某燃气发电机组寿命评估研究
崔 崇，张春雷，马晓峰，李子松，王 婴
(1.国家能源集团科学技术研究院有限公司，江苏 南京 210023；
2.国能锅炉压力容器检验有限公司，北京 100070；
3.天津滨海电力有限公司，天津 300455；
4.中广核检测技术有限公司，广东 深圳 518034)
世界范围内发电燃气轮机的市场份额目前主要由GE、Siemnes、MHI和Alstom几家公司分割，且各方不对外转让核心热通道部件的设计资料和制造技术，造成长期以来我国发电燃机的寿命评价、检修维护服务均依靠外企完成[1-2]。目前我国在运和在建燃气轮机联合循环发电机组总装机容量超过3000万kW，燃机发电已成为继煤电、水电和新能源发电之后我国第四大发电方式。我国引进的用于发电的燃气轮机组通常发电许可是20年。根据国家能源局[2016]351号等相关文件要求，对于许可到期的机组，需要进行延寿改造和寿命评估工作并提供评估报告才能继续申请服役。但公开报道一般是针对核心的热通道部件等进行材料老化规律进行研究，或者对机组的运行特点进行统计学分析研究等。未见针对某台特定型号的燃气轮发电机组进行整体的延寿改造和寿命评估的文献报道。本文以GE公司6B型燃气发电机组为例，在归纳总结国内外相关研究成果的基础上对机组进行评估，并通过了地方能监办的验收。期望通过本文所述的相关步骤、方法，给其他同类发电机组的延寿评估项目提供借鉴。
刘志坦等[3-5]认为我国发展天然气发电具备政策、资源、基础设施等优势,但面临核心技术受限等问题。国外公司对燃机进行安全和寿命管理工作的主要工序包括信息汇总—目视检查—跳动检查—拆解部件无损检测—缺陷修复—安装和动平衡检测等。国内重型发电燃机的寿命评估工作主要依据国外公司给出的设备运行和安全管理规程，按照当量运行小时/当量启停次数法则对各部件进行整体更换或送往国外进行拆解-修复-重新组装[6-9]。部分大学等研究机构[10-13]，从有限元建模计算等方面进行了尝试，但由于缺少核心的设计资料、材料性能等，难以实际应用。
Girish Shejale等[14]采用涡流检测、超声检测、覆膜金相的无损检测方法对材质为A—286合金的燃气轮机叶轮进行了寿命评估，并主要基于金相检测发现较多碳化物析出物的结果建议更换该部件。Annigeri等[15]针对燃机透平TBC热障涂层提出了采用模拟工况老化结合无损检测的寿命评估方法。化广宇等[16]对于F级重型燃气轮机在设计阶段、运行阶段的寿命评估方法给出了一般性的准则。何其锋、滕伟等[17-18]通过假设燃气轮机的健康指标服从正态分布,对其进行贝叶斯建模，提出一种基于数据驱动的燃气轮机剩余寿命预测方法。徐刚等[19]介绍了西门子公司V94.3A型燃气轮机以等效运行小时为计量依据的寿命估算方法。万安平等[20]提出一种基于多重环境时间相似(METS)理论的燃气轮机热通道部件剩余寿命预测方法，通过计算目标机组在实际运行条件下的实际运行时间和启动次数，得到其在基准运行条件下的等效运行时间和启动次数，将计算结果与最大维修间隔比较，预测目标机组的剩余寿命。田鹏[21]通过强度计算、低循环疲劳试验方法对某型燃机转子的核心部件进行了寿命评估，并在此基础上明确了该型燃机设计的大修周期大于10000 h。梁永纯等[22]建立了常见异常工况类型的寿命损耗计算模型和热端部件的累计寿命损耗计算模型，并进一步给出了相应的定量特征计算系数。
2.1 机组概况
某机组由1台PG6551B型燃气发电机组，1台余热锅炉和1台蒸汽轮发电机组组成。由于发电许可到期，按照国家能源局[351]号文件要求需进行延寿改造和寿命评估工作。其中燃气轮机型号PG6551B，主要是由17级轴流压气机、三级透平和10个环管式燃烧室组成。燃气轮机核心部件如转子、喷嘴、燃烧系统及控制器为美国GE公司提供的进口产品。发电机按引进英国布拉什（BRUSH）公司的技术生产。燃机燃用燃料符合 GEI—41047H规范要求，ISO状态下输出功率39160 kW，燃机压比11.8，透平进口温度1104℃，排气温度541℃。
2.2 评估方法
评估方法包括的主要工作步骤包括：“机组技术资料汇总分析”—“机组关键部件服役安全性现场无损检测”—“燃机性能试验”—“机组关键部件当量法则寿命计算”。各步骤的主要内容简述如下：技术资料汇总分析主要收集和分析燃机发电的国家和产业相关政策、环保监测报告、机组设计、运行历史记录、检修记录和技术总结报告。对机组延寿评估工作和排污环保指标是否符合国家产业政策进行分析；
对机组主要技术参数、运行历史记录、部件更换记录进行统计分析，全面掌握机组的技术资料。
机组关键部件服役安全性现场无损检验则主要针对燃气轮机本体的热通道核心部件开展无损探伤工作。6B型燃机本体热通道部分主要是由17级轴流压气机、三级透平和10个环管式燃烧室组成，如图1所示。现场检验主要依据NB/T 47013.5、7标准开展目视检查和渗透检验，发现问题后主要依据GE公司的《燃气轮机的使用与维护规范》进行缺陷分级和判定，并根据判定结果进行维修或更换处理。
图1 6B型燃气轮机结构简图Fig.1 Structure diagram of 6B gas turbine
燃机性能试验主要通过测试燃气轮机机组出力、热耗率、轴承座振动、污染物排放指标，确定机组关键指标是否满足其设计性能保证值。
机组关键部件当量法则寿命计算主要依据GE公司发布的《重型燃气轮机的运行和维护说明》(GER3620K)进行当量运行小时与当量启动次数的计算，根据计算结果决定各部件的剩余使用寿命，应指出整台机组的使用寿命由不可更换的热通道核心部件—转子的剩余寿命所决定。
上述评估方法中，第一步通过技术资料汇总分析初步掌握机组的设计结构、检修和部件更换记录情况，在此基础上针对最近一次大修中未更换过的或者未检验过的部件制定更加详细的机组关键部件服役安全性现场无损检验方案，从而确保检测工作覆盖所有的主要系统和部件。根据第二步的检测结果，对于存在问题的系统或者部件应进行修复或者更换处理。在确保机组主要系统和部件检验状态完好的基础上，通过第三步的燃机性能试验对机组的关键设计性能指标进行试验，确定机组运行的关键技术和环保指标满足规范要求；
最后综合采用当量启动次数和当量运行。
3.1 机组技术资料汇总分析
（1）机组环保监测指标
燃气—蒸汽联合循环发电厂的可能存在环保指标包括了烟囱黄烟[23-26]、废水和污泥处理[27-32]、噪声[33-39]等几个方面。本项目调取并审查了该机组最近两年内每个季度的废水检测报告、废气检测报告，以及相关技术改造项目技术报告的内容。经查询和对比，发现该机组的污水排放、废气排放指标均达到最新的地方标准要求，分别见表1、表2。
表1 某6B型燃机废水排放检测值与标准限值对比Tab.1 Comparison of wastewater discharge detection value and standard limit value of a 6B gas turbine unit
表2 某6B燃机废气排放检测值与标准限值对比Tab.2 Comparison of exhaust emission detection value and standard limit value of a 6B gas turbine unit
（2）机组运行和检修记录
自投运以来，燃机发电机组运行稳定、可靠，未发生事故。根据天然气供应情况，采用连续运行或两班制运行方式，统计数据表明机组运行总小时数为72482 h，总启动次数3119次，紧急跳闸次数197次。该机组检修记录显示每年小修一次，每三年中修一次。分别在2005、2009、2014、2016年进行了机组大修。大修期间更换的主要部件列表见表3所示。包括燃机透平一、二、三级喷嘴及动叶、完成了低氮燃烧改造，燃烧系统更换为GE公司的DLN1.0燃烧系统，并将机组控制系统由MARK V升级为MARK VIE。2016年对燃机透平气缸进行了更换。
表3 某6B型燃机主要部件更换统计Tab.3 Replacement statistics of main components of a 6B gas turbine unit
3.2 机组关键部件服役安全性现场无损检测
（1）燃机本体
综合采用宏观目视检测、渗透和涂层测厚等方法对燃机本体的热通道核心部件进行了无损检验，见图2。检验发现的缺陷主要位于过渡段、透平第1级、第2级喷嘴、以及透平第1级动叶片，详见表4。其他部件经检验未发现相关缺陷。所有缺陷件均按照GE公司《燃气轮机的使用与维护规范》进行了处理。
表4 某6B型燃机现场无损检测发现的缺陷统计表Tab.4 Statistical table of defects found in field nondestructive testing of a 6B gas turbine unit
图2 某6B型燃机现场无损检测Fig.2 Field nondestructive testing of a 6B gas turbine(a)rotor,(b)transition section,(c)turbine blades
（2）辅机和控制系统
根据资料汇总分析结果，所述燃机发电机组的辅机均按检修要求进行维护保养，工作正常。辅机主要包括启动电机、减速齿轮箱、天燃气存储和供气系统等。燃机的控制系统于由MARK V升级为MARK VIE，目前工作正常。
3.3 燃机性能试验
主要依据《燃气轮机性能试验规程》(ASME PTC 22—2005)、《燃气轮机热力性能试验》(GB/T 28686—2012)等规程，针对延寿改造大修后的燃机在100%负荷工况下完成了燃气轮机机组出力、热耗率、轴承座振动、污染物排放试验。主要试验结果为试验燃机功率为35154.29kW，试验热耗率为11560.51kJ/(kW·h)；
修正后燃机功率为38185.33kW，热耗率为11148.10 kJ/(kW·h)。试验期间燃气轮机轴承座振动最大值为2.39 mm/s。烟囱出口污染物SO2排放0.6mg/m3，NOx排放为18.4 mg/m3。燃气机组噪声最大达到84 dB(A)。以上试验结果均满足机组设计和相关标准规范要求。
3.4 机组关键部件当量法则寿命计算
不同的工作状态，燃机以不同方式损耗。影响机组寿命的各种因素分别当量为（或称为当量）运行时间或启动次数。如燃料种类和质量、燃烧温度设置、注水/汽量等因素均与时间准则相关。燃机机组工作的基本状态为燃机在没有注水/汽，燃用气体燃料且连续运行。在上述基本状态下，燃机各组成部分可以满足基本服役寿命。各部件的实际运行小时数和实际启动次数可以通过考虑维护因数的方法分别换算成为当量运行小时数和当量启动次数。若某部件任意一项当量计算值达到或超过基本服役寿命，则该部件寿命结束。因此当量启动次数与当量运行小时数应以其中先达到的条件为评估寿命值。
为了计算机组剩余寿命，需估算出今后机组年平均当量运行小时数和年平均当量启动次数。本文采用计算该机组各部件最近10 a的年平均当量值作为今后的年平均当量值的估算值。各部件的剩余当量值除以该估算值，即可估算出各部件剩余的服役年限，计算结果如上表5。由于热通道第1-3级复环的当量运行小时数已超过其设计寿命，且已检修予以更换，因此表中所列1-3级复环为更换后新品的预计服役年限。该机组的燃烧器组件和其他热通道部件均可以在接近服役期限前更换备品件即可满足安全运行条件。燃机的寿命主要取决于不可更换的透平转子，根据计算结果，该机组（转子）可继续安全服役10 a。
表5 待评估燃气轮发电机组各部件预计服役年限Tab.5 Predicted service life of gas turbine generator components to be evaluate
本文在广泛调研国内外关于发电燃气轮机运行与维护情况的基础上，对某6B燃气轮发电机组进行了寿命评估。主要评估步骤包括：“机组技术资料汇总分析”-“机组关键部件服役安全性现场无损检测”-“燃机性能试验”-“机组关键部件当量法则寿命计算”。结论如下：
(1)通过审查机组废水、废气排放检测报告，并对机组运行和检修记录进行汇总分析，结果表明该燃机发电机组延寿运行符合国家及产业政策要求；
排污指标达到最新地方标准要求；
机组主要组成部件按照GE公司的检修规范要求进行了检修和更换。
(2)通过对涉及燃机安全运行的关键部件进行现场无损检验，在燃机本体发现含有超标缺陷的部件均在大修期间完成了备件替换。燃机各辅机均按要求进行检修和维护且正常工作。
(3)通过对燃机延寿改造大修后机组出力、热耗率、轴承座振动、污染物排放进行试验检测，结果表明该机组出力和热耗率均满足设计要求，振动值满足保证值要求，烟囱出口污染物排放浓度满足地方最新排放法规要求，噪声满足设计要求，机组各项性能指标正常。
(4)依据GER3620K规范结合机组运行、检修记录对机组各部件的当量运行小时和当量启动次数进行了计算。结果表明制约整台机组服役寿命的透平转子剩余安全服役寿命为10 a，其余部件均可通过更换备品件满足机组安全运行要求。
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