M701F3燃?xì)廨啓C(jī)透平輪間溫度高技術(shù)探析與拓展研究

王慶韌

(廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司，廣東惠州 516082)

國(guó)家首批打捆招標(biāo)引進(jìn)的390 MW級(jí)M701F3重型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)年來(lái)，發(fā)生了不少燃?xì)廨啓C(jī)透平輪間溫度(DCT)高事件。廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司是第一批投產(chǎn)也是第一批出現(xiàn)該問題的電廠。通過(guò)系統(tǒng)化的原因分析、工藝改良，完滿地解決了問題，為同類機(jī)組同類問題提供了通用處理思路。

1 事件經(jīng)過(guò)

#3燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組某日08∶53冷態(tài)啟動(dòng);11∶40負(fù)荷達(dá)240 MW，投入AGC。23∶50透平 #2級(jí)輪間溫度平均值達(dá)460℃，DCS報(bào)警。減負(fù)荷至240 MW時(shí)#2級(jí)輪間溫度平均值達(dá)431℃，但持續(xù)上漲，至00∶44達(dá)455℃;再減負(fù)荷至200 MW時(shí)#2級(jí)輪間溫度平均值達(dá)375℃，01∶36達(dá)405℃。特別在某一時(shí)間段:負(fù)荷下降時(shí)溫度上升;負(fù)荷上升時(shí)溫度下降;與大多數(shù)走勢(shì)相反。

2 缸外原因排查

在該機(jī)組透平#2級(jí)輪間溫度變化期間，軸系各項(xiàng)振動(dòng)、軸承溫度均無(wú)變化，說(shuō)明轉(zhuǎn)子本體無(wú)礙。軸向竄動(dòng)最大值為 -0.815 mm，在 ±(0.70 ～0.82)mm 合格范圍內(nèi)，且若軸向竄動(dòng)偏大，則#2～#4輪間溫度都將偏大，與事實(shí)不符。

燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子冷卻空氣平均溫度172℃、#3輪盤平均溫度395℃、#4輪盤平均溫度368℃，屬正常范圍。機(jī)組降負(fù)荷期間燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子冷卻空氣溫度、#3輪盤溫度、#4輪盤溫度也未見異常。說(shuō)明#3輪盤溫度相對(duì)值較高，并未對(duì)#2級(jí)輪盤溫度有較大影響。外部密封空氣和轉(zhuǎn)子冷卻空氣系統(tǒng)經(jīng)仔細(xì)排查，確認(rèn)冷卻空氣無(wú)泄漏、冷卻風(fēng)機(jī)無(wú)故障等。

檢查IGV開度正常;壓氣機(jī)出口壓力和溫度正常，但效率降低較多，水洗后，啟動(dòng)機(jī)組檢查，效率明顯提高3%以上，但#2DCT依舊偏高。因?yàn)樵谏⒔档酵瑯迂?fù)荷時(shí)，壓氣機(jī)出口溫度數(shù)據(jù)一致，所以排除冷卻空氣有關(guān)因素。

溫度補(bǔ)償元件現(xiàn)已固化于控制卡件中，且為兩條溫度測(cè)量回路共用，由于熱電偶左右兩側(cè)溫度走勢(shì)一致，故排除了熱電偶測(cè)量裝置因素。

節(jié)流板破裂有可能部分阻塞流道，則密封空氣的壓力、流量將不規(guī)則地波動(dòng)，DCT溫度曲線將是雜亂的，與實(shí)際不符，同時(shí)之前機(jī)組運(yùn)行時(shí)#2DCT正常，排除節(jié)流孔板內(nèi)徑偏小的原因。

3 缸內(nèi)結(jié)構(gòu)解析與原因預(yù)判

圖1為#2級(jí)透平密封保持環(huán)(即氣封體)結(jié)構(gòu)圖。圖1(a)中擋氣板間隙A為擋氣板與靜葉之間間隙，后流側(cè)間隙B為擋氣板后流側(cè)與靜葉之間間隙。圖1(b)是密封保持環(huán)結(jié)構(gòu)的具體組成。圖1(c)宏觀地給出了#2級(jí)透平的關(guān)鍵性密封間隙，其中j8、j9為#2級(jí)透平(兩道)刷子密封與轉(zhuǎn)子的間隙;j10為#2級(jí)透平轉(zhuǎn)子與密封保持環(huán)的徑向間隙(蜂窩氣封)。

圖1 #2級(jí)透平密封保持環(huán)結(jié)構(gòu)圖

壓氣機(jī)#14級(jí)抽氣作為冷卻及密封空氣(壓力為P0)穿過(guò)靜葉環(huán)后流入密封保持環(huán)，從密封保持環(huán)貫穿孔中流出，一部分流向#2級(jí)靜葉與#1級(jí)動(dòng)葉處刷子密封隔離熱氣源，而后排入煙道(排氣壓力為P1);另一部分流向密封保持環(huán)蜂窩氣封，之后流向#2級(jí)靜葉與#2級(jí)動(dòng)葉葉根處隔離熱氣源，而后排入煙道(排氣壓力為P2)。當(dāng)密封保持環(huán)工作正常時(shí)，冷、熱氣流壓力會(huì)滿足P0＞P1＞P2關(guān)系，詳見圖2。

圖2 #2透平內(nèi)部密封空氣壓力平衡

分析如下:

抽氣閥應(yīng)未泄漏。若抽氣閥泄漏，則降負(fù)荷時(shí)，排氣溫度應(yīng)相應(yīng)偏低，與事實(shí)不符。

靜葉內(nèi)部貫通冷卻管應(yīng)未損傷。若損傷情形為裂紋，則溫度越高裂紋越大越明顯，泄漏則越多;溫度越低泄漏越少。低負(fù)荷時(shí)輪間溫度應(yīng)相對(duì)較低，與實(shí)際溫度高現(xiàn)象正好相反。若損傷情形為斷裂，則同樣負(fù)荷下其泄漏量相同，升降負(fù)荷階段應(yīng)有基本相同的現(xiàn)象，與事實(shí)相反。

外界密封空氣未發(fā)現(xiàn)泄漏，因此，在某一負(fù)荷下，密封空氣入口壓力P0不會(huì)發(fā)生變化。由于P0＞P1＞P2，決定了氣流不可能經(jīng)過(guò)刷子密封j8與j9倒流入DCT測(cè)點(diǎn)。即使變負(fù)荷時(shí)，密封空氣壓力先于流道內(nèi)排氣變化，其壓力變化后的值也不會(huì)比排氣壓力小，最多有極少許熱空氣回流擾動(dòng)。

因此，只能是冷密封空氣在進(jìn)入DCT測(cè)點(diǎn)前已泄漏入排氣側(cè)，使進(jìn)入測(cè)點(diǎn)的冷密封空氣相對(duì)偏少，從而使DCT偏高，并且路徑只有兩種:一是密封空氣經(jīng)刷子密封j8(需偏大)向上游排氣中泄漏，使經(jīng)j9、DCT測(cè)點(diǎn)、j10流道中冷密封空氣減少;二是擋氣板間隙A和后流側(cè)間隙B偏大，密封空氣向上、下游排氣中泄漏，在刷子密封間隙j9同時(shí)增大的情況下，導(dǎo)致該溫度測(cè)點(diǎn)處冷卻空氣量不足。

正常情況下，徑向密封間隙j10依靠蜂窩密封，確保轉(zhuǎn)子膨脹時(shí)既保證密封又保證不發(fā)生碰磨;運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子膨脹、間隙減少，若發(fā)生輕微碰磨，間隙仍然不會(huì)變化較大，發(fā)生空氣泄漏的概率幾乎不存在。j9和j8也是同樣情況。即使j10、j9和j8部分或全部偏大，則機(jī)組升降負(fù)荷全程中，DCT當(dāng)有程度不同的同趨勢(shì)變化，仍與事實(shí)不符。

因此，綜合推斷本次透平#2級(jí)輪間溫度高事件必是綜合性或意外因素使然。

4 缸內(nèi)原因檢查確認(rèn)

4.1 直接原因

實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)子徑向密封間隙j10偏小，排除了冷密封空氣從該點(diǎn)向熱氣端泄漏的可能性。

兩道刷子密封間隙j9、j8均有偏大現(xiàn)象，密封刷出現(xiàn)偏磨損，密封性能下降，冷密封空氣從j8流走偏多，從j9進(jìn)入測(cè)點(diǎn)的冷空氣量相對(duì)偏少，此為#2DCT高直接原因之一。

擋氣板間隙A(上游側(cè))有偏大現(xiàn)象，主要發(fā)生在#13擋氣板，正好接近熱電偶探頭處，導(dǎo)致了溫度虛高且一側(cè)熱電偶溫度比另一側(cè)偏高。此為#2DCT高直接原因之二、之三。

4.2 間接原因

#30擋氣板間隙偏大，此處正對(duì)應(yīng)著上次檢修中更新的靜葉(#31為上次更新的靜葉對(duì)應(yīng)位置)，檢查發(fā)現(xiàn)新舊靜葉間明顯有高低不平現(xiàn)象，在氣流不斷沖刷作用下，高頻微振動(dòng)使密封保持環(huán)與靜葉間發(fā)生輕微磨損，后流側(cè)間隙B增大，同時(shí)致?lián)鯕獍彘g隙A處加劇磨損、間隙增大，加速了密封保持環(huán)偏心銷(襯套)松脫，是#2DCT高的間接原因之一。

兩道密封刷間隙偏大及某些擋氣板間隙偏大產(chǎn)生的原因，皆與密封保持環(huán)內(nèi)定位裝置有關(guān)。該定位裝置設(shè)有偏心銷(襯套)(起定位作用)8個(gè)，通過(guò)調(diào)整偏心銷(襯套)來(lái)保證密封保持環(huán)的位置合適。8個(gè)偏心銷(襯套)旋轉(zhuǎn)方向各不相同，如圖3。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，拆下的偏心銷(襯套)有6個(gè)是完好的，第7個(gè)銷軸是自由的，即可以沿銷軸縱向自由活動(dòng)，第8個(gè)找不到了。由于間隙偏大的擋氣板基本上位于半圓范圍內(nèi)，因此應(yīng)該是NO.8定位裝置發(fā)生了有限松脫，但不排除相鄰兩個(gè)偏心銷(襯套)均發(fā)生了有限脫落。此為#2DCT高的間接原因之二。

圖3 密封保持環(huán)定位裝置分布圖

偏心銷(襯套)的定位效果不好，會(huì)加劇密封保持環(huán)橢圓形偏移，進(jìn)而使兩道刷子密封、靜葉擋氣板的間隙隨機(jī)變化，沒有定常的趨勢(shì)，導(dǎo)致了透平#2級(jí)輪間溫度走勢(shì)的奇特變化及降負(fù)荷時(shí)的升高現(xiàn)象。

偏心銷(襯套)緊固不均衡，工藝上沒有力矩要求也不可能有力矩要求。偏心銷(襯套)沿其軸向仍有活動(dòng)空間，與固定矩形條塊的螺栓之間形成一定的力矩。運(yùn)行中在交變應(yīng)力及氣流沖擊的往復(fù)作用下，漸將偏心銷(襯套)松脫，使密封保持環(huán)整體發(fā)生移位，發(fā)生變形。這是本質(zhì)性原因。

在升負(fù)荷階段，密封保持環(huán)受到的力是約束的;在降負(fù)荷階段，另一部分偏心襯套對(duì)密封保持環(huán)的約束力不夠，使密封保持環(huán)發(fā)生有限的松脫(膨脹/收縮不受足夠的控制)，間隙增大，高負(fù)荷階段因慣性表征不明顯，低負(fù)荷階段明顯，且表征溫度高的負(fù)荷范圍不斷擴(kuò)大，與負(fù)荷調(diào)整試驗(yàn)現(xiàn)象相符。

降負(fù)荷階段間隙擴(kuò)大，密封空氣向熱氣側(cè)擴(kuò)散，導(dǎo)致冷卻空氣量不足，進(jìn)而使DCT增高。

4.3 根本原因

空氣(煙氣)動(dòng)力場(chǎng)不是絕對(duì)均勻的，氣流總是不停地沖擊擋氣板，產(chǎn)生高頻微振動(dòng)，間隙越大，磨損越嚴(yán)重。同時(shí)，擋氣板承受著高溫環(huán)境，易產(chǎn)生不同程度的變形。此為#2DCT高的根本原因之一。

應(yīng)用專用測(cè)量工具檢查密封保持環(huán)的中心與葉環(huán)最外表殼面的同心度(預(yù)先組合好葉環(huán)、靜葉與密封持環(huán))，上下偏差1.2 mm(上5.4 mm，下3.0 mm)，左右偏差 0.3 mm，允許值為 1.3/2=0.65 mm。用2 m的內(nèi)徑千分尺檢驗(yàn)密封保持環(huán)橢圓度，持環(huán)內(nèi)圓偏差最大為 0.3 mm，雖然最大允許值為1.52 mm，但實(shí)際上通常要求為0偏差。因此，密封保持環(huán)發(fā)生了變形，是擋氣板與刷子密封間隙發(fā)生變化致#2DCT高的根本原因之二。

5 目前焊接工藝及調(diào)整修復(fù)等改進(jìn)舉措

增加了對(duì)擋氣板磨損厚度的檢查，保證無(wú)高低差，變形較一致，匹配性好。對(duì)擋氣板(薄件)的焊接固定(每塊點(diǎn)焊8點(diǎn))提出了特別要求以防變形，廠家根據(jù)電廠的要求與方案，完善了焊接工藝，焊接前后進(jìn)行擋氣板間隙測(cè)量，必要時(shí)運(yùn)用專用工具進(jìn)行整形，方法是下面彈簧側(cè)加頂絲，上下面兩側(cè)加夾具施壓，以保證間隙均勻且全在0.1 mm以下。

對(duì)密封保持環(huán)實(shí)施了找橢圓度工藝。不僅要滿足上下偏差、左右偏差不大于0.13 mm，還要滿足通流間隙要求。若不滿足則通過(guò)偏心銷(襯套)調(diào)整。增加了螺栓加熱環(huán)節(jié)，針對(duì)葉環(huán)外部連接螺栓進(jìn)行加熱、緊固，增加了外力對(duì)密封保持環(huán)的約束力，改善了橢圓度。

偏心銷(襯套)的緊固確認(rèn)應(yīng)把握力度，同時(shí)對(duì)調(diào)整好的偏心位置進(jìn)行焊接固定。另外，特別要求提供段焊焊縫長(zhǎng)度、寬度、高度標(biāo)準(zhǔn)。

6 確立同類機(jī)組同類問題的通用處理思路

根據(jù)本次處理經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出同類機(jī)組同類問題的通用處理思路，以達(dá)到事半功倍的效果。當(dāng)發(fā)現(xiàn)DCT高時(shí)，可以采取以下措施:

第一，迅速檢查其它運(yùn)行參數(shù)是否仍在正常范圍，仔細(xì)傾聽缸內(nèi)有無(wú)異音，判斷機(jī)組轉(zhuǎn)子等是否處于相對(duì)安全運(yùn)行范圍內(nèi)。若確認(rèn)缸內(nèi)碰磨嚴(yán)重，則迅速揭缸檢查、修復(fù);否則，順次執(zhí)行以下各步驟。

第二，迅速判斷輪間溫度提升的速度，若速度升高極快，根本沒有維持溫度平衡于某一可以接受的范圍內(nèi)的可能，則直接停機(jī)檢查。

第三，檢查缸體外部系統(tǒng)、設(shè)備，如是否有空氣泄漏、空氣管有無(wú)堵塞、熱電偶是否準(zhǔn)確等。若僅是以上外部系統(tǒng)、設(shè)備有問題，則處理完畢后，可通過(guò)低速、高速盤車初步檢查;機(jī)組啟動(dòng)升速、點(diǎn)火、試運(yùn)等手段順次檢查確認(rèn)。否則，執(zhí)行以下步驟。

第四，只要能維持輪間溫度平衡于某一可以接受的范圍內(nèi)，可通過(guò)擴(kuò)大冷卻空氣側(cè)節(jié)流孔板內(nèi)徑來(lái)增加冷卻空氣量，控制DCT的繼續(xù)上升，代價(jià)是燃?xì)廨啓C(jī)效率受影響(經(jīng)驗(yàn)估算，若擴(kuò)孔5 mm滿負(fù)荷出力下降0.3%，效率下降0.1%;在部分負(fù)荷下影響出力較小)，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，快速使機(jī)組恢復(fù)安全運(yùn)行。

若不能維持輪間溫度平衡，只能通過(guò)揭缸、調(diào)整間隙來(lái)恢復(fù)機(jī)組功能，優(yōu)點(diǎn)是從根本上解決問題，保證機(jī)組效率，缺點(diǎn)是馬上需要耗時(shí)耗力耗財(cái)。若能與大小修等結(jié)合，則優(yōu)先考慮揭缸、調(diào)整;一般情況下，揭缸處理后，DCT不會(huì)再有不規(guī)則的變化態(tài)勢(shì)，此時(shí)，若溫度仍有輕微偏高，則可通過(guò)加大冷卻空氣量(將節(jié)流孔板擴(kuò)孔)來(lái)輔助校正。

7 面對(duì)未來(lái)的拓展研究與打算

建議與三菱探討，檢查軸銷與偏心銷(襯套)的加工尺寸是否滿足要求，檢查其配合尺寸是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，保證這兩個(gè)部件的加工尺寸及其配合尺寸。

建議將偏心銷(襯套)與葉環(huán)表面點(diǎn)焊在一起，最好將偏心銷(襯套)與偏心銷軸點(diǎn)焊在一起，使銷軸在定位后保持不動(dòng)。偏心銷(襯套)定位、固定作業(yè)，必須保證緊力搭配均衡。同時(shí)，要求進(jìn)行復(fù)查。在未采取焊牢偏心襯套措施之前，緊力因人經(jīng)驗(yàn)而異，因此，每臺(tái)機(jī)組可能均有同類問題，只是因?yàn)榭赡苓h(yuǎn)離熱電偶而未能充分表征出來(lái)，應(yīng)格外注意此類問題。

注意檢查擋氣板磨損的寬度與厚度，保證其匹配性。靜葉更換需注意高度平整。

通過(guò)加熱螺栓緊固的方式可以縮小密封保持環(huán)變形量，但不能徹底消除，今后檢修中應(yīng)更加關(guān)注。近期需研究密封保持環(huán)改進(jìn)技術(shù)，減少內(nèi)部泄漏率。遠(yuǎn)期來(lái)看，最根本途徑是從材料上著手提高密封保持環(huán)的抗變形能力。

8 結(jié)語(yǔ)

透平#2級(jí)輪間溫度高問題的完滿解決，驗(yàn)證了以上分析、處理舉措的正確性，為下一步進(jìn)行更深層次的技術(shù)探索、實(shí)現(xiàn)更高層次的技術(shù)突破樹立了信心。在舊密封保持環(huán)上進(jìn)行新技術(shù)改造成效顯著，但仍需較長(zhǎng)周期的可靠性實(shí)踐檢驗(yàn)。

［1］三菱隨機(jī)提供的技術(shù)圖紙及說(shuō)明.

［2］#2DCT高處理過(guò)程之檢修記錄.

［3］M701F3機(jī)組運(yùn)行規(guī)程與檢修規(guī)程.