燃氣輪機氣路調節系統故障研究

徐搏超

(中國大唐集團科學技術研究總院有限公司大唐華東電力試驗研究院， 合肥 230000)

燃氣輪機是一種將氣體或液體燃料的化學能轉變為有用功的內燃式葉輪旋轉機械。由于其性能優異，已被廣泛應用于石油化工、艦船工業、航空工業、分布式供能[1]以及大型電站等領域[2-3]。其中，作為能源轉換裝備制造業的高端產品，重型燃氣輪機已被廣泛應用于燃氣-蒸汽聯合循環電廠[4-5]，并已被我國列為優先發展的重大裝備。

在燃氣輪機運行過程中，由于內部惡劣的運行條件，維持氣路穩定性是保證機組安全穩定的重要前提。為改善燃氣輪機氣路流道特性，提高燃氣輪機啟機及低負荷階段的運行經濟性及安全性，目前重型燃氣輪機在壓氣機的入口大多設計了可轉導葉調節系統，在不同負荷時通過調節進口導葉的角度，使得進入壓氣機動葉前的氣流方向發生改變，調節機組空氣進氣流量。通過可轉導葉開度變化，控制燃氣輪機排氣溫度，對提高燃氣輪機及聯合循環的效率有著重要意義[6-7]。

目前對可轉導葉系統的研究主要集中在對軸流壓氣機性能的影響[8]，以及關于燃氣輪機整體性能的機械和控制等方面的理論建模[9-10]等，對調節系統驅動結構故障分析及優化較少。基于此，從系統結構和裝配標準角度提出故障診斷方法，并在同類型機組進行推廣應用，結果表明該方法可以快速實現故障診斷。針對該系統結構問題，從設計制造、現場安裝、停機檢修、運行維護方面提出建議，保證機組安全穩定運行。

1 可轉導葉系統介紹

目前，國際上先進燃氣輪機逐漸采用多級可轉導葉結構。例如：GE的9HA.01壓氣機，具有1級進口可轉導葉和3級獨立驅動可調靜葉；西門子的SGT5-8000H壓氣機，具有4級可轉導葉；三菱M701J同樣配備了進口可轉導葉和可調靜葉。

1.1 調節原理

多級軸流壓氣機特性曲線見圖1。當流經工作葉柵的空氣流量減小到一定程度，就會在葉片進口處產生正沖角。同時在葉片的背弧側產生氣流附面層脫離現象，這種脫離會引起喘振。設置可轉導葉可以減少或消除進入下一級動葉的氣流正沖角，避免葉片背弧氣流附面層的脫離(氣流附面層的脫離易形成氣流失速團，從而發生喘振)，防止了喘振事件的發生。

圖1 多級軸流壓氣機特性線

對于燃氣輪機機組，提高透平進口溫度是提高燃氣輪機效率的最有效手段，同時維持較高的排煙溫度有利于保障汽輪機效率。在部分負荷下，維持較高透平進口溫度和排煙溫度能改善聯合循環機組效率。隨著發電負荷降低，先保持透平進口溫度不變，調小可轉導葉開度，這時排煙溫度會升高，當排煙溫度達到最大值時，保持溫度不變。因此，可轉導葉在機組低負荷運行中能改善聯合循環機組的效率。

1.2 設備結構

進口可轉導葉(inlet guide vanes，IGV)位于壓氣機進口第一級動葉前，相當于第0級；第一級可調靜葉(compressor vane 1，CV1)位于第一級動葉后，位置結構見圖2。

圖2 IGV、CV1位置結構圖

同為可轉導葉，IGV和CV1的調節機構具有相似性。葉片通過一根連接桿連到轉動環上，轉動環由靜葉持環支撐。液壓傳動機構安裝在壓氣機支撐上，并通過一根頂桿連接到轉動環上，并帶動轉動環。CV1傳動機構立體圖如圖3所示。

圖3 CV1傳動機構立體圖

實際動作中，液壓執行機構接受指令動作，帶動轉動環(俗稱大連桿)動作，轉動環進而拉動小連桿動作，小連桿、搖臂與CV1葉根軸通過螺栓連接，從而帶動CV1轉動。圖4為某安薩爾多機組解體檢修時拍攝的CV傳動機構及葉根處配套組件。

圖4 CV1傳動機構及葉根處配套組件

葉冠軸置于分半軸承內，整體嵌套在內環中，葉冠處配套部件見圖5。

圖5 CV1葉冠處配套部件

1.3 調節過程

IGV、CV1機構調節過程見圖6。在燃氣輪機啟動升速階段，IGV和CV1處于關閉狀態(顯示開度為0，實際機械位在最小開度)，目的是減小進氣流量，防止壓氣機發生喘振；當負荷升到一定值時，IGV和CV1開度增加，IGV跟蹤負荷指令，對導葉開度進行調整，以維持在該負荷下較高的透平排氣溫度，使總體熱效率得到改進；CV1跟蹤IGV指令動作(通過折線函數輸出開度指令)。

圖6 IGV、CV1調節曲線

2 調節系統故障原因分析

在一定工作范圍內，壓氣機進口導葉和前幾級靜葉可以通過液壓調節機構調節葉片開度以達到最佳沖角，實現沒有失速的情況下的高速運行，保持良好氣路特性。由于燃氣輪機經常低負荷運行且參與調峰，調節系統頻繁動作，加劇機械結構磨損，同時長期缺乏穩定潤滑系統，易發生銹蝕、卡澀等故障。

2.1 CV1故障簡介

2019年某電廠1號機組CV1發生卡澀，CV1開至73%后卡澀，無法繼續增加開度，通過反復調節活動，可開至91%。2020年4月卡澀情況惡化，CV1無法開到指定位置。為保證機組安全運行，上海電氣(制造廠家)要求對CV1卡澀上限開度進行限位，避免卡澀情況進一步惡化而強制操作，造成惡性事故。2021年4月，電廠利用機組停機期間對CV1進行了檢修處理。

2.2 相似案例分析

調節機構是利用液壓缸推動可轉導葉連桿機構，從而改變導葉的角度，利用伺服閥等部件控制液壓缸的運動，其控制策略為帶有角度或行程反饋的PID控制[11]。該系統技術成熟，控制壓力穩定，干擾因素少，但同時存在系統設備復雜導致整體可靠性降低等問題。

2020年7月，上海某安薩爾多機組CV1部件脫落，造成飛速旋轉的壓氣機葉片均被脫落的部件擊毀，后經檢查發現，CV1組件存在明顯銹蝕痕跡。經事故分析，CV1葉片距離水洗后的積液位置較近，電廠在水洗后未嚴格執行制造廠的相關操作規程，未及時烘干保養；該機組水洗排出的廢液濃度較高，在一定程度上增加了機組葉片銹蝕的風險，進而導致CV1部分區域發生銹蝕、卡澀故障。

2.3 CV1卡澀原因分析

CV1及其傳動結構對裝配要求較高，靜態測試力矩不能超過設計限定值。在排除控制系統指令異常后，對機械系統重點部位進行排查。

(1) 搖臂和小連桿是CV1的重要傳動機構，搖臂至銅套的間隙標準為0.1 mm，應進行實際間隙檢測，連桿軸承處易存在變形、銹蝕問題。

(2) CV1出廠的力矩要求為30 N，長期運行易誘發CV1葉根和銅套銹蝕、變形等問題，導致摩擦力矩增大，應對每片CV1進行力矩檢測。

(3) CV1葉冠軸通過分半軸承固定在內環上，軸承處缺乏穩定潤滑油供應，易發生磨損、變形、銹蝕等問題，增大摩擦阻力，從而出現卡澀現象。

3 CV1檢修及方法推廣

3.1 CV1檢修過程

檢修過程中發現問題如下：

(1) 搖臂至銅套間隙實測數據較標準值偏小，部分位置甚至存在接觸現象，部分小連桿端關節軸承卡澀，見圖7。

圖7 搖臂、小連桿端關節軸承銹蝕情況

(2) 拆除前部分葉片力矩達到200 N以上，遠超要求范圍，轉動力矩過大導致活動失效；部分CV1從銅套中抽取困難，銅套及配套組件表面存在磨損，如圖8所示。

圖8 銅套及配套組件銹蝕、磨損情況

(3) 上半部分CV1與缸體內壁、第1級內環軸向間隙過小，第1級內環拆除后，部分CV1轉動不暢，葉冠分半軸承安裝位置存在銹蝕，見圖9。

圖9 葉冠分半軸承安裝位置銹蝕情況

本次檢修更換的部件主要包括以下部分：(1) 全部CV1(55片)；(2) 部分搖臂組件；(3) 部分桿端關節軸承組件；(4) 部分銅套相關組件；(5) 部分分半軸承組件。檢修后，CV1卡澀現象消除。

3.2 CV1檢修推廣

2019年7月針對2號機組開展CV1卡澀檢查，解決如下問題：(1) 檢查發現CV1執行器內卡入異物，后續檢修人員將異物取出；(2) 頂桿零位松動漂移，造成讀數不準，后續檢修人員將其加焊牢固。

經過上述處理后，2號機組正常運行，直至目前未發生卡澀現象。針對此類CV1調節系統，由于結構設計上存在卡澀隱患，應重點關注同類型機組此類問題。

4 運行維護建議

為進一步解決類似機組調節系統故障，推廣相關經驗，從設計制造、安裝、停機檢修、運行維護等方面，進行綜合優化。

4.1 設計制造

(1) 制造廠選用耐腐蝕材料或耐腐蝕涂層，增強零部件的耐腐蝕性。

(2) 壓氣機疏水口設計應合理，內部設有斜坡，水洗后不應留有存水的部位。

(3) 轉動環、小連桿及搖臂等連接部件有防止松動的緊固措施。

(4) 轉動環外部設保護罩，防止異物進入。

4.2 現場安裝

(1) 嚴格按照設計間隙對各部件進行裝配。

(2) 各螺栓應按照規范緊固，緊固力矩滿足設計要求。

(3) 安裝前對液壓油管路進行清洗和油沖洗，確保管路清潔度達標。

4.3 停機檢修

嚴格把關檢修項目中各工序流程，確保項目設置合理，總結每一部件的檢修周期，不過修、欠修，確保檢修質量。

(1) 裝配完畢后，檢查CV1的葉根與葉冠的軸向間隙檢查，對轉動環等連接部件進行清理、檢查，更換潤滑脂。

(2) 對CV1葉根、葉冠軸頸、軸套銹蝕、變形情況進行檢查清理，發現活動力矩超過定值，及時安排解體檢修，清理活動部件銹蝕，更換變形部件。

(3) 大修時對CV1葉片進行無損檢查，發現葉片有裂紋及時更換，對葉片角度進行校驗，開展CV1開度遠方與就地校準，確保CV1開度準確。

(4) 檢查水洗效果，檢查壓氣機疏水管路是否通暢。

(5) 及時更換CV1液壓油濾芯，保證液壓油清潔度滿足標準要求。

4.4 運行維護

(1) 嚴禁強行活動嚴重卡澀的CV1(活動力矩超設計值上限)，并對嚴重卡澀的CV1開度位置進行限制。

(2) 嚴格按照制造廠運行維護手冊要求對壓氣機進行水洗。在使用清潔劑清洗時，至少要用除鹽水漂洗兩次，水洗排水管應接有可目視檢查的排水情況的視窗，清洗結束后，對比原水和排污水電導率的變化情況，以此判斷水洗的清潔程度。

(3) 水洗完成后應及時進行點火烘干，防止各部件銹蝕；對于早啟晚停的機組可利用夜間停機進行離線水洗，水洗后啟動燃氣輪機，利用啟動過程進行烘干。

(4) 重視進氣濾網壓差監測，對濾網壓差異常增高或降低及時關注，開展就地檢查，定期對進氣道進行銹蝕破損檢查，定期對壓氣機進行內窺檢查。

5 結論

本文詳細介紹了燃氣輪機可轉導葉的作用、傳動系統結構，并針對調節系統故障原因進行了分析。結合電廠故障實例，提出了現場故障診斷的方法和流程，并進行了推廣驗證，結果表明提出的方法具有針對性，能幫助現場人員判斷潛在故障點。最后針對此類問題，從多維度給出設計和運行維護建議，為今后類似故障處理提供參考。

(1) 設計制造應加強對關鍵部位的防腐蝕處理，合理設計水洗方式，并安裝防異物裝置。

(2) 現場安裝應注重清潔，裝配要求按照標準執行。

(3) 停機檢修對重點部件和位置加強檢測，記錄裝配后液壓系統初始油壓，作為后續啟機安全運行參考。

(4) 運行維護應完善水洗檢查流程，并定期對氣路進行清潔度檢查。