Аварии и неполадки газотурбинных установок



Все об электростанциях


 


Аварии и неполадки газотурбинных установок


Причины аварий и неполадок ГТУ


Аварии и неполадки в работе газотурбинных установок (ГТУ) возникают вследствие конструктивных и технологических недоработок, дефектов материалов, сборки, монтажа, а также неправильной эксплуатации.

Конструктивные и технологические недоработки, дефекты сборки и монтажа устраняют при сдаче и пробной эксплуатации ГТУ. Наибольшее число повреждений в этот период приходится на газовые турбины и примерно в три раза меньшее — на компрессор, камеры сгорания с газоходами и подшипниками. Еще вдвое меньшее — на теплообменники и выходные газоходы. После длительной работы чаще повреждаются компрессор и турбина в основном вследствие неправильной эксплуатации. Увеличить число аварий и неполадок могут некачественные ремонт и монтаж оборудования. Сварочный брак, остатки электродов, грязь, обтирочные концы, посторонние предметы, оставленные внутри оборудования, могут вызвать тяжелые аварии. Недопустимо также повреждение деталей оборудования при монтаже. Причинами повреждений могут быть незнание правил ремонта и назначения деталей, несоблюдение правил строповки, невнимательность обслуживающего персонала. Нарушение режима эксплуатации может привести к тяжелым последствиям, вплоть до полного разрушения оборудования. Кроме того, недопустимы ошибки эксплуатации, ведущие к загрязнению окружающей среды, снижению надежности и экономичности ГТУ.

Наиболее часто при эксплуатации ГТУ повреждаются рабочие лопатки и ротор турбины, ее направляющие лопатки и диафрагмы, рабочие лопатки и ротор компрессора, камеры сгорания, подшипники.

Документом, определяющим условия безопасной и экономичной эксплуатации ГТУ, являются «Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей», на основе которых разрабатываются местные инструкции по эксплуатации. Обслуживающий персонал ГТУ обязан знать и строго выполнять все требования и предписания, изложенные в этих документах.


Аварии и неполадки газовых турбин и компрессоров


Ротор турбины работает при высокой температуре и на него воздействуют силы, пропорциональные квадрату частоты вращения. Наиболее опасно увеличение частоты вращения ротора выше установленной нормы. При этом разрушаются рабочие лопатки турбины. При значительном превышении частоты вращения разрушается и сам ротор, что приводит к разрушению корпуса турбины, а зачастую и здания электростанции.

При нормальной работе системы регулирования повышение частоты вращения при сбросе нагрузки невелико и автомат безопасности не вступает в работу. Основным условием безопасной работы роторов турбин и компрессоров является нормальное состояние системы регулирования, соответствующее требованиям «Правил технической эксплуатации», а также своевременное проведение необходимых испытаний и ремонтных работ.

В наиболее тяжелых условиях работают рабочие лопатки турбины: на них воздействуют большие центробежные силы, потоки газа, имеющие высокие скорости и температуры, переменные нагрузки. В этих условиях часто наблюдается усталостное разрушение лопаток турбины, бандажей, бандажной проволоки. Усталостные разрушения возникают вследствие того, что собственные частоты колебаний лопаток совпадают с частотой возмущающей силы, т.е. лопатки попадают в резонанс. Частота переменных усилий, действующих на лопатки газотурбинной установки со стороны газа, зависит от частоты вращения ротора. Даже при небольшом изменении частоты вращения лопатки могут попасть в резонанс и разрушиться через короткое время. Так как частота вращения ротора турбины зависит от частоты электрического тока сети, в которую включен электрический генератор, то работа его при пониженной частоте недопустима.

При усталостном разрушении происходит отрыв части или всей лопатки, части бандажа или бандажной проволоки. Отрыв одной лопатки обычно приводит к повреждению всех рабочих лопаток данной ступени, а также сопловых лопаток соседней ступени. Внешне повреждение рабочих лопаток проявляется в появлении слышимых металлических звуков и необычных шумов внутри турбины. Если слышны удары различной силы в проточной части или посторонние звуки турбину немедленно останавливают. При поломке лопаток и задеваниях в проточной части турбины возрастает вибрация ротора. О поломке нескольких рядов лопаток судят по снижению нагрузки при постоянном расходе топлива.

При работе на запыленном воздухе или топливе высокой зольности лопатки турбины подвергаются эрозии. Как правило, эрозий подвергается рабочие лопатки со стороны входной кромки, а сопловые — со стороны выходной. Лопатки, поврежденные эрозией, легко обнаруживают при очередном ремонте и заменяют. Лопатки первых ступеней турбин обычно повреждаются окалиной или мелким сварочным гратом, остающимся после монтажа или ремонта. Поверхность их становится шероховатой, входные кромки имеют вмятины и загибы. При ремонте лопатки заменяют в зависимости от их состояния и наличия трещин. Эрозия и износ лопаток являются дополнительными источниками вибрации ГТУ.

Основными источниками вибрации являются наиболее массивные вращающиеся детали: роторы турбины, компрессора, электрического генератора и возбудителя. Причины, вызывающие повышенную вибрацию, могут быть различны. Одни из них связаны с особенностями конструкции установки, другие появляются в процессе ее изготовления и монтажа, третьи обусловлены режимом эксплуатации. При воздействии на ротор периодической силы, изменяющейся с частотой, равной одной из частот собственных колебаний, ротор попадает в резонанс. При этом отклонения ротора от положения равновесия будут наибольшими и его вибрация резко увеличивается. Когда ротор разгоняется до рабочей частоты вращения, он может один или несколько, раз попадать в резонанс с различными формами колебаний. Частоты вращения, на которых ротор попадает в резонанс, являются опасными для работы ГТУ. Этот период ее работы должен быть возможно короче. Для каждой ГТУ в инструкции по эксплуатации оговорены резонансные частоты вращения роторов.

Частоты собственных колебаний зависят от размеров ротора и его массы. На значение резонансных частот влияет жесткость подшипников, корпуса турбины, компрессора и фундамента. Амплитуду вибрации измеряют на подшипниках. Если при первом пуске ГТУ амплитуда вибрации не укладывается в пределы оценки «хорошо», монтажная организация или завод-изготовитель проводят работы, необходимые для ее снижения.

Повышенную вибрацию может вызвать недостаточно тщательный монтаж ГТУ. Если оси подшипников выставлены неточно, появляется повышенная вибрация. Монтажная организация при этом должна провести дополнительные работы по устранению ее причин.

Если во время эксплуатации проточные части турбины и компрессора загрязняются отложениями, разбалансировка ротора может увеличиваться. К разбалансировке приводит также вылет рабочих лопаток, остаточный прогиб оси ротора из-за задеваний в уплотнениях, смещение обмотки ротора электрического генератора в пазах или лобовых частях, замыкание витков обмотки на землю или между собой. Вибрация повышается и в том случае, когда коробится корпус турбокомпрессора из-за неравномерного нагрева или заеданий между корпусами подшипников и фундаментными - плитами, препятствующих их свободному перемещению при прогреве и остывании.

Повышенная вибрация турбокомпрессора может служить причиной разрушения газоходов, маслопроводов, водоводов, трубок, охладителей и других элементов. Под воздействием вибрации оседает фундамент, нарушается установка подшипников, что в свою очередь приводит к ее увеличению.

Совершенно недопустим заброс пламени в проточную часть турбины и горение топлива в ней, так как за 1—2 мин может сгореть значительная часть рабочих лопаток.

Некоторые виды разрушений рабочих и сопловых лопаток могут появляться после длительной работы турбины. Так, при слишком быстрых пусках и остановах в рабочих и сопловых лопатках турбины возникают большие температурные напряжения, в результате которых появляются трещины в кромках лопаток из-за малоцикловой усталости металла. С каждым таким пуском и остановом трещины растут и в конечном счете лопатки разрушаются. По той же причине могут растрескиваться диски, ротор или корпус турбины.

По истечении длительного времени лопатки турбины могут разрушиться в результате исчерпания запаса длительной прочности. Это возможно, если лопатки выработали ресурс или работали при недопустимо высокой температуре газа. В первом случае необходима своевременная замена рабочих лопаток, а во втором — строгое соблюдение температурного режима.

При содержании в воздухе вредных примесей может возникать коррозия лопаток, турбины и компрессора. При недостаточно хорошей очистке загрязненного топлива в газовой турбине развивается высокотемпературная коррозия, появляются отложения на сопловых и рабочих лопатках. Отложения вызывают уменьшение кпд турбины. Специфичным видом отложений является обледенение проточной части компрессора, работающего на холодном влажном воздухе. Наиболее эффективное средство борьбы — подогрев воздуха на входе в компрессор.

Если загрязнения проточной части компрессора избежать нельзя (например, при частых пыльных бурях), ее периодически чистят мягкими абразивами (минеральными и растительными отходами, мелкодробленой скорлупой плодовых косточек), вводя их во всасывающий патрубок компрессора с помощью сжатого воздуха на работающей ГТУ. Кроме того, для удаления отложений промывают проточную часть компрессора водой или специальными составами при низкой частоте вращения.

Источником аварий и неполадок ГТУ могут также служить подшипники. Основной неисправностью подшипников турбины является подплавление баббитовой заливки и, как следствие, уменьшение осевого зазора между статором и ротором в упорном подшипнике и радиального в опорном. В том и другом случаях появляются задевания ротора о статор. Повреждение упорных подшипников возникает при увеличении осевого усилия, а опорных — при повышенной вибрации.

При плохом качестве заливки баббит может отслаиваться от вкладышей, особенно при работе подшипника в условиях повышенной вибрации. Как правило, повреждение подшипников не наступает мгновенно. Судить о нем можно заранее по увеличению температуры масла на сливе. В современных турбинах в баббит подшипников устанавливают термопары, с помощью которых измеряют его температуру.

Перегрев и подплавление колодок подшипников могут также произойти при снижении давления в системе смазки. Обычно устанавливается три контрольных уровня давления масла. При снижении давления масла до первого и второго уровней включаются соответственно резервный и аварийный маслонасосы, а при третьем контрольном уровне срабатывает электромагнитный выключатель, который подает сигнал на останов турбины. Если защита не срабатывает, турбину останавливает машинист.



Аварии и неполадки камер сгорания, регенераторов и воздухоохладителей


Камера сгорания является одним из основных элементов, обеспечивающих надежную и экономичную работу ГТУ. Наиболее часто встречающейся неполадкой является большая неравномерность температур газа за встроенными камерами сгорания. Аварии и неполадки камер сгорания вызываются также короблением корпусов и пламенных труб, прогаром и появлением в них отложений, пульсациями горения, погасанием факела, смятием, пламенных труб, нарушением режима работы горелок или форсунок.

Коробление корпусов и пламенных труб является следствиемнеравномерного распределения температур, которое может возникать из-за дефектов охлаждения — нерационального распределения охлаждающего воздуха вблизи поверхности корпуса и пламенной трубы или в результате смещения факела в пламенной трубе. Смещение факела, кроме того, приводит к местному перегреву пламенной трубы, ее короблению или даже прогару. Причиной смещения факела является нарушение нормальной работы форсунок и горелок, коробление и растрескивание стенок пламенных труб и регистров. Иногда невозможно стабилизировать факел и набрать полную нагрузку ГТУ из-за неравномерной подачи воздуха. Если топливо не сгорает в основном факеле до конца, его догорание происходит на струях вторичного воздуха, что также может вызвать выгорание металла пламенной трубы.

В зоне перегрева появляются отложения кокса и трещины. Значительные отложения кокса могут отрываться и выноситься потоком газа в турбину. Большие куски повреждают сопловые и особенно рабочие лопатки. Трещины в деталях камеры сгорания появляются также в результате малоцикловой или обычной усталости. Повторные пластические деформации деталей камеры сгорания развиваются вследствие больших температурных напряжений, возникающих при пусках и остановах ГТУ.

При определенных условиях в камере сгорания газотурбинной установки возникают продольные или поперечные колебания массы газа, находящегося в пламенной трубе. Возбудителями этих колебаний могут быть, например, возмущения потока за рассекателями, регистрами и т.д.

Пульсации горения сопровождаются пульсациями давления и вызывают появление механических переменных напряжений в деталях камеры сгорания, что приводит к их разрушениям в результате усталости материала.

Погасание факела чаще всего наблюдается после прекращения подачи топлива из-за неполадок в системе топливоподачи, помпажа, поломок фронтового устройства и выноса воды в камеру сгорания. При внезапном прекращении подачи топлива в камеру сгорания давление внутри пламенной трубы резко падает и ее может смять давлением находящегося снаружи вторичного воздуха.

При работе камер сгорания на газообразном топливе большое количество газового конденсата (жидкой фазы) может вызвать аварийный режим. В этом случае топливно-воздушная смесь вблизи фронтового устройства переобогащается и не горит. Горение начинается только в зоне подвода вторичного воздуха и стабилизируется в проточной части турбины. При этом лопатки турбины резко перегреваются и разрушаются.

Наиболее распространенным нарушением работы форсунок является их износ вследствие наличия в топливе твердых частиц и коксования жидкого топлива. Коксование возникает в местах протечек жидкого топлива через неплотности соединений деталей форсунок или после прекращения подачи топлива при останове ГТУ.

Одной из распространенных неполадок камер сгорания, которая не вызывает аварий оборудования, является появление вредных выбросов в атмосферу СО и СО2 и оксидов азота. При сжигании, жидкого топлива в результате образования сажистых частиц образуется дым. Чтобы ликвидировать дымление, необходимо добиться полного сгорания топлива: увеличить коэффициент избытка первичного воздуха, ликвидировать зоны, переобогащенные топливом, и улучшить его распыливание. Дымление можно снизить также, вводя в топливо противодымные присадки.

Основным нарушением в работе регенераторов и воздухоохладителей является появление в них неплотностей, отложений, а также коррозии. Неплотности появляются из-за разрушения по-верхностей нагрева вследствие вибрации или температурных напряжений, возникающих при пусках-остановах. Через появившиеся неплотности происходят утечки сжатого воздуха. Коррозия поверхностей нагрева возникает главным образом из-за присутствия влаги в воздухе. Чем больше нагрет воздух, тем больше влаги в нем может быть испарено. Если поверхность теплообмена охлаждена ниже точки росы, на ней начинается интенсивная конденсация влаги и, как следствие, коррозия.

Отложения на поверхностях теплообмена, омываемых воздухом, возникают, если воздух загрязнен. В регенераторе со стороны газа образуются отложения сажи, несгоревшего жидкого топлива, пыли. При определенных условиях эти отложения воспламеняются. Работа ГТУ при горении этих отложений допускается. В случае останова ГТУ пламя гасят с помощью системы пожаротушения.

В водяных каналах теплообменников отложения возникают при использовании воды с неорганическими и органическими загрязнениями. Для удаления этих отложений теплообменные поверхности периодически очищают.



Аварии и неполадки систем топливоснабжения, автоматического регулирования и защиты ГТУ


В системах жидкого топливоснабжения неполадки могут возникать при подготовке и распределении топлива. Отказ в холодное время года системы подогрева жидкого топлива приводит к прекращению его подачи в ГТУ. Это случается также при поломке топливных насосов, засорении фильтров, разрушении топливопроводов.

Наиболее распространенной причиной разрушения топливопроводов является вибрация. Чтобы ее ликвидировать, устанавливают топливопроводы на дополнительные опоры. Кроме того, топливопроводы подвержены коррозии. Особенно опасна коррозия их внутренних поверхностей. Ржавчина забивает фильтры и выводит их из строя. Чтобы избежать коррозии, топливопроводы после монтажа очищают, пассивируют и постоянно держат заполненными жидким топливом.

В системах топливоснабжения, работающих на газе, наиболее тяжелые последствия вызывают образование и воспламенение взрывоопасной смеси. Чтобы избежать этого, газопроводы перед пуском и после останова тщательно продувают воздухом.

Содержание жидкой горючей фазы в газе также может служить причиной аварии ГТУ. Жидкость скапливается в нижних точках газопроводов и при избытке выносится в камеру сгорания, что вызывает срыв пламени и перенос его в проточную часть турбины. Если в газе содержатся взрывоопасные или ядовитые (H2S, СО, меркаптаны) примеси, чтобы избежать утечек, особое внимание уделяют плотности соединений элементов системы топливо-подачи.

Неполадки систем автоматического регулирования и защиты схожи, хотя неполадки системы защиты наиболее опасны, так как ее несрабатывание приводит почти всегда к авариям. Неполадки могут возникать в датчиках, усилительных звеньях и исполнительных механизмах.

Так, заедание бойка автомата безопасности может служить причиной разрушения ротора из-за недопустимого увеличения частоты вращения. Сгорание или разрушение термопар, измеряющих температуру за камерой сгорания, не позволяет отключить ГТУ при недопустимом увеличении температуры газа. Засорение датчиков давления перед компрессором или за ним делает невозможным контроль за режимом его работы, вследствие чего появляется опасность возникновения помпажа.

В системах механического и гидравлического усиления возможны заедания золотников и сервомоторов, увеличение зазоров в сочленениях тяг и рычагов или их разрушение. Это ведет к выходу из строя системы регулирования и защиты.

Наиболее распространенным недостатком исполнительных механизмов является заедание штоков стопорных, топливных и противопомпажных клапанов. Чтобы предотвратить заедания при работе, штоки клапанов «расхаживают», т.е. приводят их в течение некоторого времени с помощью специальных устройств в возвратно-поступательное движение, которое не сказывается на работе ГТУ.



Противоаварийная учеба обслуживающего персонала


Работа обслуживающего персонала на станции очень специфична: При нормально действующем оборудовании работа носит монотонный характер и имеет медленный ритм. Однако при возникновении неполадок ритм резко ускоряется, приходится быстро принимать решения и производить действия, направленные на ликвидацию, ненормального режима работы оборудования. Для принятия правильных решений персонал должен в совершенстве знать признаки и причины неполадок и аварий, а также порядок действий при их ликвидации.

В "Правилах технической эксплуатации электрических станций" и в местных инструкциях по эксплуатации подробно изложены все необходимые сведения. Однако механического заучивания этих сведений недостаточно. Противоаварийная учеба должна обязательно состоять из двух этапов:

  • разбора причин возникновения неполадок и аварийных ситуаций, изучения размещения приборов, датчиков, органов управления и порядка действий персонала;
  • имитации неполадок на действующем оборудовании и обработки всех действий персонала на месте.

Особенно важно на втором этапе обучения добиться правильного распознавания характера неполадок и аварий по вторичным признакам — показаниям приборов, состоянию оборудования.

В результате противоаварийной учебы персонал должен приобрести навыки ликвидации неполадок и предупреждения аварий, доведенные до автоматизма, но основанные на глубоком понимании причин и последствий возникшего состояния оборудования, Необходимо учитывать, что от правильности действий обслуживающего персонала при возникновении неполадок и аварий зависит не только сохранность оборудования, но и безопасность людей.

Большое внимание при противоаварийной учебе уделяют мерам обеспечения пожарной безопасности. Хранилища топлива, топливопроводы, топливная арматура являются источниками повышенной пожарной опасности. Особенно эта опасность увеличивается при использовании в качестве топлива газа. Газопроводы и арматура должны быть герметичными, а утечки газа недопустимы, так как их появление может привести не только к взрыву и пожару, но и к отравлению людей.

Специальные меры пожарной безопасности принимаются также, когда потребителем энергии, вырабатываемой ГТУ, является компрессор газоперекачивающей станции. В этом случае персонал должен быть обучен обращению с противопожарной техникой и четко знать устройство, расположение и принцип действия систем автоматического пожаротушения.

Особое внимание уделяется мерам пожарной безопасности при пусках и остановах ГТУ, когда возможно поступление избыточного количества газообразного или жидкого топлива либо загорание остатков жидкого топлива.

В соответствии с действующими нормами определяются обязанности каждого работника при возникновении пожара на газотурбинной установке.