燃气轮机等效运行小时计算分析
【摘要】：燃气轮机制造商都有一个预先制定好的维修计划，以便获得最佳的设备可用率和最经济的维修成本，计算燃气轮机的等效运行小时（EOH）就是为了判燃气轮机机在何时应该进行维修。本文对三菱重工、西门子、GE三大燃气轮机制造商的燃气轮机等效运行小时的计算公式进行了分析，以便充分了解他们的维修计划。
【关键词】：燃气轮机 等效运行小时 EOH
1 前言
从2003年开始，我国新开工建设了一大批F级的重型燃气-蒸汽联合循环电站，主要作为调峰机组。热力机械疲劳是影响调峰机组寿命的主要因素，蠕变、氧化和腐蚀是影响连续运行机组寿命的主要因素。F级重型燃气轮机的初温已达1300～1400℃之间，燃气轮机高温部件（热通道部件）的工作条件越来越恶劣。为了保证燃气轮机运行可靠性，就必须定期地检查、检修或更换这些热通道部件。燃气轮机的高温部件是指暴露在从燃烧系统排出的高温气体中的部件，包括燃烧室、火焰筒、过渡段、喷嘴、联焰管和透平动、静叶等。
燃气轮机的高温部件必须要有一个预先制定好的合理的检查维修计划，可以减少电站非计划故障停机，提高机组起动可靠性。高温部件的检查维修计划根据计算机组的等效运行小时EOH（Equivalent Operating Hours）来制定。在国家标准GB/T 14099.9
《燃气轮机 采购》第9部分 （等效国际标准 ISO 3977-9:1999）中，对EOH的计算公式做出了规定。但三大燃气轮机制造商（GE、西门子、三菱重工）在各自的运行经验基础上，都规定了各自的EOH计算公式，制定了相应的高温部件检修计划。
2 国家（国际）标准EOH计算
在国家标准GB/T 14099 《燃气轮机 采购》第9部分中，对EOH的计算公式做出了规定，见公式（1），公式中考虑了各种运行过程影响机组寿命的加权系数。
)(221112211tbtbftnanaTniieq （1）
其中： 1a —— 每次起动的加权系数；
1n —— 点火起动次数；
2a —— 快速带负荷的加权系数；
2n —— 快速带负荷次数；
it —— 快速温度变化的等效运行小时数，例如，由于负荷的突变或甩负荷；
n —— 快速温度变化的次数；
1t —— 达到基本负荷额定输出功率运行的小时数；
1b —— 以基本负荷运行的加权系数；
2t —— 在基本负荷额定功率和尖峰负荷额定功率之间运行的小时数；
2b —— 以尖峰负荷运行的加权系数；
f —— 燃用污染的、超出规范或非指定的燃料时的加权系数；
—— 水或蒸汽回注时的加权系数；
3 三菱燃气轮机EOH计算
三菱F级燃气轮机的热通道部件维护间隔周期见表1。
表1 三菱F级燃机热通道部件检查维修周期
燃烧系统 8000 EOH或300次启动，以先达到的值为准
热通道部件 16000 EOH或600次启动，以先达到的值为准
燃气轮机整体 48000 EOH或1800次启动，以先达到的值为准
三菱燃气轮机的EOH计算公式由实际运行小时数和修正的等效起动次数组成。等效起动次数的修正是为了考虑各种运行方式对机组的寿命影响，主要有以下几项：
(a) 正常停机的实际次数;
(b) 甩负荷次数；
(c) 跳闸次数；
(d) 快速变负荷次数； 三菱将热通道部件分为两类，燃烧筒、喷嘴、过渡段、联焰管和透平第1级动、静叶为1类热通道部件，透平第2、3、4级动、静叶为2类热通道部件，他们的EOH计算公式见公式（2）。
FEAAOHEOHEOH)()2()1(或 （2）
其中：
EOH(1)：用于1类热通道部件的等效运行小时数；
EOH(2)：用于2类热通道部件的等效运行小时数；
AOH：实际的运行小时数；
E：正常停机、甩负荷、跳闸和快速负荷变动的等效次数，计算公式见公式（3）。其中正常停机的等效次数仅针对2类热通道部件；
A：正常停机、甩负荷、跳闸和快速负荷变动的等效次数的修正因数，其中正常停机的等效次数的修正因数仅针对2类热通道部件。这是一个将启动次数转换为等效运行小时的因数，在点火加速过程中，会出现最大压应变，在停机时，会出现最大拉应变，因此对于单独的热部件，用时间常数来定义该因数。在一个正常的起动和停机周期，1类热通道部件的寿命将消耗20小时，2类热通道部件的寿命将消耗10小时。一个正常的起动和停机周期是指从零转速到全速空载，从全速空载到零转速。
F：燃料因数，燃烧天然气燃料时为1.0，燃烧液体燃料和双燃料时为1.25；
DiiCiiBiiLCiTiLRiNE111 （3）
其中：
N：正常停机的实际次数，仅针对2类热通道部件；
B：甩负荷次数；
LRi：甩负荷修正因数，这是一个将甩负荷次数转换为等效起动次数的因数。在甩100%负荷时，热通道部件的寿命削减是正常停机的6倍。
C：跳闸次数；
Ti：跳闸次数修正因数，这是一个将跳闸次数转换为等效起动次数的因数。如果燃机是在100%负荷下跳闸，热通道部件寿命的削减是正常停机的10倍。 D：快速负荷变动次数；
LCi：快速负荷变动次数修正因数。跟随电网频率的变动，燃机负荷允许在±5%之间变动，这种负荷变动不会影响热通道部件的寿命。当出现非常快速和大的负荷变动时，对热通道部件寿命的影响根据三菱提供的曲线来估算。
举例：
在一段时间内，机组的运行状况如下（燃天然气）：
1）实际的运行小时数AOH为780小时；
2）正常停机次数为35次；
3）打闸次数3次，根据相关曲线计算，跳闸次数修正因数Ti为18.8；
4）甩负荷3次，根据相关曲线计算，甩负荷修正因数LRi为15.08；
5）快速负荷变动，根据相关曲线计算，快速负荷变动次数修正因数LCi为4.83；
由此可以得出：
EOH(1) = 780+20 (15.08+18.8+4.83) = 1554.2
EOH(2) = 780+10 (35＋15.08+18.8+4.83) = 1517.1
由公式（2）和（3）看出，虽然三菱燃气轮机等效运行小时的计算公式与国家标准规定的EOH计算公式不一样，但它也考虑了各种运行过程对机组寿命的影响，将各种非正常运行状况修正为等效起动次数来计算EOH。
4 西门子燃气轮机EOH计算
西门子V94.3A燃气轮机的热通道部件维护间隔周期见表2。
表2 西门子燃机热通道部件检查维修周期
检查 4000 EOH
(连续运行机组为8000 EOH)
热通道部件 25000 EOH
燃气轮机整体 50000 EOH
西门子燃气轮机的等效运行小时计算公式见公式（4）
niiEOHtbwftnat11111 （4） 其中：
EOHt —— 等效运行小时数；
1n —— 起动次数；
1a —— 10（起动系数）；
it —— 由于温度快速变化引起的等效运行小时；
n —— 温度快速变化的次数；
1t —— 达到基本负荷所需的运行小时数；
1b —— 1(基本负荷系数)；
f —— 燃料加权系数；
w —— 喷水的加权系数；
温度快速变化引起的等效运行小时it反映了机组负荷快速变化、机组甩负荷和打闸对机组寿命的影响。机组负荷快速变化、机组甩负荷和打闸会使透平出口温度快速变化，西门子给出了两张计算it的图表，见图1和图2。西门子规定，温度快速变化是指燃气轮机排气温度在10秒内的变化超过18℃。燃气轮机的进口导叶在闭合或部分闭合时，燃气的质量流量减少，燃气轮机的冷却速度没有在进口导叶完全开启时快，燃机受到的热冲击也比较小，所以西门子在计算it时，要考虑进口导叶的开度。
11010010000100200300400HalfwayclosedEquivalent opoerating hoursh°COpenClosedVariable-pitch IGVs:
图1 透平出口温度快速变化时的等效运行小时 it 透平出口温度的变化 举例：
当透平出口温度从540℃快速变化到230℃（或从230℃快速变化到540℃）时，温度变化为310℃，从图1可以查出：
1） 当入口导叶100%打开时，等效运行小时为71小时；
2） 当入口导叶50%打开时，等效运行小时为29小时；
3） 当入口导叶完全关闭时，等效运行小时为8小时；
1101001000200300400500600Equivalent operating hoursh°CVariable-pitch IGVs openVariable-pitchIGVs closed
图2 跳闸或甩负荷时的等效运行小时 it
举例：
如果透平出口温度为540℃，从图2可以查出：
1）跳闸，同时入口导叶打开，等效运行小时为138小时；
2）甩负荷，同时入口导叶打开，等效运行小时为90小时；
3）跳闸，同时入口导叶关闭，等效运行小时为22小时；
由公式（4）看出，西门子燃气轮机等效运行小时的计算公式与国家标准规定的EOH计算公式基本一致，只是做了些简化。
5 GE燃气轮机EOH计算
在机组燃烧天然气、带基本负荷连续运行、没有注水或蒸汽的基准条件下，GE透平出口温度 公司设定了最长的检查维修周期的推荐值，见表3。如果机组的实际运行模式与此基准不同，GE采用维修系数来修正维修周期的推荐值，不采用EOH计算方法。
表3 检查维修周期推荐值
9FA机型
燃烧系统 8000小时 / 450次起动
热通道部件 24000小时 / 900次起动
燃气轮机整体 48000小时 / 2400次起动
GE的修正系数有2个，分别为“维修时间因素”和“起动因素”。对连续运行机组，按“维修时间因素”来计算检修间隔；对起停调峰机组，按“起动因素”来计算检修间隔，见公式（5）。
起动因素”“维修时间因素”或“规定的推荐的检修周期表隔时间＝机组实际需要的维修间1 （5）
“维修时间因素”考虑了燃料种类的修正、燃烧温度的修正和蒸汽/水喷注的修正，用加权平均法按公式（6）进行计算。
PHDGPHADGIMKf)65.1()(＝实际运行时间数加权计算时间数维修时间因素＝
（6）
其中：
G —— 燃用天然气，1年内带基本负荷运行小时数；
D —— 燃用轻油，1年内带基本负荷运行小时数；
H —— 燃用重油，1年内带基本负荷运行小时数；
fA —— 重油修正系数；
P —— 1年内带尖峰负荷运行小时数；
)(IMK —— 考虑燃烧室喷水/蒸汽的修正系数；
“起动因素”考虑了机组跳闸甩负荷的修正、紧急起动的修正和正常起动后快速加载负荷的修正，用加权平均法按公式（7）进行计算。
TFENPNBNATaFENPNBNAniiTi1)1(2203.15.0＝实际起动次数加权计算起动次数起动因素＝ （7）