徐 明

(湖北華電武昌熱電有限公司，湖北 武漢 430062)

燃?xì)廨啓C運行可靠性的影響因素及應(yīng)對措施

徐 明

(湖北華電武昌熱電有限公司，湖北 武漢 430062)

結(jié)合運行實踐，對影響燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)機組可靠性的因素進行了分析，并著重介紹了提高可靠性的途徑與措施，得出結(jié)論并提出建議，以提高燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)機組的運行可靠性，保證其安全可靠運行。

燃?xì)廨啓C;聯(lián)合循環(huán)機組；可靠性；影響因素；有害雜質(zhì)

0 概述

燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)機組因為具有高效率和低污染等優(yōu)點，在我國得到迅速發(fā)展，因而燃?xì)廨啓C等設(shè)備的運行可靠性越來越受到關(guān)注和重視。某燃?xì)廨啓C電廠1期裝有1套S109E燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)機組，由1臺燃?xì)廨啓C(GT)、1臺無補燃雙壓余熱鍋爐(HRSG)、1臺抽凝汽式汽輪機(ST)組成，即“一拖一”方式。機組出力185 MW，供熱能力121 t/h。天然氣供應(yīng)系統(tǒng)為設(shè)有增壓機的增壓系統(tǒng)。

該廠圍繞提高設(shè)備可靠性，合理安排機組運行方式，加強設(shè)備檢修維護，大力開展科技創(chuàng)新和技術(shù)改造，收到很好成效。機組自2010年投運以來，其等效可用系數(shù)逐年得到提高，近3年年均達到100 %，生產(chǎn)局面安全平穩(wěn)，經(jīng)濟效益和環(huán)保效益顯著。

1 機組可靠性影響因素分析

眾所周知，設(shè)備可靠性是指設(shè)備在規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力。對于燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)機組，其可靠性影響因素除產(chǎn)品設(shè)計制造、機組安裝調(diào)試之外，對已投運的機組，還有以下幾點。

1.1 燃料中的有害雜質(zhì)

燃料中的有害雜質(zhì)主要包括液體、硬質(zhì)顆粒等。

1.1.1 液體

對設(shè)有天然氣增壓站的燃?xì)廨啓C電廠，若天然氣中夾帶液體，首先受到損害的是壓縮機。天然氣中的液滴或水蒸氣沖刷壓縮機中高速旋轉(zhuǎn)的葉片等部件，使其受到損壞。該廠1期9E燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)機組進入帶負(fù)荷試運階段，由于天然氣管網(wǎng)水壓試驗后干燥不徹底，致使天然氣中含有超量的液體進入壓縮機而導(dǎo)致跳機。解體檢查尚未發(fā)現(xiàn)葉片損傷，但軸端處密封環(huán)被液滴沖刷損壞。所幸處于下游的天然氣前置模塊及DLN閥站中的過濾器有效濾除了天然氣中的液體，否則一旦液體隨氣流進入燃?xì)廨啓C內(nèi)，將使其燃燒溫度、機組負(fù)荷快速波動，燃燒室一次燃燒區(qū)復(fù)燃和預(yù)混合火焰逆燃，嚴(yán)重時還會引起高溫燃?xì)馔ǖ啦考p壞。

1.1.2 硬質(zhì)顆粒

增壓站壓縮機葉片為高速旋轉(zhuǎn)部件且較薄，當(dāng)天然氣中含有硬質(zhì)顆粒撞擊葉片表面時，會使其受到刮傷和切削，強度下降，最終導(dǎo)致葉片產(chǎn)生裂紋，甚至折斷。該廠1期9E燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)機組在運行1.6萬h后，壓縮機振動突然增大到90 μm，并伴有金屬摩擦聲，當(dāng)即緊急停機，隨后機組轉(zhuǎn)入大修。在檢修中，發(fā)現(xiàn)壓縮機第2級葉輪的葉片折斷2片，這主要是壓縮機上游的粗過濾器及精過濾器過濾效果較差，未能阻隔天然氣夾帶的超標(biāo)硬質(zhì)顆粒進入壓縮機內(nèi)，從而造成葉片磨損、斷裂。

1.2 環(huán)境空氣污染

燃?xì)廨啓C是以空氣為工質(zhì)的熱能動力裝置。來自經(jīng)壓氣機壓縮后的高壓空氣與燃?xì)廨啓C燃燒室的燃料噴嘴噴入的燃料混合并經(jīng)等壓燃燒，將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芏纬筛邷厝細(xì)膺M入透平膨脹做功。由于機組有效焓降較小，故所需空氣流量很大，當(dāng)環(huán)境空氣污染，所吸入的空氣中含有有害雜質(zhì)時，會對燃?xì)廨啓C的安全可靠性產(chǎn)生很大威脅。例如：當(dāng)空氣中含有碳?xì)浠衔锘蛴姓澈狭Φ钠渌⒘r，就會在壓氣機或透平葉片上形成積垢，使機組壓比、流量、效率等降低，出力減少，熱經(jīng)濟性變差。又如：空氣中的硬質(zhì)顆粒雜質(zhì)不斷高速沖刷葉片，致使葉片變薄、強度減弱，會埋下發(fā)生葉片折斷事故的隱患。

1.3 大氣參數(shù)變化

大氣參數(shù)，即設(shè)備周圍的環(huán)境溫度、大氣壓力和空氣濕度等，它們的變化會影響燃?xì)廨啓C性能，其中以環(huán)境溫度的變化對其影響最大。當(dāng)大氣溫度升高時，壓氣機比壓下降，空氣比容增加，使空氣質(zhì)量減少，從而導(dǎo)致機組出力降低。試驗表明，大氣溫度每升高10 ℃，機組出力下降約9 %，效率下降約6 %。該廠地處武漢市城區(qū)，夏季大氣溫度多在35 ℃以上，在此期間的燃?xì)廨啓C平均出力僅為額定出力的80 %左右，機組效率亦明顯惡化。

1.4 機組非正常運行

1.4.1 機組非正常啟停

燃?xì)廨啓C每次從啟動到帶負(fù)荷運行再到停機的一個完整過程，即為啟停循環(huán)。此循環(huán)過程中燃?xì)獬鯗貙⒀杆僮兓?，因透平動、靜葉片進氣邊比葉型中較厚的部分反應(yīng)快，故在葉型內(nèi)形成較大的溫度梯度，產(chǎn)生熱應(yīng)力，最終可能會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。大多數(shù)燃?xì)廨啓C及其聯(lián)合循環(huán)機組承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)，啟停頻繁，因而熱力機械疲勞是影響機組壽命的重要因素。這就是調(diào)峰機組比連續(xù)運行和啟動次數(shù)少的同類型機組壽命要短的原因所在。非正常啟停對機組的壽命影響更大，如緊急啟動，要求機組在5 min內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)升速、加載到滿負(fù)荷，它對機組壽命的影響相當(dāng)于20次正常啟停。此外，機組正常啟動后快速加負(fù)荷對機組壽命的影響，相當(dāng)于2次正常啟停操作。

1.4.2 機組非常規(guī)運行方式

尖峰負(fù)荷運行，相對于基本負(fù)荷運行來說，實質(zhì)上是一種超溫運行模式。對GE公司生產(chǎn)的9E型燃?xì)廨啓C，其透平進口溫度一般比帶基本負(fù)荷時高56 ℃，從透平動葉看，尖峰負(fù)荷運行1 h，相當(dāng)于基本負(fù)荷運行6 h。因此，透平進口溫度是影響高溫部件壽命的一個關(guān)鍵因素，提高透平進口溫度運行存在風(fēng)險。還有，在滿負(fù)荷工況下運行的機組突然跳閘甩負(fù)荷時，透平的噴嘴和葉片會產(chǎn)生熱應(yīng)力，可能由此而產(chǎn)生裂紋。這種異常運行情況發(fā)生1次，對機組壽命的影響相當(dāng)于8次正常啟停。

2 提高機組運行可靠性的措施

為保證機組運行的安全可靠性和熱經(jīng)濟性，以及使設(shè)備處于良好的備用狀態(tài)，針對影響機組運行可靠性的因素，并結(jié)合該廠幾年來的運行實踐，實施提高機組可靠性的措施，并取得明顯成效。

2.1 加強日常設(shè)備運行維護

2.1.1 維持過濾裝置高效運行

維持燃?xì)廨啓C進氣系統(tǒng)和天然氣供應(yīng)系統(tǒng)中的過濾裝置高效運行。燃?xì)廨啓C進氣(空氣)系統(tǒng)的自清式過濾器，應(yīng)能濾除5—10 μm直徑粉塵顆粒，并根據(jù)時間或壓差的設(shè)定值，輪流進行反吹。經(jīng)過吹掃壓差仍然超過設(shè)定值的，應(yīng)更換濾芯，以保持系統(tǒng)氣流暢通，避免因過濾器堵塞而引發(fā)機組降出力事件。經(jīng)過天然氣供應(yīng)系統(tǒng)中的增壓站粗、精過濾器，前置模塊中的雙聯(lián)過濾器，以及DLN閥站中的精過濾器多級濾除，天然氣中的雜質(zhì)含量不得超出GE公司規(guī)定的極限值。當(dāng)過濾器進出口壓差達到報警值時，須及時清理或更新濾芯，使其通過的天然氣流量滿足機組帶負(fù)荷的需要。此外，天然氣液體含量達到故障限值時，要發(fā)出停機信號。

2.1.2 燃?xì)廨啓C清洗

及時對燃?xì)廨啓C的壓氣機和透平進行清洗，可減少葉片積垢和腐蝕，恢復(fù)機組性能，延長部件壽命。水洗壓氣機的周期由壓氣機葉片結(jié)垢程度決定。當(dāng)機組性能指標(biāo)惡化，出力下降2 %—5 %時，就應(yīng)對壓氣機進行清洗。清洗主要在停機狀態(tài)下完成，即離線清洗，而在線清洗(機組全速帶部分負(fù)荷清洗)只能作為離線清洗的補充。在壓氣機進行幾個周期的水洗后，亦應(yīng)適當(dāng)對透平進行離線水洗。

2.1.3 孔探儀檢查

孔探儀(內(nèi)窺鏡)檢查是燃?xì)廨啓C預(yù)防性維護的一種常用手段。它是在不解體燃?xì)廨啓C的情況下，打開機組上的檢查孔，將孔探儀的探頭插入即可對燃?xì)廨啓C易損的熱通道部分、透平噴嘴和動葉片，以及壓氣機葉片等部位進行窺視檢查，以判斷機組是否需要修理或更換部分零件，及是否需要對通流部分的積垢進行清洗。這種檢查方式簡便實用，既可及時發(fā)現(xiàn)隱患，防止重大事故的發(fā)生；又可避免不必要的解體檢修，能在有效降低維護費用的情況下，獲得較長的使用壽命和確保機組在良好的狀態(tài)下安全運行?？滋礁Q視檢查周期：對燃用天然氣的燃?xì)廨啓C每年至少檢查1次，或根據(jù)運行經(jīng)驗適當(dāng)增加檢查次數(shù)。

2.2 優(yōu)化機組運行方式

須嚴(yán)格按制造廠編制的燃?xì)廨啓C啟動及加載曲線進行機組的啟動操作，保證啟動過程平穩(wěn)、安全。GE公司給出的9E型燃?xì)廨啓C的啟動時間如下：升速時間為8.17 min，到全速空載的總時間為15 min，到帶基本負(fù)荷的總時間為20.17 min?？焖賳訉C組壽命不利，一般不予采用。

燃?xì)廨啓C超載運行情況如下。

(1) 在超過大氣溫度所對應(yīng)的出力下運行，會造成超溫運行(即尖峰負(fù)荷對應(yīng)于基本負(fù)荷的超溫運行)，導(dǎo)致壽命縮短，可靠性下降，維修工作量增加，應(yīng)予以避免。

(2) 在低大氣溫度下超過最大負(fù)載限制運行。當(dāng)大氣溫度降低時，燃?xì)廨啓C出力增加，雖然此時未超過透平的額定進口溫度，但超過了燃?xì)廨啓C轉(zhuǎn)子的設(shè)計應(yīng)力，會影響設(shè)備壽命。故制造廠設(shè)定有一個大氣溫度的低限，提出了燃?xì)廨啓C在此溫度下負(fù)載的極限值。當(dāng)大氣溫度下降時，不允許負(fù)載超過這一限值，即機組最大負(fù)荷限制。

總之，運行人員必須按制造廠的有關(guān)規(guī)定和運行規(guī)程進行操作、調(diào)整，并優(yōu)化運行方式，確保機組長期安全經(jīng)濟運行。

2.3 合理確定機組檢修周期

機組經(jīng)過長期運行后，由于設(shè)備老化、動靜間隙變大以及積垢等原因，出力和效率都會下降，需要通過檢修等手段來恢復(fù)性能，提高機組運行的安全和經(jīng)濟性。

GE公司推薦了在以天然氣為燃料的9E型燃?xì)廨啓C正常啟停、帶基本負(fù)荷運行，以及無蒸汽或水噴射工況條件下的檢修周期：燃燒室檢查8 000/800(運行時間，h/啟動次數(shù)，次，下同)；熱通道檢查24 000/1 200；大修48 000/2 400。實際上，機組的運行條件不可能是理想的，要根據(jù)實際運行情況對所建議的檢修周期加以修正，從而得出實際的檢修周期。

為保證檢修質(zhì)量，修前需編制科學(xué)詳實的檢修計劃、工藝要求、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)；檢修過程中，認(rèn)真做好質(zhì)量監(jiān)督和驗收；檢修后如實進行質(zhì)量及工藝評價和總結(jié)，做到“應(yīng)修必修，修必修好”。

2.4 實施科技創(chuàng)新和技術(shù)改造

該廠圍繞提高設(shè)備的可靠性，針對在運行中出現(xiàn)的問題，積極穩(wěn)妥地開展科技創(chuàng)新和技術(shù)改造。

(1) 增壓站天然氣入口過濾裝置改進。增壓站一級過濾器(粗過濾器)，是管網(wǎng)天然氣輸入電廠的首級過濾裝置，要把好入口關(guān)，將天然氣中的有害雜質(zhì)予以濾除，其對保證進入燃?xì)廨啓C的天然氣純度至關(guān)重要。該型過濾器的結(jié)構(gòu)是第1段為擋板分離，第2段為凝聚式濾芯過濾。由于天然氣進入過濾器下部的第1段僅靠與擋板的撞擊將較大的固體顆粒和液滴在重力作用下分離出來，分離效果差。經(jīng)分析論證后，將擋板拆除，改為旋風(fēng)分離。旋風(fēng)分離的原理是:天然氣由下部進入過濾器的旋風(fēng)管束形成旋流，由于顆粒或液滴與天然氣的密度不同，會在離心力的作用下被分離出來，落到過濾器的底部被排走。經(jīng)第1段過濾后的天然氣再流入第2段進一步由凝聚式濾芯過濾。運行表明，經(jīng)此改進，其過濾效率得到明顯提高。

(2) 增壓站壓縮機實現(xiàn)并聯(lián)運行。該廠2期9E燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)機組建成后，將2套機組增壓站的2臺壓縮機出口天然氣管并聯(lián)，并在聯(lián)絡(luò)母管上裝設(shè)聯(lián)通門，實現(xiàn)2臺壓縮機互為備用，提升了機組的安全可靠性。例如：當(dāng)一臺壓縮機故障跳機時，另一臺正在運行的壓縮機可以通過聯(lián)通門向故障停運的壓縮機下游的燃?xì)廨啓C繼續(xù)供應(yīng)天然氣。這樣，雖然2套機組的負(fù)荷有所減少，但避免了因壓縮機故障而使其下游的聯(lián)合循環(huán)機組緊急停機。

(3) 防止壓縮機潤滑油系統(tǒng)失壓、斷油。天然氣增壓站中的壓縮機，是天然氣供應(yīng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其技術(shù)性能直接影響下游燃?xì)廨啓C聯(lián)合循環(huán)機組的安全可靠運行。第1套聯(lián)合循環(huán)機組增壓站中的壓縮機系德國制造，其潤滑油系統(tǒng)未設(shè)計應(yīng)急油供應(yīng)裝置，如應(yīng)急直流油泵、高位油箱、蓄能器等。在機組安裝調(diào)試期間因廠用變壓器跳閘斷電，致使正在空載滿速試運中的壓縮機主、輔助潤滑油泵失壓斷油，導(dǎo)致壓縮機電動機軸承燒毀。為此，在其潤滑油系統(tǒng)上加裝了直流潤滑油泵，并根據(jù)第2套聯(lián)合循環(huán)機組中增壓站壓縮機油系統(tǒng)的特點，設(shè)計和安裝了高位油箱。2套機組中的壓縮機潤滑油系統(tǒng)經(jīng)此完善后，有效防止了因廠用電中斷而造成的系統(tǒng)斷油所帶來的設(shè)備損壞事故。

(4) 閉式循環(huán)冷卻水泵變頻調(diào)速技術(shù)的應(yīng)用。天然氣在壓縮機內(nèi)的壓縮過程中，伴隨著壓力的升高，其溫度也相應(yīng)升高，直到壓縮機出口達150 ℃左右，而燃?xì)廨啓C對其進口的天然氣溫度要求為65 ℃。故在壓縮機出口設(shè)置天然氣冷卻器(簡稱“高冷”)，通過流經(jīng)高冷的閉式循環(huán)冷卻水，將天然氣溫度降至符合燃?xì)廨啓C要求的溫度。然而實際運行情況是，每到冬季，因進入冷卻器的冷卻水溫下降，使進入燃?xì)廨啓C的天然氣溫度僅36 ℃左右。為適應(yīng)季節(jié)的變化調(diào)整進入冷卻器的冷卻水量，以保持進入燃?xì)廨啓C的天然氣溫度維持在規(guī)定值而不受環(huán)境溫度的影響，將閉式循環(huán)水泵電動機改為變頻調(diào)速是一種行之有效的措施。該泵實現(xiàn)變頻調(diào)速后，當(dāng)環(huán)境溫度降低時，通過變頻調(diào)速，使流入冷卻器的冷卻水量相應(yīng)減少(因離心水泵的流量與其水泵轉(zhuǎn)速的一次方成正比，即轉(zhuǎn)速降低，流量也相應(yīng)減少)，以保持天然氣進入燃?xì)廨啓C的溫度始終在60—65 ℃。其好處是，不僅使天然氣溫度大大超過其露點溫度(28 ℃)成為“干氣”，而且有較高的過熱度，改善了燃?xì)廨啓C的燃燒條件，有利于機組運行的可靠性和經(jīng)濟性。

(5) 優(yōu)化壓縮空氣系統(tǒng)。全廠配備有3路壓縮空氣系統(tǒng)。第1路設(shè)置2臺空壓機，供增壓站儀表用氣、制氮機制氮用氣和檢修用氣。第2路為燃?xì)廨啓C自帶的空壓機，供機組啟動過程中的儀表用氣及燃?xì)廨啓C空氣進氣系統(tǒng)中自清式過濾裝置的反吹用氣。第3路從燃?xì)廨啓C壓氣機抽出壓縮空氣，通過燃?xì)廨啓C自帶空壓機出口管，用于機組正常運行時替代自帶空壓機向其相應(yīng)設(shè)備提供氣源。為提高空氣壓縮系統(tǒng)的運行可靠性，經(jīng)技術(shù)論證，將3路系統(tǒng)并聯(lián)起來互為備用是完全可行的。其中，因壓氣機抽氣壓力稍高于空壓機出口的壓縮空氣壓力，故在壓氣機抽氣管路上增裝減壓閥，將抽氣壓力降至與空壓機出口壓縮空氣壓力等級相同的壓力，即0.7—0.8 MPa。

3 結(jié)論與建議

(1) 不斷提高設(shè)備可靠性和健康水平，是使機組處于長期穩(wěn)定運行狀態(tài)的重要保證，也是電力企業(yè)管理的永恒主題。該廠根據(jù)燃?xì)廨啓C的性能特點和現(xiàn)場實際，在分析影響機組可靠性因素的基礎(chǔ)上，制定和實施了改善和提高其可靠性的措施，成效顯著，為機組安全經(jīng)濟運行創(chuàng)造了條件。

(2) 加強機組運行維護，及時發(fā)現(xiàn)和處理缺陷、消除隱患，是減少機組降出力事件和非計劃停運次數(shù)，提高設(shè)備等效可用系數(shù)的有效手段。

(3) 合理確定機組檢修間隔、保證檢修質(zhì)量，是延長其使用壽命，保持良好運行或備用狀態(tài)的重要一環(huán)。

(4) 經(jīng)科學(xué)論證，有針對性地實施技術(shù)改進和改造，應(yīng)用和推廣新技術(shù)，完善相關(guān)配套的輔助設(shè)備和系統(tǒng)，可以達到提升機組性能、設(shè)備功能和健康水平的目的。

1 楊順虎．燃?xì)?蒸氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電設(shè)備及運行[M]．北京：中國電力出版社，2003.

2 焦樹建．燃?xì)?蒸氣聯(lián)合循環(huán)[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2000.

3 國家能源局．DL/T 793—2012發(fā)電設(shè)備可靠性評價規(guī)程[S]．北京：中國電力出版社，2012.

2017-03-27；

2017-05-20。

徐 明(1971—)，男，高級工程師，主要從事燃?xì)廨啓C電廠技術(shù)管理工作，email：wcrd-xuming@163.com。