三菱M701F型燃氣輪機壽命影響因素和運行對策

裴道傳

摘要：本文以三菱M701F型燃氣輪機為研究對象，通過對影響燃汽輪機壽命影響因素和燃機檢修進行了分析和探討，從而總結得出相應的運行對策，為相似類型燃機縮短檢修時間和提高燃機運行壽命提供參考和借鑒。

關鍵詞：燃氣輪機，壽命影響因素，檢修

0 引言

近年來，燃氣輪機以其調峰能力強、環境污染小，熱效率高等特點快速發展，然而燃氣輪機經過長時間運行之后，暴露在保溫煙氣里的部件的壽命受到燃機運行條件的影響。運行人員計算燃機的EOH使得機組能在適當的時候排定計劃進行維護并確保零部件壽命沒滿期是相當重要的。當零部件壽命期滿時，就必須用新零件進行更換。而檢修之后的試運過程也相當重要，關乎著檢測檢修的質量、檢修的周期等。

1 三菱M701F型燃氣輪機的檢修分析

三菱M701F型燃氣輪機檢修要點主要是高溫熱通道部件的損壞與更換，這也是造成檢修費用的主要部件，因此，做好燃氣輪機的檢修與維護工作是提高其運行使用壽命，，促進安全生產的一項非常重要的工作。

重型燃氣輪機的運行主要是通過燃燒天然氣來實現的，并且通常處在帶基本負荷連續運營的狀態，通過蒸汽或者水的噴射方法來控制煙氣中氮含量來作為基本條件。三菱重工對F級燃氣輪機的壽命評定采用等效運行小時數（Equivalent operating hours），歸納起來，啟動次數及甩負荷，跳閘次數，負荷變化率的設置，燃料、燃燒溫度等都是影響檢修間隔期和設備壽命的決定性因素。燃機的部件需要定期檢查、修理和更換。

三菱廠家推薦的檢查維護周期，第一次檢查在12000EOH，第二次20000EOH進行透平檢查，第三次32000EOH進行燃燒室檢查，第四次44000EOH進行大修。每次檢查的時間可以有±500EOH的靈活度，但是總的持續時間在任何情況下都不可延后。預期持續時間適用于一臺燃機機組并且該時間將隨著燃機的運行和維護狀態而更改。

2 燃氣輪機壽命影響的因素

2.1機組啟動次數及運行水平、負荷變化率的影響

燃氣輪機部件損壞原因與其運行工況密切相關：汽輪機中調峰機部分的主要壽命的影響因素是熱機械的疲勞程度;汽輪機連續運行過程中的主要壽命影響因素為蠕變、氧化及腐蝕現象等。

對于目前大多數燃氣輪機電廠來說，基本上屬于調峰機組，由于在點火、加速、升負荷、降負荷和停機時都導致燃氣溫度的變化，也是導致燃氣輪機金屬溫度的變化，因此燃氣輪機熱通道部件產生極大地熱應力。

當燃氣溫度快速變化時，動葉片和噴嘴葉片的表面溫度變化較中間較大截面的快。這樣導致葉片內部溫度場產生梯度，梯度越大，熱應力越大。圖1-1顯示了機組正常啟停時，燃氣輪機動葉溫度的應力變化過程，在點火加速階段葉片產生短暫的壓縮應力;另外，由于燃氣溫度的快速變化，引起葉片邊緣比截面較大的主體受熱溫升快得多。在滿負荷情況下，葉片達到其最高的金屬溫度，而且在與冷卻部分之間所保持的溫度梯度中產生了壓力。停機時，情況相反，葉片邊緣冷卻比主體快得多，結果在導流葉片邊緣產生了張力。

如果在帶滿負荷狀態的跳閘情況之下，那么這種現象對熱通道部件的壽命影響相當于10次正常啟起停過程所造成的損耗;而50%負荷跳閘以及甩100%負荷造成對部件壽命的影響相當于6次正常啟起停;甩60%負荷相當于4次正常啟起停。這是因為機組在跳閘、甩負荷時，在葉片和噴嘴處產生了高熱應力，而較高的應力意味著很少次數的循環就可能產生裂紋。

2.2 燃燒溫度的影響

一個部件所能承受的循環次數，不僅受總的應力變化的因素決定，而且受金屬所經歷的最高溫度的影響。因此燃氣輪機較高的運行溫度要求更頻繁的維修和置換高溫熱通道部件。

2.3 燃料影響

燃料種類對零件壽命方面的影響與在燃燒過程中釋放的輻射能和各種液體燃料的霧化能力有關。

液體燃料的雜質諸如污垢等會引起計量元件和燃料噴嘴的磨損。氣體燃料中的雜質將磨蝕或者腐蝕控制閥和燃料噴嘴。噴嘴的阻塞和堵塞將導致燃氣輪機的進口段溫差加大從而損壞透平葉片。某些燃料雜質會導致熱部件的腐蝕，因此運行人員根據燃料的特性提供必要的燃料處理過濾器和分離器來保證燃料不含任何雜質是很重要的。

2.4 空氣質量好壞的影響

由于燃氣輪機的工作轉速較高，壓氣機出口空氣流速也很快，故20μm顆粒進入壓氣機能引起葉片明顯地被磨損;10μm以下的超細灰塵顆粒進入壓氣機以及吸入油氣、煙、海鹽和工業排氣都能導致壓氣機葉片結垢，以及IGV的卡澀。壓氣機葉片的磨蝕使葉片表面產生凹痕，它不僅增加表面表面粗糙度從而降低空氣流量和壓氣機效率，并且也成為產生疲勞裂紋的潛在部位。

3 提高燃機壽命的運行對策

根據上述分析，應該將上述影響因素納入運行監管，以爭取有較長的燃氣輪機熱通道檢修間隔周期和使用壽命。

3.1 做好對燃氣輪機的運行檢查和記錄工作

燃氣輪機在其運行過程當中的檢查工作主要包含連續且全面的觀察。全新的燃氣輪機組在初始啟動的階段或者汽輪機組在經過大修之后，需要將汽輪機在運行期間的基準數據記錄保存完好，以便在汽輪機組在以后的運行過程當中出現故障的時候作為測量比較的參考數據使用。經過多年的工作經驗可以知道，這些數據主要包含：和負荷相對應的排煙溫度、燃料的流量、振動、壓力、潤滑油壓力等。排煙溫度場變化和啟起動時間等等。如果把這些參數作出趨勢圖將非常有助于判斷系統是否偏離運行的正常數值;當汽輪機的運行過程中的相關數據偏離正常數值的情況時，對于對汽輪機組進行更加精確地診斷出其故障類型具有非常大的幫助，設定值的變化或部件的損傷。

3.2 加強監盤調整，減少被迫及非計劃停運次數

無論是正常還是故障被迫停機，對燃氣輪機熱通道壽命的影響都相當大。值得注意的是：對于三菱F級燃氣輪機，由于有正常停機、甩負荷、跳閘、快速變負荷等情況的等效數量的修正系數大，所以當機組發生甩負荷、跳閘、快速變負荷等情況時，其折合成“EOH”是相當大的。以上述滿負荷跳閘為例：1次滿負荷跳閘相當于“EOH”小時數為20×10=200小時。

3.3 控制啟停機時間、避免燃氣輪機超溫運行

超溫運行狀況和負荷的迅速變化都會對燃氣汽輪機的熱通道部件造成極大的損傷，從而影響到其使用壽命。因此若以縮短燃氣輪機啟停時間以及用超溫運行的方式來換取帶更多的負荷是很不明智的。

3.4 注意負荷與排煙溫度、以及燃料流量、壓力的對應關系

要長期地觀察和比較負荷和排煙溫度之間的關系（需要注意的是：環境溫度和大氣壓力在汽輪機運行的過程當中會對其排氣的絕對溫度產生一定程度的負作用）。通過在相同條件下的排煙溫度的變化對比來判斷零部件的磨損、過量漏氣或壓氣機的積垢等。

3.5 密切注意機組的振動水平

現在F級以上的燃氣輪機大部分采用單軸布局，軸系很長，因此必須密切關注汽輪機組在運行過程當中的振動狀況，如果汽輪機組在運行過程當中發生很大程度的波動變化或者是持續上升的趨勢，那么就應該去分析、解決它了。

3.6 記錄好機組啟動及惰走時間

在汽輪機啟動運行的時候，其啟動時間可以作為一個很好的參考依據，它可以對汽輪機以后運行過程中的參數進行比較與評價分析，從而提供更加詳盡的參考數據。汽輪機氣動過程必須要有一組科學的參數曲線，該參數曲線具體包含：燃料量、轉速和排煙溫度以及主再熱蒸汽進汽等參數對應“開始”信號發出時跟隨時間進度變化的曲線，該曲線可以直觀地觀察出系統的運行狀態，從而為工作人員提供對汽輪機的是否正常運行進行正確判斷的有效參考依據。

4 結語

綜上所述可以知道，在對三菱M701F型燃氣輪機的檢修和壽命影響因素以及運行策略進行分析研究以后得知做好汽輪機的檢修與維護工作對于延長其運行使用壽命相當重要。從運行的角度來看，合理的運行方式在提高燃機運行壽命和縮短檢修時間上也十分重要。

參考文獻

[1] 廣東惠州天然氣發電有限公司.大型燃氣-蒸汽聯合循環發電設備與運行：機務分冊.北京.機械工業出版社，2013.

[2] 深圳能源集團月亮灣燃機電廠.大型燃氣-蒸汽聯合循環電廠培訓教材：M70IF燃氣輪機.重慶：重慶大學出版社，2014.