燃气轮机联合循环机组运行事故

燃气－蒸汽联合循环发电设备的运行事故华北电力大学能源与动力工程学院2023/2/412023/2/42联合循环发电机组偏离正常运行方式的各种工作状态，统称为异常或故障。当正常运行的工况遭到破坏，设备出力被迫降低，以及造成设备损坏、人身伤亡时，则称为事故。燃气轮机启动失败燃气轮机启动性能的好坏，直接影响到机组的应急启动和调峰能力。但有时启动时会出现各种故障，甚至使机组无法正常运行。因此很有必要对燃气轮机启动出现的故障进行分析以找出原因，提出处理方法，以提高机组启动的成功率。2023/2/43

一、启动时机组升速缓慢或不能升速1．启动机故障1）启动电机有故障，不能达到满转速，如电动机两相运行、机械卡涩等。2）启动柴油机有故障，如空气滤清器堵塞、喷油器雾化不良等。2、液力变矩器不能传输正确地输出扭矩1）启动机带动的液力变扭器增压油泵故障，使油泵出口的油压降低，引起变扭器出力不足，或者液压油节流器间隙过大，可用调整螺钉调节节流器间隙。2023/2/442）液力变扭器泵轮、涡轮或导轮损坏，使变扭器传递给燃气轮机主轴的力量不足。3）速度／扭矩控制电磁阀卡涩，不能建立油压。2023/2/45

二、点火失败1.燃油系统原因1）点火燃料的物理、化学特性不能满足点火要求，如轻油热值太低或含水分太多。2）燃油系统中存有空气，造成供油脉动现象，甚至导致燃油过流量保护动作跳机。3）主燃油泵和离合器故障。主燃油泵由辅助齿轮箱通过电磁离合器带动，若电磁线圈电阻及绝缘下降，将使电磁线圈磁力不足引起主燃油泵出力不足，造成原油压力低而熄火，从而导致启动失败。4）燃油流量分配器卡涩、磨损，就可能引起燃油量进油不足或进油量分配不均匀。5）上次停机时，烧轻油时间不够长，在油管线中残留较多的重油，燃油流量分配器转动困难，导致点火不成功（冬季较易出现），此时应对重油管线用轻油进行吹扫。6）燃油滤网堵塞或阀门误操作使供油量不足，燃油压力太低。

2023/2/462、雾化空气系统原因雾化空气压力太低，燃油雾化不好，将导致点火失败或燃烧恶化。1）启动时的雾化空气是通过辅助雾化空压机提供的，它由电动机通过v形皮带传动。若v型皮带磨损打滑或脱落，将使空压机出力下降，或者空压机长期停运锈蚀卡涩，影响燃油雾化质量。2）由于燃油喷嘴积碳或雾化空气通道堵塞，使雾化空气流量减少或混乱，从而造成燃油雾化质量差，燃油燃烧不完全。2023/2/473、点火系统原因1）点火火花塞积炭、氧化或损坏，致使其不能打火或不能起弧并形成点火火炬。2）点火系统的电气回路熔断器烧断，点火变压器绝缘不良或断路，火花塞的中间电极接地或接线不良，导引电缆芯绝缘层碳化或产生裂纹而分散放电，电缆接头绝缘下降。2023/2/483）采用火焰点火器的机组点火时，点火气体压力不足，或者点火时点火气体压力下降太快，以致燃油在点火期间不能被完全点燃，在点火气体熄火后燃油无法继续维持燃烧，造成点火失败。在机组启动前应检查火花塞的放电间隙，清除中间电极与侧电极之间可能存在的积炭和异物，定期检查电气回路和点火变压器的绝缘。4．控制系统原因1）燃油伺服阀或燃油旁通阀故障，造成燃油流量异常而点火失败。如果供油量过多（即富油燃烧）而使火焰熄灭，这种燃烧有可能产生爆燃，对机组的危害性很大。如果供油量太少（即贫油燃烧），则无法维持正常燃烧。2）燃油流量测速探头故障，流量反馈信号错误，导致燃油流量没有或过低。3）火焰检测系统故障，如火焰探测器信号窗口积灰，导致检测到的信号强度偏小，控制系统误判断为点火不成功而停机。2023/2/410二热悬挂热悬挂简称热挂，是燃气轮机在启动过程中可能发生的一种故障，它发生在启动机脱扣以后。该现象是，启动机脱扣后，机组转速停止上升，运行声音异常，若继续增加Gf，T3随之升高，但转速却不上升，反而呈现下降的趋势，最终导致启动失败。2023/2/411原因:启动过程线较靠近压气机喘振边界。启动机脱扣后机组的剩余力矩显著减少，如果在脱扣前操作不当，Gf增加较快，比原定的高，运行点靠向喘振边界，压气机中可能发生失速现象，ηC降低，MC增加，启动机脱扣后MEX就可能变为零，转子停止升速，就象被“挂”住似的，故称热挂。2023/2/412这时增加Gf，T3*升高，从而MT增加，但运行点更靠向喘振边界，ηC进一步降低使Mc增加得比MT多，MEX变为负的，导致转速下降，最终使启动失败。在发生热挂时，正确的措施是适当减少Gf，使运行点下移离开喘振边界，压气机脱离失速工况，消除因热挂而产生的异常声音，然后再逐渐增加Gf

，这时若处理得好，就可以便机组脱离热挂而继续升速，避免启动失败。2023/2/413靠人工手动操作来启动燃气轮机时，Gf往往不能严格按照预定的规律变化，因而可能产生热挂现象。当改用自动程序控制启动时，Gf能严格按照给定的规律变化，一般是不会发生热挂现象的。如果是由于原来设计不当而导致热挂时，则应减慢Gf的增加速率，减慢启动过程，可能时还可适当提高启动机的脱扣转速。2023/2/414此外，如果压气机进气滤网堵塞或通流部分污染，效率降低，特性曲线变坏，就会引起压气机出力不足，致使启动时压气机耗功量过大，在启动机功率不足时，就容易使启动失败。透平通流部分结垢，致使透平的阻力增加，因而在启动过程中机组的运行线就会向压气机的喘振边界线方向靠近，甚至进入喘振工况，使机组启动失败。2023/2/415燃气轮机的振动发电机组工作的可靠性，在相当大程度上决定于它的振动状况，一般来讲，回转式机械在运转中是允许有一定程度的振动的，但这种振动必须限制在较小的数值范围内，否则将会带来一定的危害，甚至引起极严重的后果。2023/2/416

一、振动对燃气轮机的影响1）压气机或透平的转子和动叶等部件因动应力过高而出现疲劳裂纹或疲劳折断。若振动较大，则有可能使叶片和静子发生碰擦而发生断裂。2）通流部分的气封发生动、静碰磨而损坏，当汽封严重磨损时会影响机组效率。3）机组部件连接处松动，气缸、轴承座与基础台板间的刚性联系遭到破坏，地脚螺丝断裂，滑销磨损，转子中心偏移。4）控制系统和保护装置不能正常工作。例如，转子磁性测速传感器在机组的振动较大时，有可能会引起数模转换的失误，出现“丢转速”的现象，即测量到的转速比机组的实际转速低，从而引起转速控制系统的失准和超速保护实际动作转速升高。振动较大也可能导致就地危急保安器误动作等。2023/2/4175）由喘振引起的燃气轮机转轴振动可能会引起负载和转速突然变化，导致转子轴向位移快速变化，影响推力瓦的可靠性。6）发电机转子护环松弛磨损，芯环破损，电气绝缘磨破，以致造成接地或短路。因此，要使机组安全可靠地运转，必须限制机组的振动并设置振动保护系统。2023/2/418二、燃气轮机振动的机理燃气轮机与汽轮机在转子结构、支撑结构、气缸（汽缸）结构、工作介质、运行方式等方面的不同，导致两者的振动特性差别较大，不能完全套用处理汽轮发电机组振动故障的经验。1.转子刚度目前燃气轮机普遍采用单轴双支点结构，转子广泛采用拉杆盘鼓式结构。这种结构的燃气轮机转子刚度较低，若停机后处在某静止位置时间过长，转子会产生暂态弯曲变形。2023/2/419研究表明，在盘车脱开后最初几个小时之内，轴弯曲以5μm／h的变化量增加。但一旦启动盘车装置，转轴径向弯量每2h就下降50％，一般经过几个小时的连续盘车后，燃气轮机转子的暂态弯曲即可基本消除。2023/2/420现场实测数据分析表明，在燃气轮机启动过程中，25μm的轴弯曲能引起大的振动，所以在燃气轮机上必须安装监测转子弯曲（偏心、晃度）的探头，精确监测机组盘车装置处燃气轮机转轴的径向弯曲。在机组启动前若发现转轴弯曲过大，可通过延长盘车时间来消除或减小。2、热不稳定性转子的拉杆盘鼓式结构可导致燃气轮机出现热不稳定性。对于大型燃气轮机典型的冷态启动，在最初的45－60min运行中，燃气轮机振动极不稳定，往往表现为振动大幅增加或减小，基频振动幅值变化量范围为50－80μm，基频振动相位变化量一般在60左右，严重时可引起机组安全监测保护系统报警或跳机。这种现象通常称为热不稳定性，2023/2/421原因为从压气机转子引出的一股冷却空气冷却空心转子后，又沿径向再冷却轮盘及叶片，由于冷却不均匀使转子产生暂态热弯曲，表现为燃气轮机转子不稳定的强迫激振响应。一般运行约1h后，温度分布趋于均匀，基频振动幅值和相位会趋于稳定，振动逐渐减小。2023/2/422由转子横截面温度不对称及温度场不稳定引起的燃气轮机振动特征与汽轮机转子存在动静碰磨的振动特征完全相同，若对燃气轮机转子振动特性没有深入细致的了解，则有可能判断燃气轮机存在动静碰磨故障，导致采取错误的运行、检修及处理措施。3、转子动平衡2023/2/423①长期运行使压气机叶片出现严重周向不均匀磨损；②部分叶片或围带脱落；③由于转子本身刚度较小，机组在停机后处于某个静止位置时间过长，使转子产生暂态弯曲变形；④长期运行使转子中心及叶片表面不同程度积垢；⑤转子各部分在运行过程中由于温度不对称引起热变形不均而造成的转子热弯曲。经验表明，由单纯质量不平衡引起的同步振动的幅值和相位在某一转速下应具有重复性、稳定性及可预测性。但当转子内部积灰或结垢时，会造成振动测试时基频振动不重复及不稳定，增加振动故障诊断难度，降低动平衡效果。2023/2/424在条件允许的情况下：①燃气轮机转子平衡前应先清洗转子本体，重新启动测试瞬态、稳态基频振动响应后再进行平衡；②工作转速下燃气轮机振动对转子温度分布非常敏感，常常导致初定速时振动不稳定，所以平衡前必须认真、仔细地进行振动测试，并应有丰富的选择原始不平衡振动数值的经验，才能使轴系平衡获得成功；③因为燃气轮机振动响应具有柔性支撑条件下挠性转子的动力特性，所以平衡燃气轮机转子之前应综合分析瞬、稳态下转子相对轴振、轴承座振动响应，正确判断转子不平衡轴向位置及不平衡阶次，考虑相对轴振与轴承座振动机械滞后角差别，确定平衡重量型式、大小及角度。2023/2/425燃气轮机转子平衡可分为制造厂平衡和现场平衡。转子出厂前或大修期间在制造厂进行平衡时，燃气轮机转子上一般有3－4个加重平面可以利用。此时可先对转子自身进行平衡，将转子本身平衡状态调整好后，再按照叶片在转子轮盘上对称等重分布以及叶片力矩均布原则安装叶片，最后进行燃气轮机转子整体平衡，这样做效果较为理想。2023/2/426现场动平衡一般在转子两端平衡槽内对称加重以消除一阶不平衡响应，在转子两端平衡槽反对称加重来消除二阶不平衡响应。若燃气轮机转子存在较大三阶不平衡分量，即使通过平衡手段有效消除一、二阶临界转速下的不平衡响应，工作转速下燃气轮机振动还可能偏大。由于采用两平面对称加重消除三阶不平衡响应有可能再次激发一阶临界转速下的振动，同时平衡三阶振型的灵敏度较小，平衡效果较差，即采用传统的两平面加重法平衡燃气轮机转子工作转速下基频振动的措施可能达不到预期目的。2023/2/427现场不揭缸平衡燃气轮机转子，一般有3个校正平面可作平衡，即压气机侧末级叶轮、透平侧末级叶轮以及转子中部轮盘。按照模态平衡理论，3个加重平面满足消除转子前三阶不平衡响应的条件。同时现场高速动平衡燃气轮机发电机组的实践表明，在燃气轮机与发电机之间的连接短轴上加重，也可有效降低燃气轮机的同步振动。2023/2/428燃气轮机的压气机端轴承座常与气缸铸为一体，而透平端轴承座则安装在透平排气缸上。燃气轮机转子相对于支撑结构而言较重，且基础动刚度较低，使支撑结构固有频率落入机组转速范围之内，即机组在升、降速过程中除了通过燃气轮机转子一、二阶临界转速之外，还要通过结构共振转速，这就使燃气轮机振动特性带有柔性支撑转子的动力特性。在设计燃气轮机转子时，应进行转子、轴承及基础动力特性计算分析，使结构共振转速避开转子一、二阶临界转速，同时也应使共振转速及第二、三阶临界转速避开机组工作转速，降低工作转速下燃气轮机转子质量不平衡响应的灵敏度，提高机组负载工况下振动稳定性。2023/2/4294、支撑刚度在机组启动、停机或振动故障状态下，气缸对燃气轮机振动响应有显著影响；压气机端轴承座动刚度与透平端轴承座动刚度差别也较大；同一轴承座水平方向动刚度显著低于垂直方向动刚度。传感器测量的转子相对轴振反映转子在轴瓦间隙内的动态响应，而轴承座振动反映支撑结构在经油膜传输而来的转子横截面剪力激励下的动态响应。对于刚性支撑转子来说，当轴振增大时，其结构振动（轴承座振动）也增大。对于柔性支撑转子，相对轴振与轴承座振动之间并无简单的比例关系，而且测试得到的燃气轮机转轴相对振动数值受晃度、轴系振型节点、传感器安装位置等的影响，对某些机械故障的灵敏度比结构振动响应（轴承座振动）灵敏度要小。2023/2/430由于滑动轴承的油膜随转速升高而变厚，旋转机械转轴在轴瓦内的平均位置将随转速变化。当转速稳定时，转轴平均稳态位置也应基本保持不变。在稳态工况下，若转轴平均稳态位置在轴瓦间隙圆内发生较大变化，尽管轴系振动值不大和（或）振动变量不大，该旋转机械仍有可能存在某种潜在故障。

2023/2/4315、转轴径向位置就燃气轮机而言，当排气缸温度上升后，透平端轴承座受热会发生膨胀变形，不同支撑结构对轴心轨迹形状以及工作转速下转轴在轴瓦内的径向位置有非常显著的影响。采用切向肋板弹性支撑的透平端轴承座，在热态下因膨胀会逆转子旋转方向推动轴承座转动，使轴心位置图发生变形，有可能使负载工况下测量的转轴径向位置超出轴瓦间隙圆或发生较大变化，但这并不表示燃气轮机一定存在某种机械故障2023/2/4326、喘振当燃气轮机运行较长时间后，压气机叶片结垢等因素会引起压气机的实际喘振边界向下移动，使压气机共同工作线进入喘振边界线，从而诱发压气机喘振故障。旋转脱离和喘振发生后，燃气轮机将出现