索拉半人馬40型燃氣輪機排煙管故障的判斷與處理

摘"要：本文闡述了索拉半人馬40型燃氣輪機排煙管故障判斷與處理的基本方法和步驟，并以典型的實際故障的排除過程予以分析和總結。通過研究表明，直接原因是排煙管膨脹節延伸段四周受熱不均，導致膨脹節延伸段熱應力出現破裂。間接原因有兩個方面：一方面是泄放閥的控制電磁閥關閉不嚴，導致壓氣機出口PCD壓力下降，泄放閥關閉不嚴，部分壓縮機空氣氣流直接通過泄放閥BV排至排煙管膨脹節延伸段。另一方面是泄放閥的控制電磁閥執行命令與機組運行需求不一致，導致泄放閥在機組正常帶載時候打開，壓縮機空氣氣流直接通過泄放閥BV排至排煙管膨脹節延伸段。

關鍵詞：燃氣輪機；排煙管膨脹節；泄放閥；熱應力

Abstract：This"paper"outlines"the"basic"methods"and"steps"for"diagnosing"and"handling"exhaust"pipe"failures"in"the"Solara"Centaur"40"gas"turbine，"and"analyzes"and"summarizes"the"process"of"troubleshooting"a"typical"actual"failure.The"study"shows"that"the"direct"cause"is"uneven"heating"around"the"expansion"joint"extension，leading"to"thermal"stress"rupture.There"are"two"indirect"causes：one"is"the"poor"closure"of"the"control"solenoid"valve"on"the"relief"valve，resulting"in"a"decrease"in"PCD"pressure"at"the"compressor"outlet"and"poor"closure"of"the"relief"valve，allowing"some"of"the"compressor"air"flow"to"directly"pass"through"the"relief"valve"BV"into"the"exhaust"pipe"expansion"joint"extension.The"other"is"that"the"command"from"the"control"solenoid"valve"on"the"relief"valve"does"not"match"the"operational"requirements"of"the"unit，causing"the"relief"valve"to"open"during"normal"load"operation，allowing"some"of"the"compressor"air"flow"to"directly"pass"through"the"relief"valve"BV"into"the"exhaust"pipe"expansion"joint"extension.

Keywords：gas"turbine；Exhaust"pipe"expansion"joint；Relief"valve；Thermal"stress

1"概述

燃氣輪機作為一種重要的動力設備，廣泛應用于發電、航空、航海、海洋石油等領域。低壓放氣閥在燃氣輪機中的主要作用是防止壓氣機發生喘振。喘振是一種由于氣流分離和再附著引起的壓力波動現象，容易導致壓氣機葉片損壞，甚至造成整個燃氣輪機系統的崩潰。低壓放氣閥能夠在檢測到壓氣機發生喘振跡象時迅速打開，釋放部分壓縮空氣，從而穩定壓氣機的工作狀態，使壓氣機遠離喘振邊界，保護設備免受損壞。本文以索拉半人馬40型燃氣輪機低壓放氣閥異常動作導致排煙管故障為例進行深入分析，指導燃氣輪機在調試、運行維護中對低壓泄放閥進行檢測、維護，避免因低壓放氣閥導致燃氣輪機故障。

2"低壓放氣閥控制原理

為防止壓氣機發生喘振，索拉半人馬40型燃氣輪機設置了低壓放氣閥（Bleed"Valve）。在機組啟動過程中和帶載低于250kW時，低壓放氣閥處于打開狀態，泄放部分壓氣機出口壓縮空氣，起到防止壓氣機發生喘振的作用。放氣閥為氣動常閉型，動作氣源壓力來源于燃氣輪機壓氣機出口PCD壓縮氣體，氣體導通控制電磁閥為L3381，氣體泄放電磁閥為L3382，兩個電磁閥受到燃氣輪機控制系統邏輯控制執行關閉和打開，系統簡圖如圖1所示。

燃氣輪機在停機情況下，由于壓氣機出口PCD氣體無壓力，泄放閥BV電磁閥處于打開狀態。當燃氣輪機機組開始啟機后，壓氣機出口壓力PCD開始逐漸建立，此時電磁閥L3381處于關閉狀態，電磁閥L3382處于打開狀態，泄放閥BV仍然處于打開狀態，防止壓氣機發生喘振。當燃氣輪機發電機帶載功率大于250kW時，電磁閥L3381處于打開狀態，電磁閥L3382處于關閉狀態，此時PCD壓力大于450kPa驅動BV閥關閉，燃氣輪機發電機組進入正常帶載模式。

3"典型故障案例

3.1"故障現象

某海上油氣生產平臺一臺索拉半人馬40型燃氣輪機，經現場實際需求對機組控制系統進行升級改造，控制系統升級改造完成后，機組進入負載測試試驗環節。在帶載試驗中，機組加載到1800kW時，出現機組撬內可燃氣濃度高高報警信號，機組自動關停。停機盤車冷卻完畢后對該機組內部進行檢查，發現排煙管部位膨脹節延伸段出現變形破裂。

圖4"控制系統升級改造后燃氣點火調試成功

3.2"故障排查過程

3.2.1"控制低壓放氣閥的電磁閥，其控制邏輯錯誤

現場運維人員通過查閱該型機組的廠家維保手冊等資料，發現L3381控制電磁閥為常開閥（Normal"Open），L3382泄壓電磁閥為常閉閥（Normal"Close）。

資料顯示，當燃氣輪機機組處于停機狀態或者機組負載低于250kW時，兩個電磁閥需要處于得電狀態，此時，L3381控制電磁閥關閉，L3382泄壓電磁閥打開，BV閥即處于打開狀態，以此來實現泄放部分PCD氣體的功能；當燃氣輪機機組帶載達到250kW以上時，兩個電磁閥需要處于失電狀態，此時，L3381控制電磁閥打開，L3382泄壓電磁閥關閉，BV閥則處于關閉狀態。表1是不同階段的L3381電磁閥與L3382電磁閥的開關狀態邏輯。

由于索拉廠家技術人員在進行機組控制系統升級時，處理器控制程序中關于此段放氣閥的邏輯程序與實際需求不符，其按照L3381控制電磁閥為常關電磁閥、L3382為常開電磁閥編寫的此段程序，而現場電磁閥的實際情況剛好與此控制邏輯相反。然而，本臺機組在之前的廠家FAT測試過程中，只能測試中間繼電器的相關動作情況，即動作與不動作的驗證測試，無法實現與現場的電磁閥組裝進行聯動測試，因此索拉廠家沒有能夠在FAT測試時發現該問題并予以糾正。

然而，機組故障前的實際情況為，隨著機組NGP轉速的攀升，壓氣機擴壓口壓力即PCD壓力正常建立起來，PCD壓力大于450kPa時需要將放氣BV閥關閉，而由于控制程序中關于兩個電磁閥邏輯的顛倒，使得當時情況為L3381控制電磁閥得電關閉，L3382泄壓電磁閥得電打開，控制邏輯正好相反，放氣BV閥無法關閉，以導致燃氣輪機壓氣機擴壓口PCD低壓泄放閥BV動作與預定不一致。

3.2.2"電磁閥L3382關閉不嚴

為進一步排除故障，運維人員研究后決定對電磁閥L3381/L3382進行氣密性測試，測試的結果顯示電磁閥L3382存在關閉不嚴的情況，此情況會導致放氣BV閥門氣源壓力下降，從而使放氣BV閥關閉不嚴，壓氣機擴壓口PCD的氣流直接通過排氣BV閥排至排煙管膨脹節延伸段。運維人員組織進行分析，在此種情況下，機組運行時候的表現會與控制電磁閥L3381無法正常打開一致，機組運行中PCD運行壓力與正常情況下的PCD相比會低一些。

3.3"排煙管膨脹節延伸段出現破裂的原因

由于壓氣機低壓放氣閥控制電磁閥控制邏輯錯誤，以及泄壓電磁閥L3382關閉不嚴的情況，導致壓氣機PCD氣流直接通過放氣BV閥排放至排煙管膨脹節延伸段，PCD直接排放至排煙管膨脹節延伸段后正常帶載的機組PCD壓力出現下降，PCD壓力下降致使機組內部供給高溫葉片冷卻的冷卻氣氣量減少。膨脹節延伸段的頂部持續受BV閥引流而來的PCD氣流冷卻，而膨脹節延伸段除去頂部以外的其他部位并未受到放氣BV閥引流而來的PCD引流氣的冷卻，致使膨脹節延伸段的頂部與膨脹節延伸段的其余部位的溫度分布不均勻，從而膨脹節延伸段的頂部承受較大的熱應力，隨著時間的推移，不均勻分布的熱應力產生的影響愈發嚴重，最終，膨脹節延伸段在熱應力作用下出現變形破裂。膨脹節延伸段溫度分布如圖5所示。

4"現場應急處理方案

因現場電站急需燃氣輪機發電機組恢復運行以供電，經現場運維人員商討，決定對膨脹節延伸段破裂位置進行補焊修復。經過現場測量及查找相關廠家資料了解到，膨脹節延伸段原材料是SS304L不銹鋼，膨脹節延伸段壁厚為1.5mm，現場實際補焊材料材質為SS316不銹鋼，補焊材料壁厚1.5mm（由于現場沒有SS304L材料）。膨脹節延伸段修復完成后，廠家技術人員對放氣BV閥段的控制程序進行邏輯修改，對密封不嚴的電磁閥進行更換并進行程序段的功能測試及新電磁閥的密封性能進行試驗。所有準備工作完成后，啟動燃氣輪機發電機組進行空載、帶載測試，各項運行參數均處于正常區間范圍內，運行時使用紅外線溫槍對修補的膨脹節延伸段進行溫度監測，監測結果顯示原材料SS304L部位的溫度大約在110℃～120℃，膨脹節延伸段補焊處的SS316材質的溫度大約在160℃～170℃。可見，膨脹節延伸段的四周存在一定的溫差，但經與廠家技術人員溝通確認，此工況滿足機組正常運行要求，不影響正常運行。膨脹節延伸段補焊處如圖6所示。

結語

燃氣輪機低壓泄放閥BV在機組啟動、運行過程中能否正確動作至關重要，根據機型的不同，放氣BV閥的動作原理也多種多樣，放氣BV閥的正常動作會對機組啟機過程中的喘振有良好的抑制作用，同時，BV閥的不正常動作是極度危險的，不僅對機組膨脹節延伸段有嚴重的影響，也不利于現場機組現場的安全管控。因此，在機組大修、系統升級改造、電磁閥測試等維護保養作業時需要嚴格按照作業指導書進行。本文提及的兩次低壓泄放閥BV異常動作導致出現機組排煙系統故障，均為控制電磁閥問題。查閱其他裝置同型號機組，BV閥動作的控制取消了L3381/L3382兩個電磁閥，改為只依靠PCD壓力控制BV閥門的打開和關閉。PCD壓力建立時默認機組正常帶載驅動BV閥門關閉，PCD壓力未建立時默認沒有帶載，BV閥打開，此控制邏輯與機組運行基本匹配，精簡了機構，減少了故障發生概率，但是控制精準程度無法實現兩個電磁閥能夠實現的特定功率下打開和關閉BV閥。具體如何選擇，可根據機組啟動、帶載實際情況進行選擇及改造工作，以進一步提升機組運行的可靠性。

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作者簡介：高傳連（1991—"），男，漢族，江蘇泗洪人，本科，工程師，主要研究燃氣輪機運行及微電網控制。