃氣輪機水洗噴嘴各部件是否擰緊到位，止動焊點是否良好。

標準要求水洗噴嘴壓板兩端部焊點數量各為3點，焊點直徑4～6 mm。噴嘴螺母連接處焊點數量由1點變為3點，焊點直徑4～6 mm。螺母之間要求0.02 mm塞尺不入。噴嘴螺紋外漏≤6 mm，即噴嘴螺紋螺母與接頭間距≤10 mm(圖 9)。

圖9 噴嘴焊接標準圖

針對此次事件，燃氣輪機售后服務廠家在定期維護檢修標準中增加燃氣輪機水洗噴嘴部件檢查項目，要求每次檢修時對燃氣輪機進氣室各水洗噴嘴焊點狀況進行檢查。具體步驟為首先去除水洗噴嘴表面臟污等附著物，然后對水洗噴嘴處各焊點情況進行目視檢查，發現焊點有損傷時需進行著色滲透檢查，焊點出現裂紋等損傷需重新打磨后再次進行點焊處理，焊接結束后需要進行著色檢查。

針對此次事件，燃氣輪機用戶也制定了相應預防措施，對燃氣輪機進氣系統內有松動可能螺栓進行點焊加固處理，同時要求在燃氣輪機停機期間定期進入進氣室人孔檢查內部各部件焊接等情況，發現脫焊時需加固處理。

6 結語

燃氣輪機壓氣機是高速旋轉部件，一旦有異物自進氣系統隨高速氣流進入燃氣輪機壓氣機，伴隨著就是設備的損壞[5]。要提高異物進入燃氣輪機造成設備損壞的重要性認識，做好防止異物進入進氣系統措施，定期對進氣系統各連接部件進行檢查，對易松脫部件加固，更要力求在設計初期把控，盡量將燃氣輪機進氣系統分立式的部件設計成一個整體，確保不會出現部件脫落損壞燃氣輪機事件，同時吸取前車之鑒，嚴格控制及管理燃氣輪機的各個系統以避免此類事故的發生。