GE燃機輪間溫度高分析及處理

劉林

（浙江浙能技術研究院，杭州 310003）

0 引言

某廠#7燃機型號為PG9171E，由美國GE公司設計制造，該機組于1998年投產，設計燃料為重油。在2011年至2012年間，機組實施了油改氣（DLN1.0）改造工程。機組在升負荷至65MW以上時，1AO1溫度大于482℃開始報警，至90MW以上時，1AO2溫度也大于482℃開始報警，至基本負荷（112MW）時，1AO1溫度穩定于630～640℃左右，1AO2溫度穩定于530℃左右，兩點溫度均高報警，并且兩點溫度溫差大報警。

1 機組冷卻方式及測點位置介紹

由于燃機透平部件均處于高溫環境下，為確保各高溫部件不被損壞，采用了以下兩種保護措施：

1）在機組高溫通道的靜止部分安裝熱電偶，對其進行實時監控，并設立超溫報警。共裝有12個測點，如表1所示。

2）通過燃機本身的壓氣機排氣及內部抽氣回路對高溫燃氣通道部件進行冷卻，透平部分冷卻結構如圖1所示。

對整個透平部件的冷卻分成動靜兩條冷卻線路[1]。

動葉冷卻回路：壓氣機16級處，有一部分空氣由壓氣機轉子上加工出來的內部氣道引入轉子軸心處的中心孔道，由中心孔道流出后分別引到第一級透平葉輪的輪盤后側面和第二級透平葉輪的輪盤前側面以及第二級透平葉輪的輪盤后側面；冷卻第一級透平葉輪的輪后側面的空氣再去冷卻第一級動葉，冷卻第二級透平葉輪的輪盤前側面的空氣再去冷卻第二級動葉。

靜葉冷卻回路：從壓氣機高壓密封處漏出來的一部分空氣冷卻第一級透平葉輪的前側面和第一級噴嘴的后側。

壓氣機排氣通過一級復環孔洞進入二級靜葉持環，然后經過二級靜葉葉身，在一級動葉后方流出，進入主流道，從而保證二級靜葉的冷卻，并冷卻一級動葉葉根部分，使動葉葉柄及葉根部分與主流道高溫煙氣隔離。

2 首次原因分析及處理

針對輪間溫度高現象，結合機組檢修維護手冊[2,3]，分析各種影響因素，初步確定以下幾種原因：

1）熱電偶的位置不正確。

2）熱電偶本身故障。

3）透平的密封磨損。

4）透平的靜子有過度變形。

表1 燃機輪間溫度測點表Table 1 Gas turbine wheelspace temperature points table

表2 第一組輪間溫度測量對比數據Table 2 Comparison of temperature measurement data among the first group round

表3 第二組輪間溫度測量對比數據Table 3 Comparison of temperature measurement data among the second gr oup round

表4 第三組輪間溫度測量對比數據Table 4 Comparison of temperature measurement data among the third grou p round

5）燃燒系統故障。

6）外部管路有泄漏。

7）冷卻空氣管路中的節流出現故障。

圖1 透平部分冷卻結構Fig.1 Cooling structure of Gas turbine

圖2 2013年5月上缸二級噴嘴密封片情況Fig.2 The situation of upper cylinder’s second stage nozzle seal in 2013.5

圖3 一級復環、一級動葉與二級噴嘴之間的配合圖(此圖為另一臺改進型的機組上拍攝的照片)Fig.3 The assembly drawing of first stage shroud,first stage bucket and second stage nozzle

由于機組剛經歷大修，通過對檢修記錄的查詢，透平本身密封沒有問題，透平靜子完好，未發現過度變形情況，外部管路檢查未見明顯泄露，燃燒系統為最新部件，經過GE公司調整，無明顯異常。通過上述排查，故障原因基本集中在1、2、7幾個方面。考慮報警時兩個熱電偶差值較大，基于對透平冷卻回路的理解以及其他類似機組的運行經驗，首先考慮熱電偶本身測量問題以及熱電偶的位置出現偏差。為此進行了以下工作：

1）對這兩只熱電偶進行新件更換。

2）熱電偶插入的深度進行多次復測對比。

工作后對試驗數據匯總結果如表2所示。

將試驗數據和GE公司提供的二級噴嘴溫度場分布圖進行比對，發現試驗數據和模型較為吻合，對二級噴嘴的結構與冷卻原理進行了分析，并對熱電偶的安裝情況多次作了檢查與試驗對比，基本驗證了二級噴嘴溫度場的分布。熱電偶經更換及插拔后位置到位，熱電偶測量正常，由此排除熱電偶測量及位置問題。因此重新回歸到冷卻系統分析，希望通過增加冷卻空氣流量達到降溫的目的，按照GE公司的分析建議，對一級復環的17個定位銷由長銷改為短銷，以增加至二級噴嘴的冷卻空氣，但開機運行后，1AO1、1AO2溫度無明顯的變化。詳細數據見表3。

通過上述數據表明，整個二級噴嘴冷卻回路進風量已足夠，無法通過增加進風量來達到實際冷卻效果。利用停機機會，對機組熱通道通過內窺鏡檢查，發現二級透平靜葉處有多處密封片損壞現象，決定進行開缸檢查。

3 開缸檢查及處理情況

機組利用檢修機會，對燃機進行了開缸檢查，檢查后發現以下情況：

1）開缸后發現二級噴嘴的密封片有變形，其中#5、#6、#7、#8噴嘴扇段密封片損毀嚴重（都是位于上半缸輪間溫度相對較高點的噴嘴，見圖2）。對下半缸部分二級噴嘴進行檢查，密封片偶有變形，基本正常。同時由于二級噴嘴密封片變形將一級動葉相應的密封齒磨損了1mm～2mm，此處的通流間隙值已接近上限。

2）一級復環及冷卻通道情況：從現場透平缸吊出后檢查情況看，整個一級復環的冷卻通道也是暢通的，無堵塞現象。GE技術人員對一級復環的定位銷進行了檢查，共17個銷子已改為短銷，其余均為長銷。

針對這些情況，說明在二級噴嘴處確實存在溫度過高情況，輪間溫度熱電偶測量數據正確反應了當前的溫度場情況。通過對GE公司的二級噴嘴冷卻形式的歷次改進情況了解到，目前大多數機組已使用了非壓力型設計的噴嘴，使用該形式噴嘴可以有較好的冷卻效果。由此決定在本次開缸檢修過程中進行更換。

二級噴嘴更換后，于2013年5月開機，機組于70MW時1AO1溫度高于482℃時開始報警，至滿負荷時溫度最高可達575℃。1AO2溫度最高至480℃左右，未超過482℃的報警值，但一級后輪間溫度差值大仍報警。更換二級噴嘴后，一級后輪間溫度有明顯下降，1AO1與1AO2溫度比修前有80～90℃的下降，但1AO1溫度仍大大高于報警值，問題沒有得到根本解決。

4 進一步原因分析及處理

分析燃機整個靜葉冷卻回路并檢查機組檢修記錄，發現經過五萬多小時的運行，一級復環底座從未更換過，只在油改氣大修過程中更換了一級復環的面板（維修件）。

一級復環經過長期運行后，會出現漏氣情況，如果部分復環出現漏氣，則會引起靜葉冷卻空氣流量下降，輪間溫度升高，而泄露地點的不同，也會導致兩個溫度測點出現不同步現象，與目前機組出現的情況比較吻合。通過論證，決定在下次機組C修時對一級復環進行更換。

經過一級復環更換，由兩塊式復環更改為主流的一塊式復環（見圖3），同時更換了二級噴嘴及三級動葉，2014年5月#7機首次開機。

通過對比（表4），一級復環更換后，在相同負荷下，一級透平后輪間溫度與修前有明顯下降，有50～60℃的溫降，滿負荷時一級透平后輪間溫度最高值510℃/447℃，報警值為482℃，目前仍有一點溫度高于報警值，且一級透平后輪間溫度兩個測點溫度有60℃的溫差，不符合正常運行工況。考慮到隨著運行時間的增加一級透平后輪間溫度有一個上升趨勢，在高溫天氣下，輪間溫度也會高于目前數值。因此，在高負荷情況下，機組仍在報警值以上運行，會給設備帶來安全隱患，影響熱通道及轉子的壽命。

5 結語

通過上述檢查分析，認為該廠燃機透平輪間溫度高的原因基本明確，主要是在冷卻風道回路上存在泄露，由此造成了冷卻不均及冷卻流量不足。通過對一級復環更換，輪間溫度的下降，證實了這種分析思路。但由于目前仍然存在的一級后輪間溫度兩點偏差及高負荷下溫度超限問題，需要進一步進行冷卻回路分析，通過觀察發現透平間存在較大的漏氣問題，可能是經過長期運行，機組外缸存在過度變形情況，導致壓氣機較多排氣漏出，由此導致機組冷卻回路冷卻空氣供應量不平衡。建議電廠也在二級噴嘴靜葉持環處增加壓力監視回路，通過該監視回路更好地判斷整個冷卻回路的實際工作情況，由此確定是否需要進行燃機外缸更換。針對目前環境溫度高時輪間溫度易超溫現象，建議開啟燃機進氣冷卻裝置，降低燃機進氣溫度，保證機組的安全穩定運行。

[1]楊順虎.蒸汽聯合循環發電設備及運行[M].北京:中國電力出版社,2003.

[2]GE Turbine-Generator Operation Training Manual[Z].

[3]項建偉.9E燃氣輪機透平輪間溫度高故障分析[J].燃氣輪機發電技術,2013,03:59-63.