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1、350 第十九讲概述 19.1 燃气轮机应用的现状及发展前景 燃气轮机作为新型的动力设备，由于具有结构紧凑，单位功率重量轻，运行平稳且 安全可靠，可以大型化且热效率较高，可以快速起动和带负荷等显著的优点，受到世人 的广泛关注，应用的范围越来越广。在航天航空领域里是独一无二、不可替代的动力设 备；在航海和陆上交通运输领域里也占有越来越重要的地位，在一些现代化的舰船上， 均采用燃气轮机作动力设备。陆上交通运输工具，如汽车、火车机车及军用坦克上也采 用燃机作动力设备；在发电领域里，由于燃气轮机电厂占地面积少、建设周期短、水的 消耗量少、排气污染轻受到人们的广泛关注，尤其是以燃气轮机为主组成的燃气 蒸
2、汽 联合循环电厂不仅排气污染轻，而且其热效率已达到和超过了最新型的超超临界参数的 蒸汽轮发电机组，所以在发电行业里的应用也越来越多，已动摇了蒸汽轮发电机组在发 电行业的霸主地位。可以预期，在不久的将来必定会取代蒸汽轮发电机组在发电行业的 霸主地位。 据2000年的统计，全世界新增发电容量中，燃气轮机及其联合循环已占到3536； 在一些西方发达国家里，这个比例还要高，例如2000年美国的新增发电容量中，燃气轮 机及其联合循环占48，传统的蒸汽轮发电机组占48；而在德国，燃气轮机及其联合 循环在新增发电容量中占到2/3。由此可见，在世界范围内燃气轮机及其联合循环已成为 火电发展的重要方向。 由于以
3、前的燃气轮机及其联合循环电厂以石油及其制品和天然气为燃料，大大制约 了燃气轮机的应用和发展，但随着近期煤气化联合循环技术的发展和成熟，燃气轮机不 仅可以以油气为燃料，而且可以以中低热值煤气为燃料，这就为燃气轮机的大发展和更 广泛的应用奠定了坚实的基础。特别是以燃气轮机为主组成的煤气化联合循环，可以用 来改造现有的燃煤的蒸汽轮发电机组，在继续以煤为燃料的同时，又解决了严重的排气 污染，还可以增加出力和热效率，这为改造能耗高、排气污染严重的燃煤的蒸汽轮发电 机组提供了非常好的选择。此外，燃气轮机还在一些新型发电技术中占据着很重要的地 位，如湿空气透平（UAT ）循环和燃料电池燃气轮机循环等新型发电
4、技术，这将是今 后发电技术发展的主要方向之一。由此可知，燃气轮机具有非常光明的发展前景，其应 用会越来越广泛。 19.2 燃气轮机检修的重要性 随着燃气轮机的广泛应用，燃气轮机的检修也就很自然地越来越受到人们的关注。 尽管燃气轮机的工质的工作压力不是很高，基本上在30bar之内，但其工质的温度很高， 351 E型技术燃气轮机的进气温度为1100，而 G型、 H型技术燃气轮机的进气温度为1430 左右，并且是高速旋转式机械。在此条件下工作的燃气轮机除了必须加强日常的运行维 护之外，还必须定期进行检修，以确保机组能安全的运行。 燃气轮机的燃料，可以是天然气，也可以是轻油和重油或原油，甚至是低热值煤
5、气。 根据所用燃料的不同，燃气轮机的维护和定期检修的内容和工作量也不同。由于燃气轮 机的工作温度很高，又是高速旋转式机械，其工作条件是相当恶劣的，尽管在燃烧系统 和热通道部件的选材、加工工艺、涂层及冷却等诸多方面采取了很多抗高温的措施，但 在燃气轮机的运行中仍不时发生因高温而引发的各种事故，所以对燃气轮机的定期检修 规定了明确且严格的时间周期和具体的检修内容，要严格按照燃气轮机制造厂商提供的 技术文件和有关的规范要求进行施工，以期通过检修解决机组运行中发现的问题和虽没 有发现但已存在的威胁机组安全运行的隐患，确保机组的安全运行。同时，合理而科学 的检修还可以延长燃气轮机各零部件的使用寿命，提高
6、燃机运行的经济性。 19.3 检修计划的制定及检修周期的确定 首先要说明的是，国内燃气轮机电厂中所使用的燃气轮机，绝大多数是GE系列的产 品，所以我们所能看到的技术文件也基本上是GE的，故而我们的叙述也是以GE的产品为 主。 由于燃气轮机所使用燃料的多样性和运行方式的多样化，会对燃气轮机检修计划的 制定产生很大的影响。影响燃气轮机检修计划的主要原因如图19l所示，而燃气轮机的 运行方式又将决定每一个因素的轻重。 燃气轮机中特别需要关注的是那些与燃烧过程有联系的及暴露在从燃烧系统中排出 的高温烟气中的部件，即火焰筒、联焰管和过渡段等燃烧系统部件及透平喷嘴、透平护 图 191 影响检修计划的主要因
7、素 352 环和透平动叶等热通道部件。由于它们在腐蚀性的高温环境里工作，所以发生故障的几 率也就比较高，检修中应予以充分的关注。由于材料、加工工艺及涂层等原因，这些高 温部件价格很昂贵，是检修的备品备件费用中的主要部分，所以燃气轮机的用户们应对 机组的运行予以应有的注意，尽可能地避免超温运行，避免尖峰负荷运行，每次开机尽 可能地多运行一些时间，尽量减少超温和频繁的交变热应力对这些高温部件所造成的损 害，以延长这些高温部件的使用寿命，提高电厂的经济效益。GE重型燃气轮机的基本设 计和检修的建议是为了达到以下目标： （1）检修和大修之间的最长运行周期； （2）现成在位检查和维修； （3）使用当地的
8、技术力量进行拆卸、检查和复装。 燃气轮机检修计划的制定和检修周期的确定就是根据图191所示的影响检修计划 的主要因素和机组的运行方式来决定的。在图191所示的影响检修计划的主要因素中， 起主导作用的 也就是影响检修和设备寿命的 因素是机组的运行方式、燃烧温度、 燃 料 和 注 水 / 蒸汽。对连续负 荷运行的机组， 影 响 机 组 寿 命 的 主 要 因 素 是 氧 化 腐 蚀 和 蠕 变，而影响周期 负 荷 运 行 （ 调 峰）机组寿命的 主 要 是 热 力 机 械疲劳； 燃料对 机 组 检 修 周 期 的 影 响 是 显 而 易见的，因为燃料不同，燃料中对金属材料 有害的杂质的含量就不同，
9、所以对机组的燃 烧系统部件、热通道部件及透平排气部件所 造成的损害也就不同，在图 192中列出了各 有关因素的热通道（喷嘴和动叶片）检修系 数。 图 19 3上所示曲线为燃料对检修系数 影响的曲线，由于燃料类型的不同，燃料中 所含氢的重量百分比也不同，对检修的影响 图 193 燃料类型对检修的影响 图 192 热通道（喷嘴和动叶片）检修系数 353 自然也就不同。由图中曲线可以看出，燃料中所含氢的重量百分比越小，检修的周期就 越短，反之检修周期就 越长。 GE 所 推 荐 的 表 191中的检修周期是 以烧天然气、 基本负荷 运行且没有注水或注 蒸汽作为基本条件的， 当机组的实际运行情 况与上
10、述基本条件不 同时，机组的真实的检 修周期应由推荐的检 修周期除以一个大于 1的检修系数，而检修 系数的大小由燃料类 型、尖峰负荷运行的 时间、注水 /蒸汽的情 况、正常负荷起动停 机的循环次数、部分 负 荷 起 动 停 机 的 次 数、 紧急起动的次数、 跳 闸 次 数 等 因 素 确 定。 图194是以运行 时数为基准的热通道 检修周期，图19 5 是以起动次数为基准 的热通道检修周期， 这两种热通道的检 图 194 以运行时数为基准的热通道检修周 图 195 以起动次数为基准的热通道检修周期 表 19 1 推荐的检修周期 转子检修周期不适用于MS6F 机组。 354 修周期无论哪一种先达
11、到，均应进行热通道的检修。图196是以运行时数为基准的 转子检修周期，图197是以起动 次数为基准的转子检修周期，跟热 通道的检修一样，无论哪一种周期 先达到，均应进行转子的检修。 根据图 194图 19 7就可以 确定热通道和整机（即大修）的检 修周期，但燃烧系统的检修周期没 有给出这样的形式，对于燃烧系统设备的时间、燃料、稀释剂种类和排放水平都分别给 出了建议，对于特定应用方式的机组的燃烧系统检修周期可由燃气轮机制造厂商的现场 服务代表给予推荐，或参照 MS7001EA 燃烧系统检 修周期的例子（由表192）来确定。 制定检修计划和确定检修周期时除了根据燃 气轮机制造厂商提供的技术文件和推
12、荐的检修周 期之外，还应在机组停机时利用孔探仪对机组的实 际运行状况进行检查， 综合考虑孔探仪检查的情况 和机组在实际运行的过程中发现的问题来确定具 体的检修日期和检修范围，以确保机组运行的安全 图 196 以运行时数为基准的转子检修周期 图 197 以起动次数为基准的转子检修周期 图 198 甩负荷跳闸的检修系数 355 可靠和降低检修的费用。 图 199 各种检修的工作范围 表 192 推荐的 MS7001EA 燃烧系统检修周期 注： Extendor 燃烧系统耐磨件使燃烧检修延至24000h。 356 19.4 检修的分类 由于燃气轮机各部分工作温度的高低不同，所以检修的周期也不同，通常
13、可将燃气 轮机的检修分成以下三种不同形式。 19.4.1 燃烧系统检查（亦称小修） 由于燃烧系统是燃气轮机中工作温度最高的，所以燃烧系统的部件出故障的几率也 就多些，燃烧系统的检查，即小修的周期也就最短。燃烧系统检查的目的是消除燃烧系 统中影响机组安全运行的因素。根据机组型号的不同，按以烧天然气、基本负荷运行且 没有注水或注蒸汽作为基本条件所推荐的检修周期也不同，详见表191。燃烧系统检修 的范围包括从燃料喷嘴开始到过渡段为止的整个燃烧系统的所有部件，详见图199。 燃烧系统是燃气轮机的各组成部分中变化最大、型式最多的一个组成部分，所以其 图 1910 MS6001 系列燃气轮机上采用的分管型
14、燃烧室的总成图 1燃料喷嘴 2盖板 3外壳 4点火器 5导流衬套 6火焰筒 7环腔 8过渡段 9混合区 10混合射流孔11一次射流孔12燃烧区 13过渡锥顶14配气盖板 15旋流器 图 1911 6FA 燃气轮机的示意图 357 检修的方式方法和技术要求的变化也最多。如GE系统的燃气轮机基本都是采用逆流分管 式的燃烧系统，如图1910图 1912所示，只是由于机组容量的不同，分管式燃烧室 的数量有所不同而已，如MS6001B 型燃气轮机有10个分管式燃烧室，而MS9001E型燃气 轮机有 14个分管式燃烧室；德国Siemens公司生产的燃气轮机多采用圆筒式燃烧室和环形 燃烧室，如图1913是双
15、立式的圆筒形燃烧室，图1914是双卧式的圆筒形燃烧室，图 1915则是环形燃烧室；ABB 公司生产的燃气轮机采用圆筒形燃烧室和二次燃烧的环形 燃烧室，如图 l916是立式的单圆筒形燃烧室，图l917是二次燃烧的环形燃烧室，这种 结构形式虽增加了转子的轴向长度，但可以降低燃气轮机的初温，也就是降低燃烧温度， 从而达到降低 NOx排放造成的污染且保持较高的机组热效率。由此可见， 燃气轮机燃烧系 统的变化还是很大的，因此燃烧系统检修的方式方法也应有很大的差异。 图 1 9 1 2 9 E 型 燃 气 轮 机 的 结 构 图 1 辅 机 底 盘 2 起 动 电 动 机 3 液 力 变 扭 器 4 辅
16、助 齿 轮 箱 5 辅 助 联 轴 器 6 辅 助 联 轴 器 罩 壳 7 进 气 室 8 压 气 机 进 气 缸 9 压 气 机 前 缸 1 0 压 气 机 后 缸 1 1 压 气 机 排 气 缸 1 2 进 口 可 转 导 叶 1 3 压 气 机 静 叶 片 1 4 压 气 机 转 子 1 5 1 轴 承 1 6 高 压 磁 性 传 感 器 1 7 燃 烧 室 外 缸 1 8 火 焰 筒 1 9 过 渡 段 2 0 燃 料 喷 咀 2 1 进 口 圆 锥 2 2 透 平 气 缸 2 3 支 撑 环 2 4 透 平 一 级 喷 咀 2 5 透 平 二 级 喷 咀 2 6 透 平 三 级 喷 咀 2 7 透 平 转 子 2 8 2 轴 承 2 9 3 轴 承 3 0 排 气 框 架 3 1 排 气 室 3 2 负 荷 联 轴 器 3 3 排 气 室 底 盘 3 5 雾 化 空 气 预 冷 器 3 6 燃 料 喷 咀 清 吹 控 制 阀 3 7 排 气 扩 压 器 3 8
