М. А. Алексеев, В. В. Ермолаев, И. В. Будаков Филиал

М. А. Алексеев, В. В. Ермолаев, И. В. Будаков
Филиал «Ивановские ПГУ» ОАО «ИНТЕР РАО ЕЭС», г. Москва
С каждым годом проблема обеспечения надежной и безопасной работы этих машин не становится менее актуальной, а вопросов, связанных с
повышением надежности двигателей ГТД-110, не становится меньше.
На Ивановских ПГУ находится в эксплуатации с июля 2007 г. два газотурбинных двигателя ГТД-110 в составе блока ПГУ-325 (2 ГТД-110 + 2 П-88
+ К-110-6,5).
Со времени ввода в эксплуатацию в июле 2007 г. произошло 24 аварийных останова из-за различных повреждений, таких как разрушение
жаровых труб (ЖТ) с повреждением рабочих лопаток и лопаток сопловых
аппаратов, трещина в трубопроводе подачи природного газа, обрыв трубопроводов отбора воздуха на охлаждение лопаток.
Наряду с этим был выявлен целый ряд серьезных дефектов других
агрегатов двигателя: компрессора, воздухоохладителя, пламеперебрасывающих патрубков ЖТ, повлекших за собой значительный простой оборудования из-за проведения внеплановых ремонтов.
Вибрационное состояние
После приемосдаточных испытаний вибрационное состояние ГТД-110
выходило за рамки предельно допустимых. Некоторые показатели превышали 11,2 мм/с2 (по ПТЭ менее 4,5 мм/с2). Были предположения, что источник вибрации, возникаемый на корпусе и подшипниках двигателя, скрывался в диффузоре, соединяющем газовую турбину и котел-утилизатор.
После изменения методики балансировки ГТД-110 специалистами НПО
«Сатурн» вибрация пришла в соответствие нормам ПТЭ, до замены диффузора на новый.
Во время работы газовой турбины при отрицательных температурах,
после отключения антиобледенительной системы (АОС), что соответствует температуре наружного воздуха ниже минус 10 °С, вибрация компрессора увеличивается. Для предупреждения возникновения вибрации было
принято решение АОС не отключать. Однако включение АОС в работу приводит к перерасходу топлива на 120−200 м3/ч, в зависимости от нагрузки.
Характеристики компрессора ГТД-110 НПО «Сатурн» не предоставляет,
поэтому определить зону устойчивой работы и предпомпажной не представляется возможным.
Разрушения жаровых труб
По заключению комиссии, основными причинами разрушения жаровой
трубы № 9 ГТД-110 № 3 01.10.2007 г. стали: неравномерность температурного поля в камере сгорания; неблагоприятная геометрия козырька обой130
мы; недостаточное охлаждение козырька; постановка жаровой трубы с
монтажными напряжениями по обойме. Аналогичный дефект был отмечен
при эксплуатации ГТД-110 № 2 на испытательном стенде.
Таблица 1
Технико-экономические показатели ГТУ
ТЭП
Проектные
Гарантийные
Электрическая мощность
номинальная
пиковая
испытания
на клеммах генератора
110
120
114,97
КПД ГТУ
34,5
35,0
35,49
Температура газов на выходе оС
517
547
517,7
Содержание NOх ррm
50
-
157
Температура наружного воздуха
+15
+15
+11,5
Таблица 2
Показатели эксплуатационной надежности
Газотурбинная установка
ст.№ 11
ст.№ 12
двигатель ГТД-110
№4
№3
число пусков от ТПУ
29
61
число горячих пусков
168
215
число нормальных остановов
9
7
число аварийных остановов
11
13
время общей наработки ГТУ
4638
3908
эквивалентные часы работы ГТУ
8325
8657
выработка электроэнергии кВт на 9 мая 2009 года 420.315.118,0 410.033.645,0
По заключению комиссии, основными причинами разрушения жаровой
трубы № 12 ГТД-110 № 3 16.08.2008 г. стали: наличие высокого уровня
статических напряжений конструкции в условиях заклинивания обоймы
смесителя в сочетании с тем фактором, что сварной шов является концентратором напряжений; наличие литейных дефектов (окисной плены и
рыхлотного участка) в начале развития усталости на обойме; постановка данной жаровой трубы при сборке КС с монтажными напряжениями по
обойме; отклонение от нормативных документов, допущенные при изготовлении турбин на заводе; качество металла.
Как следствие этого − повреждение лопаток турбины из-за попадания в
проточную часть двигателя фрагмента смесителя жаровой трубы № 12.
131
Дефекты пламеперебрасывающих патрубков, местного перегрева
секций жаровых труб (ЖТ)
В процессе опытно-промышленной эксплуатации двигателя ГТД-110 в
ЖТ выявлялись зоны «выгорания» материала второй секции, которые находились в районе основных отверстий Ø11 мм за пламеперебрасывающими патрубками, с образованием и развитием трещин от кромки отверстий
и выходом трещин на шов приварки патрубков. Дефект носил прогрессирующий характер по мере наработки, что потребовало при восстановительных ремонтах удалять прогоревшие участки и вваривать спрофилированные вставки у большинства ЖТ. О данных дефектах было сообщено
НПО «Машпроект». В перечне рекомендаций НПО «Машпроект» сообщалось о необходимости введения дополнительного местного охлаждения
патрубков и стенки секции ЖТ.
В конструкцию пламеперебрасывающих патрубков ЖТ были внесены изменения (девять отверстий Ø 1,5 мм, расположенные у основания
патрубков на дуге 140°). Однако эффективность данного охлаждения патрубков и стенки ЖТ оказалась недостаточной и не устранила выгорания
материала второй секции в районе основных отверстий за патрубками и
образования и развития трещин от отверстий у ЖТ.
При эксплуатации двигателя ГТД-110 № 2 отмечалось наличие выработки и наклепа патрубков в телескопическом соединении ЖТ, трещин по сварному шву приварки патрубков, свидетельствующих о наличии монтажных напряжений в связи с отсутствием конструктивного
элемента, компенсирующего взаимный перекос осей патрубков. Для
устранения данных дефектов в конструкцию патрубка были внесены изменения (промежуточное сферическое хомутовое соединение патрубков).
Однако тарированный момент затяжки винтов хомутов промежуточного
сферического соединения в патрубках, заданный в КД, полностью лишал
их подвижности. Это приводило к появлению напряжений в соединениях
патрубков, следовательно, являлось возможной причиной обрыва патрубка у ЖТ № 1, № 8, № 13 двигателя ГТД-110 № 3 и образования значительных трещин по угловым сварным швам приварки патрубков.
При выполнении ремонта (в сентябре — октябре 2008 г.) ЖТ двигателя
ГТД-110 № 3, были определены индивидуальные моменты затяга винтов
хомутов, обеспечивающие перемещение в каждом сферическом соединении пламеперебрасывающих патрубков. При постановке жаровых труб на
двигатель ГД-110 № 3 окончательное крепление винтов хомутов патрубков
выполнялось с контролем момента затяга.
При очередном осмотре ГВТ двигателя ГТД-10 № 4 (эквивалентная наработка 6071 ч.) была осмотрена камера сгорания с помощью эндоскопа.
В результате осмотра обнаружены перегревы поверхности стенок жаровых
труб за пламеперебрасывающими патрубками с расходящимися трещинами (от основного отверстия Ø11мм) в этой же зоне.
Учитывая вышеизложенные дефекты, НПО «Сатурн» разработал вариант постановки пламеперебрасывающих патрубков, направленный на
132
повышение эффективности конвективно-пленочного охлаждения секций
ЖТ в районе патрубков, а именно:
•
Изменение конструкции пламеперебрасывающих патрубков и секций ЖТ, имеющих стыковой сварной шов приварки патрубка к отбортовке
в секции ЖТ, вместо углового шва в существующей конструкции, что повышает прочность сварного соединения.
•
Введение охлаждающего отверстия в стенке секции ЖТ, в связи
с чем основное отверстие Ø11мм смещается несколько дальше в осевом
направлении от патрубка.
•
Приварка к секции встык дополнительного козырька по аналогии с
ЖТ малоэмиссионной камеры сгорания серийного двигателя Д-30КУ-154.
Обрывы трубопроводов подвода/отвода воздуха к воздухоохладителю (ВО)
ГТД-110 № 2 — 2002 г., наработка 135 час. Излом носил усталостный
характер и связан с некачественным монтажом трубы (места соединений — концентраторы напряжений). Появлению дефекта способствовало
наличие коррозионного повреждения поверхности из-за снижения стойкости материала по границам зерен, в результате выпадения карбидов в процессе сварки трубопровода при его изготовлении.
ГТД-110 № 3 — февраль 2009 г., наработка 3837 час. Обрыв трубопровода подвода охлаждающего воздуха к СА 1-й ступени. Излом носил
усталостный характер и был вызван значительными монтажными напряжениями, наведенными при сборке двигателя в НПО «Сатурн».
ГТД-110 № 3 — март 2009 г., наработка 3908 час. Обрыв трубопровода
подвода охлаждающего воздуха к СА 1-й ступени. Излом носил усталостный характер и связан с некачественным изготовлением (сваркой) трубопроводов в узле и его монтажом на двигатель с недопустимыми напряжениями.
ГТД-110 № 3 — 10 и 15 мая 2009 г. Обрыв трубопровода подвода охлаждающего воздуха к СА 1-й ступени. Излом носил усталостный характер и
связан с его монтажом на двигатель с недопустимыми напряжениями.
Компрессор
ГТД-110 № 3 — январь 2008 г. — повреждения всех выходных кромок
рабочих лопаток 15-й ступени (отрывы материала, загибы кромок, вмятины, забоины). Обрыв одной рабочей лопатки у комля. Поломка пера лопатки спрямляющего аппарата (СА) 15-й ступени. Забоины на выходных
кромках лопаток СА 14-й ступени.
Причиной возникновения нарушения работы ГТД-110 № 3 явился излом в околозамковом сечении лопатки СА 15-й ступени компрессора из-за
нарушения технологического процесса штамповки лопаток СА ГТД-110 (образование «закова» на профиле пера лопатки) и непроведение контроля
после монтажа лопаток. Трещины в диффузоре — 10 шт., дальнейшего
развития не получили.
133
Турбина
Рабочие лопатки и лопатки сопловых аппаратов 1 и 2-й ступеней вырабатывают свой ресурс с запасом. Повреждения лопаток 1 и 2-й ступеней происходили из-за попадания фрагментов жаровых труб в проточную
часть турбины.
Недоработки в тепловых схемах
• Тепловое укрытие ГТД. В тепловой схеме не предусмотрена утилизация тепла из укрытия газовой турбины. На ГТД из соображений мобильности выполнения ремонтных работ нет тепловой изоляции, поэтому
потери тепла в окружающую среду значительные. ВТИ были определены
потери в окружающую среду Qукр = 0,71 МВт при электрической нагрузке
Nгт = 108 МВт. В то же время подогрев воздуха в КВОУ при работе АОС осуществляется отбором воздуха после 10-ой ступени компрессора.
Вход в компрессор. Одной из существенных недоработок является
большое разрежение перед улиткой на входе в компрессор (перед ВНА),
которое в летний период времени и номинальной мощности составляет
около 300 мм в. ст. Отбор воздуха на охлаждение укрытия осуществляется
из главного корпуса, поэтому сопротивление по ГВТ относительно атмосферного давления превысит 300 мм. в. ст.
Охлаждение проточной части ГТ. Схема охлаждения воздуха, отбираемого за 15-ой ступенью компрессора на охлаждение ступеней ГТ, не
имеет регулировочного диапазона. Регламентируется лишь максимально
допустимая температура (180 °С). При снижении температуры охлаждающей воды и (или) электрической нагрузки были случаи снижения температуры до 122 °С, что естественно снижает расход газов за ГТ и, как следствие, приводит к снижению расхода пара котла-утилизатора (КУ).
Противопомпажная разгрузка компрессора. Сброс воздуха с клапана противопомпажной разгрузки (КПР) компрессора на выхлоп ГТД приносит значительный ущерб при работе двигателя в составе ПГУ. При неплотно закрытом клапане происходит не только перерасход топлива на привод
компрессора из-за увеличения его производительности, но и снижение
температуры газов за турбиной. В результате КУ не может производить
пар с высокой температурой перегрева.
Выводы
1. Технико-экономические показатели ГТЭ-110 соответствуют современному уровню выпускаемых газотурбинных двигателей. Максимальный КПД
ПГУ при работе по схеме полублока составил 48,71 %. Удельный расход
топлива — 257,48 г/кВт·ч.
2. ГТД-110 впервые начал работать в составе утилизационной ПГУ, характерным для которой является фиксированная температура за ГТ (517 °С) на
всех нагрузках. Поэтому некоторые конструктивные недоработки, которые
были выявлены в первые месяцы эксплуатации отечественных двигателей
пилотного проекта, являются нормальным положением дел и характерны
134
для международной практики освоения новых поколений ГТД. Однако нарушения технологии изготовления и сборки двигателей со стороны завода
непростительны.
3. Экономичность, удобство эксплуатации и высокая маневренность
ГТУ-110 вполне компенсируют временные недостатки надежности конструкции.
4. Следует обратить внимание на тот факт, что разобщенность усилий изготовителя и эксплуатирующей организации приводят к затягиванию времени доводки мощных отечественных ГТД-110, что снижает коммерческую
привлекательность проекта.
P.S. Вместо того чтобы объединять усилия изготовителя данной продукции и организации, непосредственно эксплуатирующей это изделие,
для решения задач надежности, ГТД-110 для Ивановских ПГУ находится
под грифом «секретно». Нет возможности ознакомиться с технологией
сборки и ремонта двигателя, чертежами узлов, универсальными характеристиками компрессора. Это не позволяет контролировать качество сборки в период ремонтной компании.
135