岳 彭，臧 軍,魏昌淼,李金奇

(1. 海軍裝備部駐無錫地區(qū)軍事代表室，江蘇 無錫 214151；2. 中國船舶集團公司第七〇三研究所無錫分部，江蘇 無錫 214151)

燃氣輪機作為一種動力源，廣泛應用于機車、發(fā)電、工業(yè)驅動、船舶動力等方面[1]。某型燃氣輪機主要由低壓壓氣機、高壓壓氣機、動力渦輪三軸結構構成。燃氣輪機完成工作后或出現(xiàn)故障時，應執(zhí)行停機程序。停機類型主要包括正常停機、手動緊急停機、故障保護停機。

正常停機指燃氣輪機完成工作后，當按下正常停機按鈕后，燃氣輪機從使用工況降至空負荷工況，在空負荷工況運行規(guī)定時間后，關閉燃料供應閥等一系列電磁閥動作，完成停機程序。燃氣輪機的正常停機是燃氣輪機的主要停機類型，用于保證燃氣輪機的均勻冷卻。

手動緊急停機指在必要的情況下需要燃氣輪機運行人員立刻停機，如當維護人員有危險時、發(fā)現(xiàn)燃氣輪機出現(xiàn)非正常工作的噪聲時、有燃油或者滑油大量泄露時、在工作的燃氣輪機上不可能滅火時等突發(fā)情況，手動緊急停機是燃氣輪機在任意工況，且在沒有空負荷工況冷卻的情況下快速停機。

故障保護停機指當燃氣輪機某一指標不滿足運行要求出現(xiàn)安全隱患時，為了保護機組的安全，燃氣輪機進行故障停機保護，如起動過程滑油回油壓力低停機保護、起動過程燃氣超溫停機保護、起動過程點火失敗停機保護、工況運行后動力渦輪超速停機保護等情況，故障停機保護也是燃氣輪機在任意工況下，且在沒有空負荷工況冷卻的情況下快速停機。

正常停機是使用最多的停機方式，在燃氣輪機實際運行過程中，出現(xiàn)過包含起動過程中的故障保護停機、工況運行中的故障保護停機在內的多次案例，故障保護停機是出現(xiàn)過最多的非正常停機。

燃氣輪機長時間高工況運行時，當出現(xiàn)突發(fā)停機故障，如故障保護停機或人為手動停機時，燃氣輪機外機匣與大氣接觸散熱快，而內部高壓渦輪、低壓渦輪等旋轉熱部件散熱較慢，如果不做任何處置，熱脹冷縮作用將會造成內部旋轉熱部件與機匣接觸，出現(xiàn)轉子卡滯現(xiàn)象，進而造成轉子熱彎曲。因此，在各類停機中，燃氣輪機高工況運行突發(fā)緊急停機破壞性最大，嚴重影響到機組的運行穩(wěn)定性。針對燃氣輪機動靜碰磨問題，文獻[2]以M701F燃氣輪機為對象進行了詳盡的分析。

1 高工況運行突發(fā)停機故障案例

1.1 故障現(xiàn)象

某臺燃氣輪機在1.0工況運行十余個小時后監(jiān)控系統(tǒng)突發(fā)動力渦輪超速保護報警，燃氣輪機執(zhí)行停機程序。停機后運行人員查詢歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，動力渦輪轉速出現(xiàn)波動，如圖1所示，動力渦輪轉速超出停機限值。動力渦輪拖動的水力測功器轉速與動力渦輪轉速顯示一致，也出現(xiàn)轉速波動的現(xiàn)象。在停機過程中，高壓轉子及低壓轉子平穩(wěn)下降。

圖1 動力渦輪轉速變化圖

1.2 故障分析及處置

上述停機后，運行人員進行了以下分析及處置：

(1) 根據(jù)故障現(xiàn)象，針對動力渦輪轉速及其所拖動的水力測功器轉速均未出現(xiàn)波動，且兩者轉速一致，排除動力渦輪轉速測量系統(tǒng)出現(xiàn)故障。動力渦輪實際轉速出現(xiàn)了超速現(xiàn)象，以致觸發(fā)燃氣輪機動力渦輪超速停機保護。

(2) 運行人員遙控操作水力測功器進水閥門隨指令動作情況，檢查發(fā)現(xiàn)水力測功器進水閥門在40°指令時，實際閥門在35°～45°的開度區(qū)間來回波動，依據(jù)該現(xiàn)象，運行人員判斷在上述1.0工況時，由于進水閥門處于40°的開指令，而進水閥門實際開度存在波動現(xiàn)象，當進水閥門實際開度小于40°時，水力測功器進水量減少，從而造成動力渦輪轉速升高，當動力渦輪轉速超過4 200 r/min的停機保護值時，觸發(fā)了動力渦輪超速停機保護。因此該故障判斷為水力測功器進水閥門開度異常，導致動力渦輪轉速波動超限停機。

(3) 低壓壓氣機轉子、高壓壓氣機轉子轉速平滑下降，運行人員判斷低壓渦輪及高壓渦輪在停機過程中與燃氣輪機外機匣尚未發(fā)生動靜接觸的現(xiàn)象，同時本次1.0工況觸發(fā)緊急停機是因為水力測功器進水閥門開度異常引起，因此可緊急起動燃氣輪機至空負荷工況。

(4) 運行人員完成規(guī)定起機檢查后，第一時間再次啟動燃氣輪機。高工況停機下的燃氣輪機沒有空負荷工況的冷卻，燃氣溫度仍較高，若不采取措施，在起動燃氣輪機過程中將會出現(xiàn)燃氣超溫現(xiàn)象，進而引發(fā)起動過程燃氣超溫停機故障，將再次觸發(fā)故障停機保護。為避免出現(xiàn)起動過程超溫停機保護，運行人員通過手動燃料劇減按鈕，拉低油門來減少燃油供應量，啟動過程燃油壓力及燃氣溫度如圖2、圖3所示。

圖2 燃氣輪機緊急啟動燃油圖

圖3 燃氣輪機緊急啟動燃氣溫度圖

起動過程合理地控制燃油量，燃氣輪機順利進入空負荷工況，空負荷工況運行20 min后正常停機，從而避免了高工況停機后由于高壓渦輪、低壓渦輪及外機匣冷卻不均勻，造成動靜接觸、轉子出現(xiàn)卡滯的故障。

2 突發(fā)停機故障分析及處置策略

當燃氣輪機發(fā)生高工況停機后，為保護機組，應正確處置高工況停機故障，如果處理不當，不僅不能避免轉子卡滯的故障，而且可能給機組帶來二次故障損害。依據(jù)燃氣輪機結構原理、起動供油原理、運行原理，并結合多次燃氣輪機高工況突發(fā)停機處置成功的案例分析，當故障發(fā)生時，應進行以下分析處置：

(1) 關注停機過程低壓轉子、高壓轉子惰轉時間是否減少，監(jiān)聽燃氣輪機是否有異常刮擦雜音。

(2) 迅速判斷燃氣輪機停機原因，是否可以快速排除故障，是否具備再次緊急起動的條件，是否可以適當改變以滿足起動連鎖使之具備起動條件，比如當發(fā)生冷卻空氣擋板或通風擋板關閉造成的燃氣輪機高工況突發(fā)停機，可第一時間將冷卻空氣擋板或通風擋板控制方式由遙控切到手動，手動打開，為再次緊急起動創(chuàng)造條件。

(3) 若停機過程中轉子轉動情況未發(fā)現(xiàn)異常，同時具備再次起動條件，應在停機過程中，抓住時機完成備車條件，當起動連鎖條件通過后，立即起動燃氣輪機。高工況停機由于機體未經(jīng)過冷卻，停機后燃氣溫度存在較高的情況，如果措施不當，起動過程極易出現(xiàn)燃氣超溫故障保護停機，給機組帶來二次損傷。燃氣輪機緊急起動控制系統(tǒng)發(fā)出點火指令、燃油閥開指令后，由于機組內部過熱，因此燃油極易著火。點火成功后，會出現(xiàn)燃氣溫度快速升高的現(xiàn)象，此時應密切關注燃氣溫度上升速率，通過手動按下燃料劇減按鈕，油門控制系統(tǒng)快速拉低油門，來減少燃油供應量以減緩燃氣溫度快速上升趨勢，如圖3所示，當燃氣溫度達到峰值開始下降后，為保證燃氣輪機順利進入空負荷，此時應手動取消燃料劇減控制方式，恢復原燃油供應。順利起動進入空負荷工況的燃氣輪機，在空負荷工況運行正常停機程序規(guī)定的冷卻時間后正常停機，從而消除了高工況突發(fā)停機后可能造成的轉子卡滯故障。在起動過程中，應嚴密監(jiān)視轉子升速，若出現(xiàn)轉速異常降低，可判斷為轉子出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象，此時應手動緊急停機，終止起動，處置流程如圖4所示。

圖4 燃氣輪機高工況突發(fā)停機故障處置流程

(4) 若燃氣輪機高工況停機后，不具備再次起動條件，應立即對燃氣輪機進行兩次工藝冷吹長時間冷卻通流部分，同時冷吹過程密切關注轉子轉速是否比正常轉速偏低，是否有異常噪聲，若出現(xiàn)轉子卡滯現(xiàn)象應立即緊急停機。若燃氣輪機出現(xiàn)轉子卡滯后，應保持機組滑油循環(huán)的正常工作，保證滑油循環(huán)冷卻轉子軸承。根據(jù)經(jīng)驗，一般卡滯幾個小時后，檢查低壓壓氣機、高壓壓氣機轉子能否正常手動盤車。當轉子可以盤動后，應密切關注是否存在葉片與機匣刮擦聲，若有刮擦聲，應確保機組繼續(xù)自然冷卻。若轉子盤車恢復正常，應進行兩次冷吹，關注低壓、高壓轉子轉速以及惰轉時間是否正常。當滑油中無金屬屑、燃氣輪機出口滑油溫度不超限、冷吹情況正常等檢查確認后，方可再次起動燃氣輪機。

高工況停機故障，故障具有非預期性。當故障發(fā)生時，處置故障路徑應明確，故障點應定位準確，以在最短的時間內快速排除故障，維護燃氣輪機可靠運行。同時為避免故障的發(fā)生，應加強預防性維護工作[3-4]。

3 預防突發(fā)停機故障維護策略

在燃氣輪機高工況運行中，主要有燃油壓力低停機保護、滑油壓力低停機保護、動力渦輪超速停機保護、燃氣超溫停機保護、冷卻空氣擋板關閉高工況停機、通風擋板關閉停機保護。為預防燃氣輪機高工況突發(fā)停機故障，應對可能造成燃氣輪機停機的方面加強維護。

(1) 為預防滑油壓力低、燃油壓力低停機故障，應加強運行巡視：確保各油道管線無泄漏點，保證滑油箱、燃油箱液位在規(guī)定區(qū)間；密切關注機組進口燃油壓力調節(jié)閥工作狀態(tài)，防止調節(jié)閥工作異常，以致燃油壓力過低造成停機；關注油濾污染情況，當濾器前后壓差較大時，應及時更換。

(2) 動力渦輪周向設有三根轉速傳感器，任何一個轉速測量超限均會造成停機。為防止轉速測量故障，應定期對轉速測量系統(tǒng)進行預防性檢查，如轉速傳感器處端子接線情況及轉速信號傳輸線路情況檢查[5]。關注動力渦輪負載狀態(tài)，如水力測功器進出水閥門異常均會導致進出水流量的變化，從而影響動力渦輪轉速變化。定期對進出水閥門系統(tǒng)進行檢查，確保進出水閥門工作的穩(wěn)定性，當運行過程中進出水閥門出現(xiàn)異常情況，應及時降工況，排除故障后方可恢復高工況運行。

(3) 為防止燃氣溫度超限，運行時應注意嚴禁超負荷運行；當夏季環(huán)境較高時，在燃氣溫度允許的條件下保證使用功率的輸出；定期對熱電偶測溫系統(tǒng)進行檢查，防止溫度測量故障造成停機。

(4) 為保護箱裝體內機組及各控制零部件的冷卻，設有通風擋板、冷卻空氣擋板關閉停機保護。應定期對通風擋板系統(tǒng)、冷卻空氣擋板系統(tǒng)進行檢查，每次開機前務必操作試驗開、關情況。根據(jù)以往故障案例，運行過程中應關注擋板工作所需的壓縮空氣氣壓，避免氣管泄露造成氣壓意外降低，同時對擋板開位置反饋信號線路進行定期維護檢查，防止線路松動給運行帶來安全隱患。

4 總結

本文從某型燃氣輪機運行原理和長期運行經(jīng)驗出發(fā)，對機組出現(xiàn)的高工況突發(fā)停機故障進行總結分析，為燃氣輪機高工況突發(fā)停機故障提出了處置策略。同時對燃氣輪機高工況運行中可能造成突發(fā)停機的因素進行分析，并提出了相關處置措施，可通過相關維護策略來避免停機故障的發(fā)生，對燃氣輪機預防故障發(fā)生、維護可靠穩(wěn)定運行具有建設性意義。