重型燃?xì)廨啓C(jī)缺陷與檢修過程分析

羅天文

[摘? ? 要]隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及對(duì)于環(huán)保問題的重視，燃?xì)廨啓C(jī)以其占地面積小、聯(lián)合循環(huán)效率高、啟停調(diào)峰快速靈活、污染排放少等優(yōu)點(diǎn)，正逐步占據(jù)我國電力市場(chǎng)份額。但目前國內(nèi)對(duì)于重型燃?xì)廨啓C(jī)的研究尚處于起步階段，尤其是對(duì)于關(guān)鍵備品備件，主要依賴進(jìn)口。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)的檢修，特別是燃?xì)廨啓C(jī)本體部分的檢修與維護(hù)，大部分國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)電廠還完全依賴于西門子，GE等燃?xì)廨啓C(jī)制造商的檢修團(tuán)隊(duì)。文章分析了燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中存在缺陷及檢修過程，對(duì)國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)電廠檢修工作起到借鑒作用。

[關(guān)鍵詞]燃?xì)廨啓C(jī);運(yùn)行缺陷;檢修;維護(hù)

[中圖分類號(hào)]TM611.31 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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?xì)廨啓C(jī)小修狀態(tài)描述

燃?xì)廨啓C(jī)檢修根據(jù)EOH（等效運(yùn)行時(shí)間）分為小修（燃燒室檢查）、中修（熱通道檢查）及大修（整體檢查及轉(zhuǎn)子維修）。其中，EOH=實(shí)際運(yùn)行時(shí)間+等效啟停次數(shù)×一次啟停等效運(yùn)行時(shí)間。等效啟停次數(shù)=正常啟停次數(shù)+甩負(fù)荷等效啟停次數(shù)+緊急停機(jī)等效啟停次數(shù)+快速變負(fù)荷等效啟停次數(shù)。

筆者工廠使用燃?xì)廨啓C(jī)為德國西門子SGT5-2000E（V94.2）重型燃?xì)廨啓C(jī)，由西門子KWU公司設(shè)計(jì)制造，采用單軸、單缸、軸向排氣，冷端驅(qū)動(dòng)，雙軸承支撐（壓氣機(jī)端為徑向/支持聯(lián)合軸承）;燃?xì)廨啓C(jī)由壓氣機(jī)、燃燒室及透平組成。壓氣機(jī)和透平為多級(jí)軸流設(shè)計(jì)，壓氣機(jī)共16級(jí)，壓比11.7，入口導(dǎo)葉（IGV）可調(diào)，透平為4級(jí)。兩個(gè)側(cè)立燃燒室，共16個(gè)組合式燃?xì)鈬娮欤瑑?nèi)置陶瓷遮熱板，每個(gè)燃燒室配置兩個(gè)火焰探測(cè)器，監(jiān)視燃燒狀況。燃汽輪機(jī)全流程還包括燃料進(jìn)氣部分，壓縮空氣進(jìn)氣部分，擴(kuò)散段等部分。

目前，燃?xì)廨啓C(jī)只經(jīng)歷過小修（每8000 EOH），即燃燒室檢查。燃燒室檢查主要是針對(duì)進(jìn)氣和排氣管道、壓氣機(jī)葉片、透平葉片、燃燒單元及其輔助系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量及檢查。在燃燒單元的檢查中，要特別注意燃燒室的檢查，尤其是對(duì)第一級(jí)透平噴嘴和動(dòng)葉進(jìn)行目視檢查，以便觀察這些部件上出現(xiàn)的磨損或變形。燃燒器、燃燒室、混合室、過渡段等由于內(nèi)外缸溫度差異，設(shè)計(jì)手段不可能將內(nèi)部部件膨脹量達(dá)到完全一致，高溫內(nèi)部零件會(huì)相對(duì)移動(dòng)。因此，內(nèi)部部件一定會(huì)受到由摩擦力和低周疲勞引起的磨損。而這些檢查結(jié)果都將成為中修檢修計(jì)劃開展的重要依據(jù)。

2 燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行中存在缺陷及檢修過程

2.1 調(diào)壓閥

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣部分布置有自力式調(diào)壓閥，用于保證燃?xì)廨啓C(jī)入口燃?xì)鈮毫Ψ€(wěn)定。由于天然氣爆炸極限為5 %～15 %，屬易燃易爆氣體，調(diào)節(jié)閥無法使用電力驅(qū)動(dòng)。我廠調(diào)壓站調(diào)壓閥為自力式調(diào)壓閥，可利用調(diào)壓閥輸出端與輸入端的反饋壓力通過信號(hào)管傳遞到皮膜腔室，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)閥瓣，改變閥門的開度，達(dá)到調(diào)節(jié)壓力的目的。由于自力式調(diào)壓閥的工作特點(diǎn)，要求其入口壓力不能低于調(diào)整壓力，自力式調(diào)壓閥對(duì)應(yīng)入口壓力要求最低不得小于2.0 MPa。冬季屬于天然氣需求較大季節(jié)，常導(dǎo)致天然氣調(diào)壓站入口壓力低于2.0 MPa，在管線壓力緩慢回升過程中調(diào)壓閥出現(xiàn)運(yùn)行故障，自力式調(diào)壓閥失去調(diào)節(jié)作用，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)入口壓力超過規(guī)定值，影響燃?xì)廨啓C(jī)正常運(yùn)行。

經(jīng)過對(duì)調(diào)壓閥工作原理和結(jié)構(gòu)上的分析，檢修人員提出在工作調(diào)壓閥上增加加速指揮器，在工作調(diào)壓閥失效時(shí)加速對(duì)調(diào)壓閥上腔進(jìn)行泄壓，從而建立皮膜上下壓差，以加速工作調(diào)壓閥進(jìn)入工作狀態(tài)，改善了調(diào)壓閥的工作性能，避免了非正常管線壓力波動(dòng)下造成的停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，具有一定的行業(yè)推廣應(yīng)用價(jià)值。

2.2 進(jìn)氣濾網(wǎng)

由于筆者工廠地處中國西北偏東干燥地區(qū)，空氣中的含塵量較大，重度污染時(shí)PM10數(shù)值在170以上，空氣中懸浮物總量在300～330 μg/m3。燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組安裝時(shí)使用的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，因沒有充分考慮地區(qū)環(huán)境差異進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì)，所以實(shí)際運(yùn)行時(shí)存在較大的問題，其中進(jìn)氣系統(tǒng)的預(yù)處理過濾器Coalescer（凝聚式除濕濾棉G3）很容易堵塞，易造成汽輪機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)壓差超標(biāo)，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)效率、電廠穩(wěn)定運(yùn)行造成了一定程度的影響。

經(jīng)過對(duì)筆者工廠燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)節(jié)能改造，通過改變?nèi)肟诔鯙V的結(jié)構(gòu)形式，將原有的板式預(yù)過濾器更換為袋式過濾器，初始阻力比原設(shè)計(jì)降低14 Pa，失效終阻力比原設(shè)計(jì)提高350 Pa。單片容塵量約為1 500 g，容塵量比原有的凝聚式除濕濾棉提高4～6倍，可以連續(xù)運(yùn)行3個(gè)月不更換預(yù)處理過濾器，使用時(shí)間是原來的3倍。同時(shí)，一級(jí)過濾器的過濾能力提升，也使得二級(jí)過濾器壽命由原來的2 000 h，增加為10 000 h，是原來的5倍。改造后，該系統(tǒng)能在各種天氣條件環(huán)境下，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，減少機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)次數(shù)和降負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)也填補(bǔ)了國外燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)在中國西北地區(qū)無法長期穩(wěn)定運(yùn)行的技術(shù)空白，避免了單一設(shè)計(jì)對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定、長期運(yùn)行的影響，為同類型機(jī)組在該地區(qū)的運(yùn)行積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，具有一定的行業(yè)推廣應(yīng)用價(jià)值。

2.3 擴(kuò)散段后燃?xì)廨啓C(jī)外殼保溫超溫

筆者工廠燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)散段外殼東側(cè)部分油漆發(fā)生變色脫落現(xiàn)象，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查，發(fā)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)散段外殼存在局部超溫現(xiàn)象，金屬表面溫度最高達(dá)163 ℃。

燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)散段外殼保溫為內(nèi)部保溫形式，保溫材料為陶瓷纖維毯，外設(shè)保溫內(nèi)襯板逐層搭接，螺栓固定并進(jìn)行焊接。如果對(duì)保溫內(nèi)襯板進(jìn)行逐層拆除，工作量巨大，最終決定對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)散段外殼東側(cè)超溫部位內(nèi)保溫區(qū)域內(nèi)襯板進(jìn)行切割后更換內(nèi)保溫棉。

通過燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)散段煙氣溫度測(cè)點(diǎn)作為內(nèi)外層參照物，精準(zhǔn)確定超溫區(qū)域?qū)?yīng)的內(nèi)部位置，然后對(duì)保溫內(nèi)襯板進(jìn)行檢查，確定保溫內(nèi)襯板是否存在磨損、變形、變色、松動(dòng)、嚴(yán)密性下降等問題。然后對(duì)切割區(qū)域進(jìn)行確定，切割區(qū)域須有兩個(gè)以上的固定螺栓，便于后期保溫恢復(fù)時(shí)調(diào)整陶瓷耐火纖維毯壓縮量及焊接前固定;切割區(qū)域不得跨過槽型壓板，以防破壞保溫內(nèi)襯壓板整體性及穩(wěn)定性;保溫層材料為陶瓷纖維毯，厚度為247 mm，分別用4層δ=50 mm和2層δ=38 mm的陶瓷纖維毯錯(cuò)縫布置;保溫層厚度的壓縮量不小于15 %，長度方向應(yīng)壓縮25 mm。擴(kuò)散段由于處于燃?xì)廨啓C(jī)排氣出口，排氣溫度為538.2 ℃，排氣壓力為92.5 kPa，煙氣質(zhì)量流量為494.5 kg/s，所以需要對(duì)保溫內(nèi)襯板壓緊螺母與螺柱進(jìn)行點(diǎn)焊固定，一周不少于3處焊點(diǎn)，防止墊片松動(dòng)脫落。

2.4 擴(kuò)散段裂紋

筆者工廠燃?xì)廨啓C(jī)擴(kuò)散段在停機(jī)目視檢查中發(fā)現(xiàn)存在變形及裂紋的情況，認(rèn)為裂縫及變形為擴(kuò)散段熱應(yīng)力釋放導(dǎo)致，決定對(duì)裂縫進(jìn)行打磨焊補(bǔ)。擴(kuò)散段基材為X6CrNiTi18-10/1.4541，焊接前需要對(duì)裂縫邊緣進(jìn)行打磨，并開60 °坡口，著色確認(rèn)有無潛在裂紋后再進(jìn)行焊接。焊接使用的焊材為Bohler的ER347，焊絲直徑3.2 mm。焊接完成后仍需打磨著色，確認(rèn)無焊接缺陷后，工作結(jié)束。第一次焊接后，機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行正常;待再次停機(jī)對(duì)擴(kuò)散段第進(jìn)行目視檢查中，發(fā)現(xiàn)仍有新增裂縫，但變形情況已經(jīng)消除。對(duì)裂縫進(jìn)行再次焊接后，擴(kuò)散段熱應(yīng)力逐漸得到釋放，再未發(fā)現(xiàn)過嚴(yán)重裂縫。

3 六價(jià)鉻

根據(jù)西門子以往的燃?xì)廨啓C(jī)檢修經(jīng)驗(yàn)，在彈簧夾、過渡段、排氣擴(kuò)散器、葉片、葉片托架螺栓孔的外部焊縫、其他燃燒段螺栓連接以及排氣缸上隔熱毯的內(nèi)側(cè)，排氣管、排氣隔熱層的內(nèi)側(cè)以及熱氣通道中的其他部件和材料上發(fā)現(xiàn)了六價(jià)鉻[Cr（vi）]的存在，表現(xiàn)為黃色殘留物。在我廠燃?xì)廨啓C(jī)8000 EOH小修中，也在燃燒室、過渡段、透平葉片、擴(kuò)散段、鍋爐鰭片管上發(fā)現(xiàn)黃色粉末，跟西門子的檢修隊(duì)伍溝通后，初步判斷為六價(jià)鉻。燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)鈬娮臁⒒旌鲜摇⑦^渡段及透平葉片為高溫金屬部件，為確保材料耐高溫腐蝕性，金屬中的三價(jià)鉻含量在20 %左右，而三價(jià)鉻在有氧條件下加熱即可生成六價(jià)鉻。

后經(jīng)采樣及實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，測(cè)得黃色粉末中六價(jià)鉻含量為0.61 %，雖含量少，但是六價(jià)鉻毒性較強(qiáng)。首先，六價(jià)鉻為吞入性毒物、吸入性極毒物，皮膚接觸可能導(dǎo)致過敏;更可能造成遺傳性基因缺陷，吸入可能致癌，對(duì)環(huán)境有持久危險(xiǎn)性。其次，六價(jià)鉻是很容易被人體吸收的，它可通過消化、呼吸道、皮膚及黏膜侵入人體。危害最大的是長期或短期接觸或吸入時(shí)有致癌危險(xiǎn)。吸入某些較高濃度的六價(jià)鉻會(huì)引起流鼻涕、打噴嚏、瘙癢、鼻出血、潰瘍和鼻中隔穿孔。短期大劑量的接觸，在接觸部位會(huì)產(chǎn)生不良后果，包括潰瘍、鼻黏膜刺激和鼻中隔穿孔。攝入超大劑量的鉻會(huì)導(dǎo)致腎臟和肝臟的損傷、惡心、胃腸道刺激、胃潰瘍、痙攣甚至死亡。皮膚接觸會(huì)造成潰瘍或過敏反應(yīng)。

因此，在對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)燃燒器及其后煙氣流經(jīng)的燃?xì)廨啓C(jī)透平、擴(kuò)散段、余熱鍋爐受熱面進(jìn)入時(shí)必須辦理密閉空間進(jìn)入許可并穿戴足夠防護(hù)級(jí)別的PPE，包括但不限于N95及以上級(jí)別口罩、護(hù)目鏡、連體防護(hù)服、橡膠手套等。其次，因六價(jià)鉻會(huì)對(duì)環(huán)境造成持續(xù)性影響，在每次檢修中，應(yīng)盡可能對(duì)六價(jià)鉻粉末進(jìn)行收集，同時(shí)使用后的口罩、連體防護(hù)服、手套等應(yīng)集中收集，統(tǒng)一交實(shí)驗(yàn)室處理。實(shí)驗(yàn)室可采用藥劑還原沉淀法對(duì)六價(jià)鉻進(jìn)行處理。將六價(jià)鉻溶于水后，向溶液中加入SO2、FeSO4等還原劑，將六價(jià)鉻還原成三價(jià)鉻，從而降低鉻元素的毒性，然后再加入石灰或氫氧化鈉，使其在堿性條件下生成氫氧化鉻沉淀。燃?xì)廨啓C(jī)電廠檢修中，也應(yīng)該注意六價(jià)鉻的危害，拆開人口后應(yīng)派專人進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，對(duì)六價(jià)鉻黃色粉末進(jìn)行收集，并經(jīng)實(shí)驗(yàn)室妥善處理，不得隨意丟棄，以免污染環(huán)境。檢修人員進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部，也應(yīng)做好個(gè)人防護(hù)，防止六價(jià)鉻對(duì)人體的傷害。

4 備品備件

燃?xì)廨啓C(jī)電廠的備品備件優(yōu)化管理可以從以下幾點(diǎn)入手：①建立備件集中管理信息化平臺(tái)，并與西門子備件編碼無縫對(duì)接，方便查詢與領(lǐng)取;②實(shí)現(xiàn)各廠燃?xì)廨啓C(jī)備件的集中管理，利于合理分配各廠購買備件的種類和數(shù)量;③減少備件的重復(fù)配置，優(yōu)化配置結(jié)構(gòu)，降低備件資金成本;④開展部分備件的國產(chǎn)化嘗試;⑤對(duì)于多機(jī)組運(yùn)行燃?xì)廨啓C(jī)電廠，可根據(jù)各臺(tái)機(jī)組設(shè)備檢修間隔時(shí)間的要求，錯(cuò)開各機(jī)組檢修間隔的運(yùn)行時(shí)間表，這樣就可以實(shí)現(xiàn)熱通道部件之間的調(diào)配，減少備件備品的數(shù)量。

5 結(jié)術(shù)語

因?yàn)槟壳皣鴥?nèi)燃?xì)廨啓C(jī)的檢修主要依靠國外技術(shù)力量，所以如何真正掌握燃?xì)廨啓C(jī)的檢修技術(shù)，沖破外方的技術(shù)封鎖是燃?xì)廨啓C(jī)工程師不得不面對(duì)的挑戰(zhàn)。對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)電廠來說，可以在國外檢修公司檢修時(shí)派遣自己的技術(shù)人員全程跟蹤學(xué)習(xí)，引進(jìn)維修設(shè)備和技術(shù)。此外，還可以將各自運(yùn)行中的缺陷及檢修情況進(jìn)行交流，互相促進(jìn)學(xué)習(xí)，培訓(xùn)和培養(yǎng)一批懂檢修技術(shù)的本廠人員。在機(jī)組出現(xiàn)小故障時(shí)可以自己完成檢修，擺脫對(duì)制造商的過分依賴。

參考文獻(xiàn)

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