吳文健，李鴻坤，顧正皓，陳堅紅，毛志偉，盛德仁

（1．國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2．浙江大學熱工與動力系統(tǒng)研究所，杭州310027）

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組運行與維護關鍵技術研究

燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組運行與維護關鍵技術研究綜述

吳文健1，李鴻坤2，顧正皓1，陳堅紅2，毛志偉1，盛德仁2

（1．國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州310014；2．浙江大學熱工與動力系統(tǒng)研究所，杭州310027）

針對大型燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組運行、維護、檢修等方面出現(xiàn)的技術問題，從單軸燃機—汽機轉子系統(tǒng)振動故障、聯(lián)合循環(huán)汽輪機快速啟動方法、燃氣輪機熱部件維護維修策略、燃氣輪機IGV（進口導流葉排）控制及溫控線優(yōu)化技術等4個方面綜述其研究現(xiàn)狀，分析目前的研究熱點；同時還指出存在的主要問題，提出進一步的研究方向。

聯(lián)合循環(huán)機組；振動故障；快速啟動；熱部件維護維修；溫度控制

0 引言

近二、三十年來，不管在發(fā)達國家還是發(fā)展中國家，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電以其特有的優(yōu)點[1]，得到了快速發(fā)展。在我國，特別是人口稠密、經濟發(fā)達的沿海地區(qū)，其裝機比重日益提高。

我國引進GE等公司的先進大型聯(lián)合循環(huán)機組在投入實際運行后出現(xiàn)了較多問題，主要有：壓氣機出現(xiàn)的葉片斷裂等共性問題、燃燒室運行和維護過程中出現(xiàn)的典型問題、機組出現(xiàn)的熱瞬變等典型振動問題、一次調頻以及其他輔助設備的共性問題，嚴重影響了聯(lián)合循環(huán)機組的安全經濟運行。國內機組頻繁啟停的運行模式，帶來運行和維護的新挑戰(zhàn)，有必要開展大型聯(lián)合循環(huán)機組運行、維護、檢修等方面的技術研究[2]。本文針對大型聯(lián)合循環(huán)機組，分別從單軸燃機—汽機轉子系統(tǒng)振動故障、聯(lián)合循環(huán)汽輪機快速啟動方法、燃機熱部件維護和維修策略、燃機IGV控制及溫控線優(yōu)化等4個方面綜述目前的研究狀況。

1 單軸燃機—汽機轉子系統(tǒng)振動研究

實際運行經驗和研究表明：單軸燃機—汽機轉子系統(tǒng)在可傾瓦上容易出現(xiàn)油膜渦動和油膜振蕩故障，以及由燃機快速啟動引起在冷態(tài)啟動過程中的熱態(tài)瞬變振動等故障。

1.1 油膜渦動和油膜振蕩

旋轉機械在運行中具有很多非線性現(xiàn)象，最突出的是由于非線性油膜力引起的自激振蕩，從而產生油膜振蕩和油膜失穩(wěn)。

許多學者和工程技術人員從理論和實踐兩方面對此展開了研究。文獻[3]通過理論和試驗對轉子系統(tǒng)中的油膜渦動、油膜振蕩進行了研究，提出了油膜力的修正模型。文獻[4]對單盤轉子系統(tǒng)進行了試驗研究，觀察到了在失穩(wěn)轉速閾值以下時，對轉子施加小擾動后轉子失穩(wěn)的現(xiàn)象。文獻[5]分析了在非穩(wěn)態(tài)油膜力作用下，有限長油膜軸承支撐的剛性Jeffcott轉子的油膜振蕩。文獻[6]給出了某燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組高壓缸進汽2 min后3號、4號瓦發(fā)生油膜振蕩的故障實例，分析了引起故障的可能原因，提出了有針對性的解決方案。文獻[7]研究了由非線性油膜力引起的轉子—軸承系統(tǒng)的非線性振動特性以及各種影響因素，提出了若干可行的在線消除油膜振蕩的辦法和非線性油膜力的表達式，使非線性轉子系統(tǒng)不平衡量的在線識別成為可能。文獻[8]給出了某9F燃機的油膜渦動和油膜振蕩故障實例，指出可傾瓦仍然會發(fā)生油膜振蕩故障。

浙江電科院以國內首套9FA燃機為研究對象，開展了燃機轉子—軸承系統(tǒng)非線性特性研究，從理論上深層次揭示工程實際中表現(xiàn)出來的油膜振蕩形式的多樣性。通過頻譜、間隙電壓、軸承溫度的變化形成油膜振蕩新判據，指出轉子軸頸渦動中心上浮是可傾瓦油膜振蕩的主要因素，采取降低不平衡量、提高軸承負載、減小軸承寬度等措施能有效抑制油膜振蕩故障的發(fā)生。

現(xiàn)階段，有關油膜振蕩的研究大多集中在依靠經驗進行故障診斷和治理等方面，缺少理論上的深層次探討。以非線性理論為基礎的轉子軸承油膜力的模型還不完善，油膜振蕩的治理方法也缺少系統(tǒng)性。油膜失穩(wěn)仍是大型旋轉機械的疑難問題，需作進一步研究，研究內容主要為：通過對油膜失穩(wěn)機理的分析，完整揭示造成轉子失穩(wěn)的原因，尋找切實可行的在工程實際中能應用于燃機油膜振蕩診斷和治理的一整套方法。

1.2 熱態(tài)瞬變振動

熱態(tài)瞬變振動現(xiàn)象是由于受熱不均勻而產生的一種振動現(xiàn)象，會隨著溫度變均勻在較短時間內消失。由于GE燃機轉子為抽氣冷卻結構、采用疊加裝配，因此普遍存在熱態(tài)瞬變振動現(xiàn)象，嚴重的熱態(tài)瞬變振動會導致燃機停機。熱態(tài)瞬變的振動量是轉子起始溫度的函數(shù)，大振動值對應較冷的轉子初始溫度。文獻[9]對燃機啟動過程中熱態(tài)瞬變引起的振動現(xiàn)象進行了分析。浙江電科院在這方面開展了卓有成效的工作，研究了燃機冷態(tài)啟動過程中的熱態(tài)瞬變振動現(xiàn)象，引入熱態(tài)瞬變影響因子進行動平衡處理，進行優(yōu)化計算，提高平衡效率，有效解決了多套9F燃氣輪機在實際運行中遇到的冷態(tài)啟動振動大問題。

然而，目前常用的一些動平衡技術，還缺少在單軸燃機—汽機轉子系統(tǒng)上應用的業(yè)績，并且大多數(shù)平衡方法都沒有考慮冷態(tài)啟動過程熱態(tài)瞬變振動的影響。對于動平衡的處理，進一步的研究需要綜合考慮各階段的燃機轉子振動，即熱態(tài)瞬變的振動和各負荷階段振動，才能有效解決熱態(tài)瞬變的振動問題。

2 聯(lián)合循環(huán)汽輪機快速啟動的研究

在我國，由于電網的峰谷差較大，燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組需要用于調峰，一般采用日開夜?！皟砂嘀啤钡姆绞竭\行，汽輪機轉子經過8～10 h的停機冷卻后，轉子調節(jié)級金屬溫度降至350℃左右。為了保證安全，一般采用耗時較長的溫態(tài)啟動方式，燃氣輪機快速啟動的優(yōu)勢得不到發(fā)揮，機組啟動階段造成巨大的經濟損失和能源浪費。而機組啟動速度主要受制于轉子的應力水平，如果控制不當，轉子某些部位的內外表面可能出現(xiàn)較大的溫差，產生的熱應力很可能超過轉子材料的屈服極限，威脅轉子的運行安全[10]。所以，對聯(lián)合循環(huán)汽輪機快速啟動的研究包括了汽輪機轉子溫度場、熱應力場計算，以及啟動方案優(yōu)化和汽輪機組的壽命預測研究。

多位學者采用多種方法（差分方法、有限元法、格林函數(shù)法等）以及不同模型來計算汽輪機以不同方式啟動時的轉子溫度場和熱應力場，并繪制相應曲線，為擬定合理的啟動方案提供依據[11-15]。文獻[10]通過計算不同啟動方式下轉子的熱應力，修改了汽輪機的熱態(tài)啟動條件，解決了某調峰運行聯(lián)合循環(huán)汽輪機溫態(tài)啟動耗時過長的問題。文獻[14]建立了一套基于Visual C++平臺的轉子在線壽命損耗管理系統(tǒng)，集汽輪機轉子壽命損耗計算、負荷率控制、應力超限及轉子熱狀態(tài)實時分析顯示和數(shù)據管理于一體。在工程應用層面，文獻[15]提出余熱鍋爐啟動速度慢的根本原因，經過設備和控制程序的修改，實現(xiàn)了余熱鍋爐的安全快速啟動。

目前，關于此方面的研究還比較分散，尚未形成完整的體系，應該在包括啟動過程熱應力計算、轉子疲勞壽命與蠕變壽命損耗的計算和監(jiān)測等方面進一步開展研究，擬定優(yōu)化啟動策略，指導機組更優(yōu)的變負荷運行，使機組經濟性、安全性和靈活性的綜合指標趨于最優(yōu)，充分發(fā)揮機組的潛力。

3 燃氣輪機熱部件維護維修策略研究

GE公司的重型燃氣輪機具有很高的可用率，合理的維護維修計劃能減少總體費用，使停機時間保持最短，改善啟動和運行的可靠性及提高機組可用率，進而增加效益。燃氣輪機熱部件按其工作環(huán)境的不同可分為3類，即燃燒系統(tǒng)、熱通道和轉子部件[16]。

對于燃氣輪機的維護，以GE公司為代表的動力設備制造廠在燃氣輪機和聯(lián)合循環(huán)熱力設計、試驗方面經過多年的研究，積累了大量的經驗，采用互相獨立的啟動次數(shù)和運行小時數(shù)來計算維護間隔。GE公司結合互聯(lián)網推出了實時遠程輔助決策服務，通過互聯(lián)網把分布于世界各地的燃氣輪機運行數(shù)據傳輸至設在美國亞特蘭大的控制中心，運行專家憑借計算機程序和專家經驗知識進行分析，得出的診斷結果提供給燃氣輪機運行人員，以幫助決策，使機組安全、穩(wěn)定、經濟地運行[17]，世界范圍內已有百余臺（套）燃氣輪機接入系統(tǒng)。盡管該系統(tǒng)是可靠和安全的，卻不適合在我國使用，原因一方面是服務的價格不菲，另一方面是這種方式采集的數(shù)據不透明，不向當?shù)氐倪\行人員公開，只返回分析結果，特別是在一定權限下，系統(tǒng)甚至可以控制燃氣輪機，因此對機組的安全運行及國家安全造成潛在威脅。

目前，對燃氣輪機熱部件維護維修策略的研究在我國逐漸得到重視。文獻[18]詳細論述了燃氣輪機計劃性檢修中有關維修周期、備件計劃、部件修理和現(xiàn)場檢修便利性問題。文獻[19]從設備定期維護、運行優(yōu)化從而延長機組運行時間，傳統(tǒng)檢修模式與狀態(tài)檢修模式的結合，備品備件配置優(yōu)化等方面論述了延長燃氣輪機檢修周期的檢修策略。文獻[20]提出了基于EOH（等效運行時間）分析的燃氣輪機壽命評估法，根據EOH分析的結果，提出了檢修策略的優(yōu)化方案，分析了影響燃機熱部件壽命的3個主要因素，并在此基礎上詳細討論了各種常用的燃氣輪機壽命評估方法[21]。文獻[22]通過對9F級燃氣輪機熱部件使用壽命影響因素的分析，剖析檢修間隔的計算公式，合理計算出燃氣輪機的檢修間隔，并通過GE有關文件的指導，總結出合理的檢修策略。文獻[23]研究了燃氣輪機燃燒室注水后對排放物、性能和檢修等方面的影響。文獻[24]闡述了SGTS-2000E燃氣輪機的維護和檢修特點，并對如何制定和實施檢修計劃作了詳細說明。華北電力大學、中科院熱物理所和浙江大學等在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電理論和計算機輔助決策系統(tǒng)方面進行了多項研究，雖然和國外的研究成果相比還有一定的距離，但是也取得了不小的成績。浙江大學在這方面作出的研究居于國內前列，文獻[17]研究開發(fā)的輔助決策系統(tǒng)把燃氣輪機分為燃燒系統(tǒng)、熱通道和轉子3類部件，將外因對這3類部件的影響轉化為它們的因素啟動次數(shù)和因素運行時間，由這2個指標來確定維修間隔。

總體來說，國內的研究還處于探索階段，除了浙江大學開發(fā)的輔助決策系統(tǒng)，國內基本沒有非常完善的系統(tǒng)。因此，未來的研究重心應放在研制一套完整的并且通用的符合我國實際情況的燃氣輪機運行和維護輔助決策系統(tǒng)，來指導燃氣輪機及聯(lián)合循環(huán)機組的運行與維護維修工作，這對我國燃氣輪機的應用和發(fā)展具有重要意義。

4 燃氣輪機IGV控制及溫控線優(yōu)化技術研究

某聯(lián)合循環(huán)機組采用DELTA公司生產的臥式三壓再熱自然循環(huán)余熱鍋爐，在燃氣輪機80～160 MW負荷區(qū)域普遍存在主蒸汽容易超溫、溫度最高甚至達到574℃（此時噴水減溫器后蒸汽溫度已接近飽和溫度），引起燃機、汽輪機RB（輔機故障減負荷），極端情況下燃機跳閘。因此，主蒸汽超溫和燃機排煙溫度過高已成為目前亟待解決的問題。其主要原因是：該負荷區(qū)域燃機的排煙溫度已達到649.9℃，IGV溫控介入，IGV的開啟使進入余熱鍋爐的高溫煙氣流量大幅增加，而此時余熱鍋爐高壓蒸發(fā)器所產生的蒸汽量與煙氣流量不匹配，余熱鍋爐在設計時考慮設計工況較多，換熱面積以及蒸汽溫度和減溫水的配置按考核工況進行設計，由于燃氣輪機排煙溫度在整個負荷變化過程中存在駝峰特性，溫度變化為低-高-低，在部分負荷工況下考慮不足，最終導致主蒸汽超溫。

由于資料缺乏，對此問題的研究才剛起步，一些機組出現(xiàn)問題后只能以提高主蒸汽溫度的RB定值來暫時維持運行。文獻[25]介紹了F級燃機的溫度控制策略，在啟動階段，IGV參與燃氣輪機排氣溫度控制，此時采用IGV角度前饋來穩(wěn)定啟動期間的主蒸汽溫度。文獻[26]以GE公司S109FA聯(lián)合循環(huán)機組為例，介紹MarkVI控制系統(tǒng)中燃機溫度控制原理和控制方法。文獻[27]針對PG9171E型燃氣輪機，通過帶部分負荷不投入IGV及帶部分負荷投入IGV的溫度控制方式來修正溫度控制參數(shù)，也就是把IGV的溫度控制基準值從原來的593℃修正到560℃，從而控制燃氣輪機超溫情況。

浙江電科院對此進行了深入的研究，依靠自身技術力量，改進了IGV控制策略并優(yōu)化溫控線控制，解決了余熱鍋爐主蒸汽超溫問題。同時，使燃機在啟動階段的熱通道溫度有所降低，改善了熱部件的工作環(huán)境并延長了熱部件壽命，機組NOX和CO排放與改造前基本持平，由于啟動時間縮短，各污染物排放總量也相應減少。

目前國內的研究未能從本質上改變溫控困難的狀況，只是采取淺層次的溫控參數(shù)修正等措施。而燃機溫控是燃機核心控制技術，需要科研人員通過不斷研究和試驗，優(yōu)化部分負荷時的溫控線，保證主蒸汽溫度自動控制在部分負荷階段能夠投入，并保證溫度不發(fā)生超溫報警，這樣才能從根本上解決國內燃氣輪機運行中普遍存在的主蒸汽容易超溫的問題。

5 結語

本文就大型燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組運行與維護中的若干關鍵技術問題進行了綜述，通過對目前研究狀況的分析，指出了存在的主要問題，并提出了進一步的研究方向。燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術正在逐步成熟，解決這些問題對于聯(lián)合循環(huán)機組的工程實際應用是非常必要和迫切的，對我國電力行業(yè)的發(fā)展具有非常重要的積極意義。

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（本文編輯：徐晗）

Review on Key Technology of Operation and Maintenance for Gas-Steam Combined Cycle Power Generating Units

WU Wenjian1，LI Hongkun2，GU Zhenghao1，CHEN Jianhong2，MAO Zhiwei1，SHENG Deren2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.Institute of Thermal Science and Power System，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China）

Aiming at technical problems in operation,maintenance and overhaul of large gas-steam combined cycle generating units，this paper summarizes research status and analyzes current research focus from four aspects，namely vibration fault in single-shaft gas turbine and steam turbine rotor system，quick start method of combined cycle steam turbine,maintenance and overhaul strategy of thermal parts in gas turbine，optimization technology of IGV control and temperature control line in gas turbine.Meanwhile，the paper points out major problems and puts forward further investigation direction.

combined cycle generating units；vibration fault；quick startup；overhaul and maintenance of thermal parts；temperature control

TK267

：B

：1007-1881（2014）10-0036-04

2014-08-04

吳文?。?968-），男，浙江義烏人，高級工程師，主要從事汽輪發(fā)電機組的振動、葉片、模態(tài)測試分析及診斷研究工作。