M701F燃机热通道部件损耗情况及原因分析

摘 要：通过一个特例介绍DSS机组对M701F燃机热通道部件寿命的影响，分析可能的原因，提出整改建议，以供参考。

关键词：GT（燃机） HGPP（热通道部件） 寿命 DSS（日起停）

中图分类号：TK477 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）008-043-02

1 前言

1.1 M701F燃机简介

M701F燃机是由日本三菱公司引进原西屋公司的燃机改型设计，该燃机由进气室、17级轴流式压气机、20个燃烧器组成的环管式燃烧室、4级透平及排气段组成，燃烧温度约1400℃，排气温度约600℃，出力约25万KW，效率约38%，是目前广泛使用的高性能大型燃机之一。

1.2 国内的使用情况简介

随着广东LNG项目及西气东输项目的建成投产，一大批配套燃机电厂相继建成投运。第一批打捆招标项目的10台M701F燃机就是其中之一，该批燃机于2005年至2007年期间全部建成投产。这10台燃机中，只有一台在北京，为每年约2/3时间调峰供热运行（连续运行），1/3时间停机状态；其余9台燃机在广东，全部为DSS的调峰运行方式。

2 M701F燃机热通道部件检修维护间隔要求及预期寿命

M701F中暴露在高温气体通道中的部件定义为“有限寿命”部件，这些部件的寿命受到设备运行条件的影响。在计算高温部件的寿命及安排检修计划时，三菱引入了“等效运行小时”数（EOH）的概念，所谓等效运行小时数是在考虑了起停、负荷变化、跳机等运行情况影响下的一个换算时间。通过对燃气轮机的EOH的计算，可以在部件寿命期内适当的时候安排计划维修。燃气轮机的HGPP的检修分别在燃烧室部分检修（C检）、透平部分检修（T检）和大修检修（M检）时进行。C检时检查燃烧室部件，燃料喷嘴，燃烧室旋流组件，联焰管，点火器和火焰筒；T检进行透平部分的检修（即透平检修）是为了检查燃气轮机高温气体通道的所有部件，包括C检部分的检修；检修包括拆除透平气缸盖和燃烧室部分，但是转子不做拆除；M检是通过拆除所有的缸盖并将燃气轮机转子吊出后对燃气轮机的所有组件进行检查。

三菱根据设计，结合多年的燃机运行经验，对M701F燃机HGPP给出了如下的建议的检修时间间隔，以及预期寿命。燃烧室火焰筒、过渡段及联焰管在8000EOH或者300次启动需要进行检修，预期寿命24，000 EOH（1）或1，600次起动；燃料喷嘴8000EOH或者300次启动需要安排检修，预期寿命为50，000 EOH（1）或1，800次起动；第一、二级透平动、静叶片及第一级分隔环在16000EOH或者600次启动时需要进行检修，预期寿命为50，000 EOH（1）或1，800次起动；第二级透平静叶片、分隔环及第二、三级透平动叶片在16000EOH或者600次启动时需要安排检修，预期寿命是50，000 EOH（2）；第三级透平静叶片、分隔环在16000EOH或者600次启动时需要安排检修，预期寿命为80，000 EOH（2）；第四级透平动、静叶片、分隔环在16000EOH或者600次启动后需要检修，预期寿命为100，000 EOH（2）。①

3 某厂M701F燃机热通道部件的现状情况

某厂三台机组于2006年底至2007年初全部建成投产，以DSS方式运行，每台年均运行约3500小时，起停约220次。根据三菱的检修间隔要求，到目前为止，已完成了4台次T检（透平检修），4次T检对相应HGPP返厂检测和修理后的报废情况如表1。

从表1可以看出，HGPP的寿命损耗十分严重，远远偏离设计的预期寿命，尤其是一级动叶，超过1/3的叶片使用寿命仅为预期寿命的33%（按起停次数计算），如果按EOH计算，超过1/3叶片使用寿命不足预期寿命的25%。

另据了解，广东三个DSS电厂的9台M701F燃机一级动叶在第一次T检时总共报废345片，报废率高达39.93%，其中最多的一台报废87片，只有9片还可以修复使用，也就是说超过90%的叶片的实际使用寿命仅为预期寿命的33%。

4 热通道部件寿命异常损耗的原因分析

燃机热通道部件在长期的高温环境下会出现母材和涂层的性能退化、氧化、蠕变、热疲劳、腐蚀、烧蚀等，使其性能下降，寿命损耗缩短，直至报废。影响热通道部件的主要因素是：

（1）设计、制造与安装质量：热部件的气动热力、冷却与结构设计水平，母材与涂层的材料性能，加工质量以及安装质量决定了热通道部件的使用寿命。

（2）运行条件：燃机累计运行时间、起停次数、负荷特点、燃料特性、非正常工况等，直接影响热通道部件的使用寿命。正常运行条件下，上述各参数对热通道部件寿命的影响反映在厂家给出的等效运行小时数（EOH）计算公式中：

（3）热部件的修理：热部件检修时需要对发现的损伤进行修理，其修理的工艺技术水平，直接影响其后续使用的可靠性和寿命。

针对某厂M701F燃机热通道部件在第一次T检时就出现大面积报废的情况，有关各方对部件报废原因进行了深入的分析研究，情况表明，DSS运行方式引起热部件的低周热应力疲劳，从而产生的裂纹迅速扩展，是热部件报废的直接原因：

根据三菱公司对F和G级燃机透平叶片裂纹扩展的统计结果（如图1）表明，裂纹的扩展速度与运行时间和启动次数基本成正比，图1中斜率较大的上边界线是DSS方式运行的机组，斜率较小的下边界线表示按基本负荷方式运行的机组，可以看出，前者的裂纹扩展速度是后者的2倍多，而且随着运行时间的增加，两者裂纹扩展速度差也增大。

同时，我们了解到，同一批打捆招标，2005年第一台在北京的投产的M701F机组，到目前为止没有叶片或者其他HGPP报废，而其运行的EOH远大于三个DSS电厂的机组，目前该机组的燃烧筒已经超过预期寿命，正在进行燃烧筒超期运行的试验，以期进一步延长设备的使用寿命。

可见，DSS运行方式下，M701F机组热通道部件的低周热疲劳是其产生裂纹迅速扩展导致报废的重要原因。

5 总结建议

结合上述分析可以看出，相同条件下，DSS运行方式将更容易导致燃机热通道部件寿命损耗。

鉴于此，可以从以下两个方面来减小HGPP的寿命损耗，延长HGPP尤其是透平一级动叶的使用寿命。

（1）优化HGPP的结构设计，提高材料、高温涂层的性能，改善优化HGPP，尤其是透平一级叶片的冷却系统。三菱已经在这方面进行了改进研究，增加了冷却孔，改变了冷却气流的方向，理论上这种改良后叶片在DSS机组上的使用效果会优于以前，但效果究竟有多大，还有待验证。

（2）优化运行方式，改变现有DSS运行方式为周起停调峰或者带基本负荷的运行方式，从已有的实例来看，这将是最直接最有效的方法。

注释：

① 文中EOH（1）和EOH（2）分别是针对第一类HGPP及第二类HGPP进行修正计算的EOH，EOH和启动次数以先到者为准.

参考文献：

[1] 王强.M701F燃气轮机的结构特点[J].东方电气评论，2003，17（4）：180-181.

[2] 王天峰，吴福明.先进的M701F型燃气轮机及其联合循环[J].黑龙江科技信息，2008（6）：28-29.

[3] 三菱重工高砂制作所.PLANT DESING AND SYSTEM DESCRIPTION（SD） & OPERATION PROCEDURES AND INSTRUCTION（OP） & AINTENANCE ROCEDURES AND INSTRUCTION（MP），2005.

[4] 蒋洪德.燃气轮机热端部件状态检测和寿命管理[J].燃气轮机发电技术，2005（10）：157-165.

[5] 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，2005（4）：28-30.

[6] K.Takahashi，K.Akagi，etc.Factors for Improving Reliability in Large Industrial Gas Turbines，ASME GT 2004-54196.

[7] 2012年中国M701型燃气轮机用户技术交流会资料.