燃气—蒸汽联合循环机组运行与维护关键技术研究综述

吴文健，李鸿坤，顾正皓，陈坚红，毛志伟，盛德仁

（1．国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014；2．浙江大学热工与动力系统研究所，杭州310027）

燃气—蒸汽联合循环机组运行与维护关键技术研究

燃气—蒸汽联合循环机组运行与维护关键技术研究综述

吴文健1，李鸿坤2，顾正皓1，陈坚红2，毛志伟1，盛德仁2

（1．国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州310014；2．浙江大学热工与动力系统研究所，杭州310027）

针对大型燃气—蒸汽联合循环发电机组运行、维护、检修等方面出现的技术问题，从单轴燃机—汽机转子系统振动故障、联合循环汽轮机快速启动方法、燃气轮机热部件维护维修策略、燃气轮机IGV（进口导流叶排）控制及温控线优化技术等4个方面综述其研究现状，分析目前的研究热点；同时还指出存在的主要问题，提出进一步的研究方向。

联合循环机组；振动故障；快速启动；热部件维护维修；温度控制

0 引言

近二、三十年来，不管在发达国家还是发展中国家，燃气—蒸汽联合循环发电以其特有的优点[1]，得到了快速发展。在我国，特别是人口稠密、经济发达的沿海地区，其装机比重日益提高。

我国引进GE等公司的先进大型联合循环机组在投入实际运行后出现了较多问题，主要有：压气机出现的叶片断裂等共性问题、燃烧室运行和维护过程中出现的典型问题、机组出现的热瞬变等典型振动问题、一次调频以及其他辅助设备的共性问题，严重影响了联合循环机组的安全经济运行。国内机组频繁启停的运行模式，带来运行和维护的新挑战，有必要开展大型联合循环机组运行、维护、检修等方面的技术研究[2]。本文针对大型联合循环机组，分别从单轴燃机—汽机转子系统振动故障、联合循环汽轮机快速启动方法、燃机热部件维护和维修策略、燃机IGV控制及温控线优化等4个方面综述目前的研究状况。

1 单轴燃机—汽机转子系统振动研究

实际运行经验和研究表明：单轴燃机—汽机转子系统在可倾瓦上容易出现油膜涡动和油膜振荡故障，以及由燃机快速启动引起在冷态启动过程中的热态瞬变振动等故障。

1.1 油膜涡动和油膜振荡

旋转机械在运行中具有很多非线性现象，最突出的是由于非线性油膜力引起的自激振荡，从而产生油膜振荡和油膜失稳。

许多学者和工程技术人员从理论和实践两方面对此展开了研究。文献[3]通过理论和试验对转子系统中的油膜涡动、油膜振荡进行了研究，提出了油膜力的修正模型。文献[4]对单盘转子系统进行了试验研究，观察到了在失稳转速阈值以下时，对转子施加小扰动后转子失稳的现象。文献[5]分析了在非稳态油膜力作用下，有限长油膜轴承支撑的刚性Jeffcott转子的油膜振荡。文献[6]给出了某燃气—蒸汽联合循环机组高压缸进汽2 min后3号、4号瓦发生油膜振荡的故障实例，分析了引起故障的可能原因，提出了有针对性的解决方案。文献[7]研究了由非线性油膜力引起的转子—轴承系统的非线性振动特性以及各种影响因素，提出了若干可行的在线消除油膜振荡的办法和非线性油膜力的表达式，使非线性转子系统不平衡量的在线识别成为可能。文献[8]给出了某9F燃机的油膜涡动和油膜振荡故障实例，指出可倾瓦仍然会发生油膜振荡故障。

浙江电科院以国内首套9FA燃机为研究对象，开展了燃机转子—轴承系统非线性特性研究，从理论上深层次揭示工程实际中表现出来的油膜振荡形式的多样性。通过频谱、间隙电压、轴承温度的变化形成油膜振荡新判据，指出转子轴颈涡动中心上浮是可倾瓦油膜振荡的主要因素，采取降低不平衡量、提高轴承负载、减小轴承宽度等措施能有效抑制油膜振荡故障的发生。

现阶段，有关油膜振荡的研究大多集中在依靠经验进行故障诊断和治理等方面，缺少理论上的深层次探讨。以非线性理论为基础的转子轴承油膜力的模型还不完善，油膜振荡的治理方法也缺少系统性。油膜失稳仍是大型旋转机械的疑难问题，需作进一步研究，研究内容主要为：通过对油膜失稳机理的分析，完整揭示造成转子失稳的原因，寻找切实可行的在工程实际中能应用于燃机油膜振荡诊断和治理的一整套方法。

1.2 热态瞬变振动

热态瞬变振动现象是由于受热不均匀而产生的一种振动现象，会随着温度变均匀在较短时间内消失。由于GE燃机转子为抽气冷却结构、采用叠加装配，因此普遍存在热态瞬变振动现象，严重的热态瞬变振动会导致燃机停机。热态瞬变的振动量是转子起始温度的函数，大振动值对应较冷的转子初始温度。文献[9]对燃机启动过程中热态瞬变引起的振动现象进行了分析。浙江电科院在这方面开展了卓有成效的工作，研究了燃机冷态启动过程中的热态瞬变振动现象，引入热态瞬变影响因子进行动平衡处理，进行优化计算，提高平衡效率，有效解决了多套9F燃气轮机在实际运行中遇到的冷态启动振动大问题。

然而，目前常用的一些动平衡技术，还缺少在单轴燃机—汽机转子系统上应用的业绩，并且大多数平衡方法都没有考虑冷态启动过程热态瞬变振动的影响。对于动平衡的处理，进一步的研究需要综合考虑各阶段的燃机转子振动，即热态瞬变的振动和各负荷阶段振动，才能有效解决热态瞬变的振动问题。

2 联合循环汽轮机快速启动的研究

在我国，由于电网的峰谷差较大，燃气—蒸汽联合循环机组需要用于调峰，一般采用日开夜停“两班制”的方式运行，汽轮机转子经过8～10 h的停机冷却后，转子调节级金属温度降至350℃左右。为了保证安全，一般采用耗时较长的温态启动方式，燃气轮机快速启动的优势得不到发挥，机组启动阶段造成巨大的经济损失和能源浪费。而机组启动速度主要受制于转子的应力水平，如果控制不当，转子某些部位的内外表面可能出现较大的温差，产生的热应力很可能超过转子材料的屈服极限，威胁转子的运行安全[10]。所以，对联合循环汽轮机快速启动的研究包括了汽轮机转子温度场、热应力场计算，以及启动方案优化和汽轮机组的寿命预测研究。

多位学者采用多种方法（差分方法、有限元法、格林函数法等）以及不同模型来计算汽轮机以不同方式启动时的转子温度场和热应力场，并绘制相应曲线，为拟定合理的启动方案提供依据[11-15]。文献[10]通过计算不同启动方式下转子的热应力，修改了汽轮机的热态启动条件，解决了某调峰运行联合循环汽轮机温态启动耗时过长的问题。文献[14]建立了一套基于Visual C++平台的转子在线寿命损耗管理系统，集汽轮机转子寿命损耗计算、负荷率控制、应力超限及转子热状态实时分析显示和数据管理于一体。在工程应用层面，文献[15]提出余热锅炉启动速度慢的根本原因，经过设备和控制程序的修改，实现了余热锅炉的安全快速启动。

目前，关于此方面的研究还比较分散，尚未形成完整的体系，应该在包括启动过程热应力计算、转子疲劳寿命与蠕变寿命损耗的计算和监测等方面进一步开展研究，拟定优化启动策略，指导机组更优的变负荷运行，使机组经济性、安全性和灵活性的综合指标趋于最优，充分发挥机组的潜力。

3 燃气轮机热部件维护维修策略研究

GE公司的重型燃气轮机具有很高的可用率，合理的维护维修计划能减少总体费用，使停机时间保持最短，改善启动和运行的可靠性及提高机组可用率，进而增加效益。燃气轮机热部件按其工作环境的不同可分为3类，即燃烧系统、热通道和转子部件[16]。

对于燃气轮机的维护，以GE公司为代表的动力设备制造厂在燃气轮机和联合循环热力设计、试验方面经过多年的研究，积累了大量的经验，采用互相独立的启动次数和运行小时数来计算维护间隔。GE公司结合互联网推出了实时远程辅助决策服务，通过互联网把分布于世界各地的燃气轮机运行数据传输至设在美国亚特兰大的控制中心，运行专家凭借计算机程序和专家经验知识进行分析，得出的诊断结果提供给燃气轮机运行人员，以帮助决策，使机组安全、稳定、经济地运行[17]，世界范围内已有百余台（套）燃气轮机接入系统。尽管该系统是可靠和安全的，却不适合在我国使用，原因一方面是服务的价格不菲，另一方面是这种方式采集的数据不透明，不向当地的运行人员公开，只返回分析结果，特别是在一定权限下，系统甚至可以控制燃气轮机，因此对机组的安全运行及国家安全造成潜在威胁。

目前，对燃气轮机热部件维护维修策略的研究在我国逐渐得到重视。文献[18]详细论述了燃气轮机计划性检修中有关维修周期、备件计划、部件修理和现场检修便利性问题。文献[19]从设备定期维护、运行优化从而延长机组运行时间，传统检修模式与状态检修模式的结合，备品备件配置优化等方面论述了延长燃气轮机检修周期的检修策略。文献[20]提出了基于EOH（等效运行时间）分析的燃气轮机寿命评估法，根据EOH分析的结果，提出了检修策略的优化方案，分析了影响燃机热部件寿命的3个主要因素，并在此基础上详细讨论了各种常用的燃气轮机寿命评估方法[21]。文献[22]通过对9F级燃气轮机热部件使用寿命影响因素的分析，剖析检修间隔的计算公式，合理计算出燃气轮机的检修间隔，并通过GE有关文件的指导，总结出合理的检修策略。文献[23]研究了燃气轮机燃烧室注水后对排放物、性能和检修等方面的影响。文献[24]阐述了SGTS-2000E燃气轮机的维护和检修特点，并对如何制定和实施检修计划作了详细说明。华北电力大学、中科院热物理所和浙江大学等在联合循环发电理论和计算机辅助决策系统方面进行了多项研究，虽然和国外的研究成果相比还有一定的距离，但是也取得了不小的成绩。浙江大学在这方面作出的研究居于国内前列，文献[17]研究开发的辅助决策系统把燃气轮机分为燃烧系统、热通道和转子3类部件，将外因对这3类部件的影响转化为它们的因素启动次数和因素运行时间，由这2个指标来确定维修间隔。

总体来说，国内的研究还处于探索阶段，除了浙江大学开发的辅助决策系统，国内基本没有非常完善的系统。因此，未来的研究重心应放在研制一套完整的并且通用的符合我国实际情况的燃气轮机运行和维护辅助决策系统，来指导燃气轮机及联合循环机组的运行与维护维修工作，这对我国燃气轮机的应用和发展具有重要意义。

4 燃气轮机IGV控制及温控线优化技术研究

某联合循环机组采用DELTA公司生产的卧式三压再热自然循环余热锅炉，在燃气轮机80～160 MW负荷区域普遍存在主蒸汽容易超温、温度最高甚至达到574℃（此时喷水减温器后蒸汽温度已接近饱和温度），引起燃机、汽轮机RB（辅机故障减负荷），极端情况下燃机跳闸。因此，主蒸汽超温和燃机排烟温度过高已成为目前亟待解决的问题。其主要原因是：该负荷区域燃机的排烟温度已达到649.9℃，IGV温控介入，IGV的开启使进入余热锅炉的高温烟气流量大幅增加，而此时余热锅炉高压蒸发器所产生的蒸汽量与烟气流量不匹配，余热锅炉在设计时考虑设计工况较多，换热面积以及蒸汽温度和减温水的配置按考核工况进行设计，由于燃气轮机排烟温度在整个负荷变化过程中存在驼峰特性，温度变化为低-高-低，在部分负荷工况下考虑不足，最终导致主蒸汽超温。

由于资料缺乏，对此问题的研究才刚起步，一些机组出现问题后只能以提高主蒸汽温度的RB定值来暂时维持运行。文献[25]介绍了F级燃机的温度控制策略，在启动阶段，IGV参与燃气轮机排气温度控制，此时采用IGV角度前馈来稳定启动期间的主蒸汽温度。文献[26]以GE公司S109FA联合循环机组为例，介绍MarkVI控制系统中燃机温度控制原理和控制方法。文献[27]针对PG9171E型燃气轮机，通过带部分负荷不投入IGV及带部分负荷投入IGV的温度控制方式来修正温度控制参数，也就是把IGV的温度控制基准值从原来的593℃修正到560℃，从而控制燃气轮机超温情况。

浙江电科院对此进行了深入的研究，依靠自身技术力量，改进了IGV控制策略并优化温控线控制，解决了余热锅炉主蒸汽超温问题。同时，使燃机在启动阶段的热通道温度有所降低，改善了热部件的工作环境并延长了热部件寿命，机组NOX和CO排放与改造前基本持平，由于启动时间缩短，各污染物排放总量也相应减少。

目前国内的研究未能从本质上改变温控困难的状况，只是采取浅层次的温控参数修正等措施。而燃机温控是燃机核心控制技术，需要科研人员通过不断研究和试验，优化部分负荷时的温控线，保证主蒸汽温度自动控制在部分负荷阶段能够投入，并保证温度不发生超温报警，这样才能从根本上解决国内燃气轮机运行中普遍存在的主蒸汽容易超温的问题。

5 结语

本文就大型燃气—蒸汽联合循环机组运行与维护中的若干关键技术问题进行了综述，通过对目前研究状况的分析，指出了存在的主要问题，并提出了进一步的研究方向。燃气—蒸汽联合循环发电技术正在逐步成熟，解决这些问题对于联合循环机组的工程实际应用是非常必要和迫切的，对我国电力行业的发展具有非常重要的积极意义。

[1]王柏仁.燃气—蒸汽联合循环发电技术发展对策研究[J].湖北电力，2007，31（1）∶64-66.

[2]吕太，孙锐，张学荣.大型联合循环机组关键问题的探讨[J].燃气轮机技术，2005，18（2）∶23-26.

[3]MUSZYNSKA A，GOLDMAN P.Chaotic responses of unbalanced rotor/bearing/stator systems with looseness or rubs[J].Chaos，Solitons&Fractals，1995，5（9）∶1683-1704.

[4]DEEPAK J C，NOAH S T.Experimental verification of subcritical whirl bifurcation of a rotor supported on a fluid film bearing[J].Journal of tribology，1998，120（3）∶605 -609.

[5]郭建萍，邱鹏庆，崔升，等.有限长轴承非稳态油膜力建模及非线性油膜失稳[J].振动工程学报，2001，14（1）∶7-12.

[6]冀大伟，叶春，韩晖，等.望亭电厂9F燃机油膜振荡故障诊断及原因分析和处理[J].华东电力，2009，37（3）∶506-508.

[7]刘淑莲.转子-轴承系统非线性特性研究及油膜振荡的在线消除[D].杭州：浙江大学，2004.

[8]童小忠，应光耀.半山1号燃气机组油膜涡动和油膜振荡分析及处理[J].汽轮机技术，2006，48（1）∶63-66.

[9]韩建清.PG9351FA燃机起动过程中振动大故障的分析[J].燃气轮机技术，2009，22（3）∶67-69.

[10]郑李鹏，陈坚红，盛德仁，等.燃气—蒸汽联合循环汽轮机快速启动的研究[J].动力工程学报，2011，31（8）∶579-584.

[11]张光.国产200 MW汽轮机高中压整体转子瞬态温度场和热应力场[J].中国电机工程学报，1993（01）∶35-39.

[12]高志军.600 MW汽轮机转子冷态启动热应力计算与分析[J].汽轮机技术，2005，47（4）∶269-270.

[13]SONG G,KIN B,CHANG S.Fatigue life evaluation for turbine rotor using Green's function[J].Procedia Engineering，2011（10）∶2292-2297.

[14]岳建华，梁志宏，杨昆.面向对象的调峰机组转子在线寿命管理系统研究[J].中国电机工程学报，2005，25（1）∶114-118.

[15]张纪平，刘文涛.300 MW燃气—蒸汽联合循环余热锅炉快速启动研究[J].浙江电力，2002，21（5）∶12-14.

[16]BALEVIC D，BURGER R，FORRY D.Heavy-duty gas turbine operating and maintenance considerations[R].GER-3620，General Electric，2004.

[17]刘昱.联合循环机组辅助决策系统的设计与实现[D].浙江大学，2007.

[18]雕吉义，冯明之.燃气轮机计划性检修的若干问题[J].燃气轮机技术，1997（04）∶8-13.

[19]殷豪，孟安波，彭显刚.大型燃气轮机检修策略的研究[J].电站系统工程，2009（04）∶36-38.

[20]龚文强，王庆韧.基于EOH分析的燃机检修策略优化[J].中国电力，2011，44（8）∶40-42.

[21]龚文强，王庆韧.燃气轮机热端部件寿命的等效运行时间分析[J].电力技术，2010（08）∶28-30.

[22]暨穗璘.美国GE 9F级燃气轮机检修间隔期和检修策略的探讨[J].电源技术应用，2013（04）∶146-148.

[23]曾志，张晓泓，麦文展.燃烧室注水对燃气轮机运行和检修的影响[J].燃气轮机技术，2011（03）∶60-62.

[24]何磊，刘明昊，崔耀欣，等.西门子SGT5-2000E燃气轮机的维护和检修[J].热力透平，2008（01）∶63-67.

[25]薛丽华，章禔，徐健.F级余热锅炉蒸汽温度控制策略[J].燃气轮机技术，2013，26（4）∶14-16.

[26]章褆.任鑫.S109FA联合循环燃气轮机温度控制分析[J].燃气轮机技术，2010，23（1）∶34-38.

[27]朱伟，莫广明，罗国康.进口导叶片温度控制对机组运行的影响[J].广东电力，2011，24（4）∶90-92.

（本文编辑：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

吴文健（1968-），男，浙江义乌人，高级工程师，主要从事汽轮发电机组的振动、叶片、模态测试分析及诊断研究工作。