燃气轮机气路调节系统故障研究

徐搏超

(中国大唐集团科学技术研究总院有限公司大唐华东电力试验研究院， 合肥 230000)

燃气轮机是一种将气体或液体燃料的化学能转变为有用功的内燃式叶轮旋转机械。由于其性能优异，已被广泛应用于石油化工、舰船工业、航空工业、分布式供能[1]以及大型电站等领域[2-3]。其中，作为能源转换装备制造业的高端产品，重型燃气轮机已被广泛应用于燃气-蒸汽联合循环电厂[4-5]，并已被我国列为优先发展的重大装备。

在燃气轮机运行过程中，由于内部恶劣的运行条件，维持气路稳定性是保证机组安全稳定的重要前提。为改善燃气轮机气路流道特性，提高燃气轮机启机及低负荷阶段的运行经济性及安全性，目前重型燃气轮机在压气机的入口大多设计了可转导叶调节系统，在不同负荷时通过调节进口导叶的角度，使得进入压气机动叶前的气流方向发生改变，调节机组空气进气流量。通过可转导叶开度变化，控制燃气轮机排气温度，对提高燃气轮机及联合循环的效率有着重要意义[6-7]。

目前对可转导叶系统的研究主要集中在对轴流压气机性能的影响[8]，以及关于燃气轮机整体性能的机械和控制等方面的理论建模[9-10]等，对调节系统驱动结构故障分析及优化较少。基于此，从系统结构和装配标准角度提出故障诊断方法，并在同类型机组进行推广应用，结果表明该方法可以快速实现故障诊断。针对该系统结构问题，从设计制造、现场安装、停机检修、运行维护方面提出建议，保证机组安全稳定运行。

1 可转导叶系统介绍

目前，国际上先进燃气轮机逐渐采用多级可转导叶结构。例如：GE的9HA.01压气机，具有1级进口可转导叶和3级独立驱动可调静叶；西门子的SGT5-8000H压气机，具有4级可转导叶；三菱M701J同样配备了进口可转导叶和可调静叶。

1.1 调节原理

多级轴流压气机特性曲线见图1。当流经工作叶栅的空气流量减小到一定程度，就会在叶片进口处产生正冲角。同时在叶片的背弧侧产生气流附面层脱离现象，这种脱离会引起喘振。设置可转导叶可以减少或消除进入下一级动叶的气流正冲角，避免叶片背弧气流附面层的脱离(气流附面层的脱离易形成气流失速团，从而发生喘振)，防止了喘振事件的发生。

图1 多级轴流压气机特性线

对于燃气轮机机组，提高透平进口温度是提高燃气轮机效率的最有效手段，同时维持较高的排烟温度有利于保障汽轮机效率。在部分负荷下，维持较高透平进口温度和排烟温度能改善联合循环机组效率。随着发电负荷降低，先保持透平进口温度不变，调小可转导叶开度，这时排烟温度会升高，当排烟温度达到最大值时，保持温度不变。因此，可转导叶在机组低负荷运行中能改善联合循环机组的效率。

1.2 设备结构

进口可转导叶(inlet guide vanes，IGV)位于压气机进口第一级动叶前，相当于第0级；第一级可调静叶(compressor vane 1，CV1)位于第一级动叶后，位置结构见图2。

图2 IGV、CV1位置结构图

同为可转导叶，IGV和CV1的调节机构具有相似性。叶片通过一根连接杆连到转动环上，转动环由静叶持环支撑。液压传动机构安装在压气机支撑上，并通过一根顶杆连接到转动环上，并带动转动环。CV1传动机构立体图如图3所示。

图3 CV1传动机构立体图

实际动作中，液压执行机构接受指令动作，带动转动环(俗称大连杆)动作，转动环进而拉动小连杆动作，小连杆、摇臂与CV1叶根轴通过螺栓连接，从而带动CV1转动。图4为某安萨尔多机组解体检修时拍摄的CV传动机构及叶根处配套组件。

图4 CV1传动机构及叶根处配套组件

叶冠轴置于分半轴承内，整体嵌套在内环中，叶冠处配套部件见图5。

图5 CV1叶冠处配套部件

1.3 调节过程

IGV、CV1机构调节过程见图6。在燃气轮机启动升速阶段，IGV和CV1处于关闭状态(显示开度为0，实际机械位在最小开度)，目的是减小进气流量，防止压气机发生喘振；当负荷升到一定值时，IGV和CV1开度增加，IGV跟踪负荷指令，对导叶开度进行调整，以维持在该负荷下较高的透平排气温度，使总体热效率得到改进；CV1跟踪IGV指令动作(通过折线函数输出开度指令)。

图6 IGV、CV1调节曲线

2 调节系统故障原因分析

在一定工作范围内，压气机进口导叶和前几级静叶可以通过液压调节机构调节叶片开度以达到最佳冲角，实现没有失速的情况下的高速运行，保持良好气路特性。由于燃气轮机经常低负荷运行且参与调峰，调节系统频繁动作，加剧机械结构磨损，同时长期缺乏稳定润滑系统，易发生锈蚀、卡涩等故障。

2.1 CV1故障简介

2019年某电厂1号机组CV1发生卡涩，CV1开至73%后卡涩，无法继续增加开度，通过反复调节活动，可开至91%。2020年4月卡涩情况恶化，CV1无法开到指定位置。为保证机组安全运行，上海电气(制造厂家)要求对CV1卡涩上限开度进行限位，避免卡涩情况进一步恶化而强制操作，造成恶性事故。2021年4月，电厂利用机组停机期间对CV1进行了检修处理。

2.2 相似案例分析

调节机构是利用液压缸推动可转导叶连杆机构，从而改变导叶的角度，利用伺服阀等部件控制液压缸的运动，其控制策略为带有角度或行程反馈的PID控制[11]。该系统技术成熟，控制压力稳定，干扰因素少，但同时存在系统设备复杂导致整体可靠性降低等问题。

2020年7月，上海某安萨尔多机组CV1部件脱落，造成飞速旋转的压气机叶片均被脱落的部件击毁，后经检查发现，CV1组件存在明显锈蚀痕迹。经事故分析，CV1叶片距离水洗后的积液位置较近，电厂在水洗后未严格执行制造厂的相关操作规程，未及时烘干保养；该机组水洗排出的废液浓度较高，在一定程度上增加了机组叶片锈蚀的风险，进而导致CV1部分区域发生锈蚀、卡涩故障。

2.3 CV1卡涩原因分析

CV1及其传动结构对装配要求较高，静态测试力矩不能超过设计限定值。在排除控制系统指令异常后，对机械系统重点部位进行排查。

(1) 摇臂和小连杆是CV1的重要传动机构，摇臂至铜套的间隙标准为0.1 mm，应进行实际间隙检测，连杆轴承处易存在变形、锈蚀问题。

(2) CV1出厂的力矩要求为30 N，长期运行易诱发CV1叶根和铜套锈蚀、变形等问题，导致摩擦力矩增大，应对每片CV1进行力矩检测。

(3) CV1叶冠轴通过分半轴承固定在内环上，轴承处缺乏稳定润滑油供应，易发生磨损、变形、锈蚀等问题，增大摩擦阻力，从而出现卡涩现象。

3 CV1检修及方法推广

3.1 CV1检修过程

检修过程中发现问题如下：

(1) 摇臂至铜套间隙实测数据较标准值偏小，部分位置甚至存在接触现象，部分小连杆端关节轴承卡涩，见图7。

图7 摇臂、小连杆端关节轴承锈蚀情况

(2) 拆除前部分叶片力矩达到200 N以上，远超要求范围，转动力矩过大导致活动失效；部分CV1从铜套中抽取困难，铜套及配套组件表面存在磨损，如图8所示。

图8 铜套及配套组件锈蚀、磨损情况

(3) 上半部分CV1与缸体内壁、第1级内环轴向间隙过小，第1级内环拆除后，部分CV1转动不畅，叶冠分半轴承安装位置存在锈蚀，见图9。

图9 叶冠分半轴承安装位置锈蚀情况

本次检修更换的部件主要包括以下部分：(1) 全部CV1(55片)；(2) 部分摇臂组件；(3) 部分杆端关节轴承组件；(4) 部分铜套相关组件；(5) 部分分半轴承组件。检修后，CV1卡涩现象消除。

3.2 CV1检修推广

2019年7月针对2号机组开展CV1卡涩检查，解决如下问题：(1) 检查发现CV1执行器内卡入异物，后续检修人员将异物取出；(2) 顶杆零位松动漂移，造成读数不准，后续检修人员将其加焊牢固。

经过上述处理后，2号机组正常运行，直至目前未发生卡涩现象。针对此类CV1调节系统，由于结构设计上存在卡涩隐患，应重点关注同类型机组此类问题。

4 运行维护建议

为进一步解决类似机组调节系统故障，推广相关经验，从设计制造、安装、停机检修、运行维护等方面，进行综合优化。

4.1 设计制造

(1) 制造厂选用耐腐蚀材料或耐腐蚀涂层，增强零部件的耐腐蚀性。

(2) 压气机疏水口设计应合理，内部设有斜坡，水洗后不应留有存水的部位。

(3) 转动环、小连杆及摇臂等连接部件有防止松动的紧固措施。

(4) 转动环外部设保护罩，防止异物进入。

4.2 现场安装

(1) 严格按照设计间隙对各部件进行装配。

(2) 各螺栓应按照规范紧固，紧固力矩满足设计要求。

(3) 安装前对液压油管路进行清洗和油冲洗，确保管路清洁度达标。

4.3 停机检修

严格把关检修项目中各工序流程，确保项目设置合理，总结每一部件的检修周期，不过修、欠修，确保检修质量。

(1) 装配完毕后，检查CV1的叶根与叶冠的轴向间隙检查，对转动环等连接部件进行清理、检查，更换润滑脂。

(2) 对CV1叶根、叶冠轴颈、轴套锈蚀、变形情况进行检查清理，发现活动力矩超过定值，及时安排解体检修，清理活动部件锈蚀，更换变形部件。

(3) 大修时对CV1叶片进行无损检查，发现叶片有裂纹及时更换，对叶片角度进行校验，开展CV1开度远方与就地校准，确保CV1开度准确。

(4) 检查水洗效果，检查压气机疏水管路是否通畅。

(5) 及时更换CV1液压油滤芯，保证液压油清洁度满足标准要求。

4.4 运行维护

(1) 严禁强行活动严重卡涩的CV1(活动力矩超设计值上限)，并对严重卡涩的CV1开度位置进行限制。

(2) 严格按照制造厂运行维护手册要求对压气机进行水洗。在使用清洁剂清洗时，至少要用除盐水漂洗两次，水洗排水管应接有可目视检查的排水情况的视窗，清洗结束后，对比原水和排污水电导率的变化情况，以此判断水洗的清洁程度。

(3) 水洗完成后应及时进行点火烘干，防止各部件锈蚀；对于早启晚停的机组可利用夜间停机进行离线水洗，水洗后启动燃气轮机，利用启动过程进行烘干。

(4) 重视进气滤网压差监测，对滤网压差异常增高或降低及时关注，开展就地检查，定期对进气道进行锈蚀破损检查，定期对压气机进行内窥检查。

5 结论

本文详细介绍了燃气轮机可转导叶的作用、传动系统结构，并针对调节系统故障原因进行了分析。结合电厂故障实例，提出了现场故障诊断的方法和流程，并进行了推广验证，结果表明提出的方法具有针对性，能帮助现场人员判断潜在故障点。最后针对此类问题，从多维度给出设计和运行维护建议，为今后类似故障处理提供参考。

(1) 设计制造应加强对关键部位的防腐蚀处理，合理设计水洗方式，并安装防异物装置。

(2) 现场安装应注重清洁，装配要求按照标准执行。

(3) 停机检修对重点部件和位置加强检测，记录装配后液压系统初始油压，作为后续启机安全运行参考。

(4) 运行维护应完善水洗检查流程，并定期对气路进行清洁度检查。