燃气轮机运维的关键技术、挑战与思考

引言

燃气轮机发电在我国能源结构中占据重要地位，尤其在经济发达、人口稠密的沿海地区。与传统火电相比，燃气发电具有占地面积小、建设周期短、运行灵活、启停迅速等优势，对节能减排、提高供电安全性、促进经济可持续发展等方面具有显著贡献。然而，燃气轮机在实际运行中面临诸多挑战，如设备维护管理不到位、高频率重启、超负荷运行等问题，严重影响机组的安全经济运行，带来运行和维护的新挑战。

燃气轮机运维的主要问题

1.检修人员专业技能不足：燃气轮机发电设备多由国外进口，国内技术人员虽熟悉发电设备，但对国外燃气轮机技术应用背景了解不足，导致设备日常维护管理不到位，设备损耗严重。

2.设备高频率重启：发电厂为提升工作效率，采用倒班制，导致设备频繁关停和重启，对燃气轮机的叶轮和内部电路设备造成损耗，长期积累可能导致设备提前报废。

3.维修耗材费用较高：燃气轮机设备零部件需要进口，维修管理不及时，导致发电厂设备维修速度慢，经济投入大。

4.发电设备超负荷运行：燃气轮机发电设备需要持续稳定运行以保证电力供应，但超负荷运行会导致设备老化和寿命缩短，增加故障发生率。

5.备件供应与检修周期：由于燃气轮机备件制造水平和检修技术相对薄弱，备件供应和检修周期成为制约运维效率的重要因素。制造商主导的检修模式也限制了发电厂在检修周期和范围方面的自主权。

燃气轮机检修特点与周期

燃气轮机的检修主要分为小修、中修和大修，检修周期根据制造商规定的等效运行时间（EOH）或启动次数确定。

表1 各种燃气轮机的检修周期对比

目前，燃气轮机检修多采用计划性检修模式，围绕热通道部件的状态进行。然而，这种检修模式存在一定局限性，燃机电厂在检修周期和检修范围方面自主权有限。因此，众多燃机电厂开始采取状态监控、视情维修和定期维修相结合的综合性维护方式。

表2 燃机状态检修管理的具体收益

影响燃气轮机机组检修周期的关键因素包括运行方式、燃烧温度、燃料类型、运行时间、启动次数及空气质量等。对于调峰负荷运行的机组，热力机械疲劳是影响机组寿命的主要因素。因此，在制定检修策略时，需要综合考虑这些因素对机组性能的影响。

表3 GE 公司9FA燃机检修周期

燃气轮机运维关键技术

1.远程监测与故障诊断：通过采集燃气轮机运行过程中的实时数据，进行传输、存储和管理，再利用监测及诊断系统对数据进行挖掘，预测机组性能衰退及未来运行状况。这种基于状态的维护方式被认为是未来燃气轮机维护技术的发展方向。

图1 燃气轮机远程监测与故障诊断整体架构

●神经网络诊断技术：通过溯源诊断法，结合机器故障征兆追溯故障源头。具有关联记忆和容错性强的特点，但诊断时间较长且对存储故障无能为力。

●专家系统诊断技术：总结历史故障经验并形成解决方案。简单易用但缺乏对新问题的处理能力。

●混合智能故障诊断：结合神经网络和专家系统的优势，同时考虑历史经验、故障源头和机组参数进行查询调整。适用于特殊参数的燃气轮机。

2.应用情况：各大燃机公司推出了许多与燃气发电远程监测与故障诊断相关的技术平台或系统，如Solar公司的Insight系统、SKF公司的LM系统、以及Bently公司的SYSTEM1 系统等。GE 公司结合互联网也推出了实时远程辅助决策服务，将分布于世界各地的燃气轮机运行数据传输至远程控制中心，这些系统和手段为燃气轮机的安全经济运行提供了技术保障。

燃气轮机的常见故障（热部件）

按一个大修周期计算，一台９ＦＡ燃机的年运行与检修费用在３５００万元左右，其中热部件的维修费用约占检修成本的８０％。燃机的高温部件包括燃烧系统部件和热通道部件：燃烧系统部件包括火焰筒、过渡段、燃料喷嘴、联焰管等；热通道部件包括透平静叶片、动叶片、护环等。因此，燃机电厂设备管理的重点是燃机，而燃机设备管理的重点是高温部件。

1. 燃机部件的热疲劳

热疲劳是燃气轮机部件常见的故障之一。由于燃气轮机在运行过程中会经历频繁的启动、加速、加载和停机等阶段，这些阶段会导致燃气温度和部件温度发生快速变化，从而在部件中产生热应力。长时间的热应力作用会导致部件出现裂纹、变形等损伤，严重影响燃气轮机的安全运行。

此外，燃气轮机叶片等高温部件在点火启动和加载过程中，由于温度迅速上升，叶片各部分会产生热应力，导致叶片收缩过快并造成损伤。在停机过程中，由于热应力的作用，叶片等部件也会受到损伤，从而导致涡轮叶片开裂等问题。

2. 燃机部件的蠕变

蠕变是燃气轮机高温部件在长期高温环境下发生的一种塑性变形现象。由于高温和应力的共同作用，部件材料会逐渐发生蠕变，导致部件形状和尺寸发生变化，进而影响燃气轮机的性能和安全运行。蠕变现象的发生与材料的性质、温度、应力等因素有关，因此需要在材料选择和结构设计等方面进行充分考虑。

3. 燃机部件的氧化和腐蚀

燃气轮机高温部件在长期运行过程中还会发生氧化和腐蚀现象。由于高温和高压的作用，燃气中的氧气、水蒸气等物质会与部件材料发生化学反应，导致部件表面生成氧化物或腐蚀产物。这些产物会附着在部件表面，影响部件的传热和冷却效果，从而加速部件的损坏。此外，一些腐蚀性物质还会侵蚀部件材料，导致部件强度和韧性下降，进一步影响燃气轮机的安全运行。

为了防止氧化和腐蚀现象的发生，通常会在部件表面涂抹保护涂层。然而，在长期运行过程中，保护涂层可能会逐渐失效或剥落，导致部件失去保护而暴露在高温和腐蚀性环境中。因此，需要定期检查和维护涂层的状态，及时更换或修复损坏的涂层。

4.高温部件故障类型

燃机高温部件长期在高温环境下运行，会出现基体材料和涂层材料的性能退化，出现腐蚀、烧蚀、翅曲、变形、剥落、裂纹、龟裂、掉块、断裂等故障。按故障后果的严重程度，燃机高温部件的故障可分为以下三类：

（１）危险性故障。这类故障一旦出现，发展极为迅速，在较短的时间内高温部件就会损坏或断裂而造成严重事故，如透平动叶出气边裂纹、叶身下部横向裂纹等。

（２）稳定性故障。这类故障出现后，可以稳定下来，不继续发展，或者缓慢发展；有时可长期存在于高温部件中，不会产生损坏或断裂，如透平静叶的叶身裂纹和出气边裂纹等。

（３）过渡性故障。这类故障出现以后，开始发展较为缓慢，但是发展到一定的阶段，在一定的累计运行时间以后，裂纹扩展速度加快，造成高温部件破坏或断裂，如透平动叶的叶身龟裂、火焰筒与过渡段壁上裂纹等。

发电厂燃气轮机检修运行的改进策略

为了确保燃气轮机的稳定、高效运行，检修运行的改进策略尤为重要。以下是关于燃气轮机检修运行的一些改进策略：

一、日常检查与维护

1.振动问题处理：利用振动显示仪定期对燃气轮机进行检测，一旦发现异常波动，及时停机检查，防止超负荷运行导致设备损伤。

2.热通道维护：定期对燃气轮机的气缸、叶片、火焰管等进行检查，合理安排清洗时间，以防止结垢影响使用寿命。

3.进气系统维护：定期更换进气过滤器，确保进气质量和颗粒大小符合要求，保证滤除5~10 μm 直径粉尘颗粒.防止对压气叶片、轴承等部件造成损伤。同时，优化进气系统和天然气供应系统的维护策略，特别是对过滤装置等核心部件的维护。

4.燃气轮机清洗：在实际运行中，及时对机组观察，当发现性能指标出力下降2%~5%时，及时对压气机进行清洗，以保持机组性能稳定，并延长零件寿命。离线清洗是首选方法，以保证清洗效果和安全性。

5.制定检查与维护计划：结合电厂实际情况和制造商提供的维护手册，制定定期检查和维护计划，确保机组的稳定运行, 试验发现，在80%以上负荷跳闸对热通道部件疲劳寿命的影响相当于正常状态下的8 倍。

二、优化运行条件

1.运行巡检：加强对机组的全系统巡视检查，跟踪运行参数的变化，及时发现并处理问题，以降低故障发生的可能性。

2.运行条件调整：尽量避免满负荷工况下的跳闸和甩负荷操作，以减少对机组的损伤。同时，优化启停曲线，降低负荷变化率，以减少等效运行时间和热疲劳寿命损伤。对于三菱的F 级燃气轮机来说，跳闸一次，对第1 类热通道部件寿命的影响相当于正常运行的200 h 的使用寿命；对第2 类热通道部件寿命的影响相当于正常运行的100 h 的使用寿命。

表4 不同运行方式与燃气轮机运行维修费用的关系

3.延长运行时间：在保障安全的前提下，尽量延长机组的运行时间，以减少启动和停机次数，从而降低维护成本和提高经济效益。

三、改进检修模式

1.引入状态检修模式：在传统的定期检修模式基础上，引入状态检修模式，通过监测设备的运行状态来预测故障，从而提前进行处理，降低突发事故的风险。

2.优化备件备品配置：据统计，当前国内一套9E燃机的热端部件备品要占整套机组价格的40%以上，仅一级喷嘴就要上百万美元；而三菱的F 级燃机的热通道备件大约需要1.1 亿元人民币左右,通过与制造商的合作优化备件采购模式，降低备件成本。同时，实现备件备品的共享管理机制，以区域为单位进行联合储备和调配，进一步降低库存成本。

3.培养检修队伍：加强技术人员的培训和培养，提高他们的检修技能水平。通过全程跟踪学习、引进先进技术等方式，逐步摆脱对制造商或外部检修公司的依赖，提升自主检修能力。

四、燃气轮机预维护管理

1.周期管理与策略确立：建立燃气轮机的预维护管理体系，制定周期性检查计划和预防性维护策略，提高设备运行的可靠性。

2.即时性管理与故障排查：强化日常检查和监控工作，发现异常情况及时处理，并通过长期数据积累和分析找出故障规律，提前进行排查和修复。

3.完善管理制度与信息化应用：建立健全的预维护管理制度和工作流程，并利用信息化技术提升管理效率，建立电子维护档案以方便信息查询和调用。

4.成本控制与国产设备支持：在预维护管理过程中注重成本控制，合理安排维修预算和费用支出。同时关注国产设备的发展和应用情况，在政策支持下积极采用性价比高的国产设备替代进口设备。

运维发展思考

1.建立全面的燃机信息数据库

考虑到国内燃气轮机机组主要来自GE、西门子、三菱重工等大厂，建立一个集中、全面的信息数据库至关重要。此数据库应涵盖各种型号燃机的设计图纸、运行规程、检修记录等关键信息，以便进行深入的对比研究和分析。

2.优化备品备件管理系统

基于上述数据库，可以进一步开发一个备品备件联合储备与协调管理系统。通过统一采购和调配同类型机组的备品备件，不仅可以显著降低库存成本，还能提高备件的周转速度和使用灵活性。这将有助于优化整个运维流程，提高工作效率。

3.标准化检修流程与技能培养

在燃气轮机的运维过程中，及时总结并标准化检修工艺和方法至关重要。通过建立检修标准和规范，可以确保每次维修都达到最佳效果。同时，为了持续提高维修质量，还需要加强对检修队伍的专业技能培训。通过形成一套完善的技能鉴定模式，培养出一支既专业又高效的燃气轮机运维团队。

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