燃氣輪機透平蜂窩氣封磨損的原因及預防

劉建生

(大唐國際紹興江濱熱電有限責任公司， 浙江紹興 312366)

燃氣輪機透平蜂窩氣封磨損的原因及預防

劉建生

(大唐國際紹興江濱熱電有限責任公司， 浙江紹興 312366)

為了避免燃氣輪機透平氣封磨損引起的通流部分間隙增大所造成不可恢復的熱效率損失，對燃氣輪機設計工況和啟動工況進行了研究，確認氣封磨損主要原因是燃氣輪機啟動中動靜部分的膨脹不協調；提出了避免和減少透平氣封磨損的措施，對燃氣輪機發電企業的設備運行和維護管理具有借鑒意義。

燃氣輪機； 透平； 蜂窩氣封； 磨損； 預防措施

燃氣輪機(簡稱燃機)發電設備憑借其經濟高效、清潔環保等優勢，已成為我國電力發展的重要方向之一。近年來，我國燃機的裝機容量得到了迅速發展，9E型、9F型等大容量重型燃機成為當前的主流機型。隨著燃機投運數量的增多，運行中易發生的問題已逐漸為發電企業所熟悉。和汽輪機一樣，燃機作為高轉速運轉設備，機組動靜摩擦、軸系振動是機組運行中的重點檢查對象。

動靜摩擦是轉動設備部件最易發生的機械故障，如果燃機在運行中出現這種故障，必然會損傷設備，使設備失效或降低運行效率；同時也會造成機組振動增加，乃至跳機和設備損壞事故[1]。筆者以一起某天然氣發電公司燃機透平氣封磨損為例，研究分析了透平氣封磨損的原因，提出了相應的防范措施。

1 燃機透平氣封磨損

浙江某天然氣發電公司2臺燃機為M701F型燃氣發電機組，順利通過了168 h試運行。在停運后燃機處于低速盤車狀態，第6天對燃機排氣道檢查時發現，內部存在明顯的異常響聲。為此，對現場錄制的音頻文件及對機組運行數據進行了分析，初步判斷該異音可能源于燃機轉子與蜂窩氣封的碰摩；同時對燃機透平進行了窺鏡檢查，發現第3級持環蜂窩氣封存在磨損現象，個別六角體已經出現變形和破損(見圖1)，初步確定燃機透平第3、第4級靜葉蜂窩氣封與轉子動葉在低速盤車期間存在碰摩。

為查清燃機內部異音的真正來源，消除設備隱患，決定對燃機透平缸揭缸檢查。檢查范圍主要包括四級透平的轉子和持環的氣封的M、J、H

部分(見圖2)。

圖1 透平第3級分割環蜂窩氣封存在碰摩

圖2 燃機檢查范圍示意圖

通過揭缸檢查，可以初步判斷燃機內部通流部分在低速盤車期間存在一定程度的動靜碰摩現象。透平第1、2級蜂窩氣封有輕微磨損，葉頂氣封變形量不大。第3、4級動葉頂部蜂窩氣封磨損較為嚴重，端面可見軸向、徑向均存在較大的缺損，經測量磨損最大部分達2 mm左右。

透平第3級上、下半氣封體蜂動葉頂部窩氣封徑向有0.5～2.0 mm磨損，順氣流方向看左側比右側嚴重，底部輕微磨損，蜂窩氣封體端面已存在明顯缺損(見圖3)。

圖3 透平第3級持環蜂窩氣封磨損

透平第4級上、下半氣封體動葉頂部蜂窩氣封徑向有0.5～2.0 mm磨損，軸向有1.5 mm磨損，順氣流方向看左側比右側嚴重，底部磨損較輕微，蜂窩氣封體端面已存在明顯缺損(見圖4)。

圖4 透平第4級持環蜂窩氣封磨損

2 蜂窩氣封磨損原因分析

燃機蜂窩氣封是當前應用較為廣泛的氣封形式，有較好的節能效果。蜂窩氣封一般采用鐵素體材料，質地偏軟，耐磨性較差。燃機透平持環蜂窩氣封磨損主要是機組啟動和運行中動靜部分碰摩引起的。

由于燃機透平對整機的效率性能影響較大，因此在設計時盡可能將軸封、葉頂間隙控制在較小的范圍內。機組冷態啟動時，透平缸受熱相對于轉子較慢，導致在啟動過程中動葉頂部間隙會逐漸變小，但隨著燃機負荷的增加，透平缸體溫度升高，動葉頂部間隙將逐漸變大，氣封間隙值、轉速、負荷變化見圖5。

圖5 燃機冷態啟動透平間隙的變化

燃機機組的啟動模式對透平氣封間隙有較大的影響。機組在熱態或急熱態啟動時，啟動升速率和升負荷率要遠高于冷態啟動，透平轉子的受熱速度快于氣缸，導致機組在啟動后頂部間隙進一步變小，并會達到間隙值的臨界點，將明顯小于冷態啟動時的間隙值。

為了保證燃機運行效率，燃機透平設計工況一般以溫態模式作為選擇點。處于溫態模式下的燃機透平動靜部分均會有一定程度的膨脹，動靜間隙會變小，在這種情況下，冷態啟動一般不會發生動靜碰摩，但對于燃機熱態或急熱態啟動，燃機轉子溫度相對較高，膨脹較大，發生動靜碰摩的概率大大增加，其冷態、溫態、熱態透平動靜部分間隙對比見圖6。

圖6 燃機不同啟動模式下的透平間隙變化

3 防范措施

燃機透平是天然氣聯合循環的最重要組成部分，承擔著天然氣燃燒產生的熱能向機械能轉換的任務，燃機蜂窩氣封磨損必然會增大通流部分間隙，降低機組運行效率，產生較大的經濟損失。如果持環蜂窩氣封磨損，修復難度較大，并會產生較大的檢修費用。因此必須在運行中采取以下防范措施：

(1) 透平缸體和轉子膨脹不協調引起的軸系振動是產生燃機動靜部分碰摩的主要原因之一[2]，如果在運行中燃機轉子振動突增，不采取降負荷或停機等措施，就會造成蜂窩氣封磨損，因此必須加強對燃機軸系振動的管理。

(2) 在燃機停機后按規程要求及時投入殼體冷卻空氣，防止燃機缸體產生貓背變形，影響持環和轉子間動靜部分的間隙，造成透平持環蜂窩氣封在機組盤車或運行中的碰擦磨損。

(3) 在燃機安裝中應嚴格按照技術標準對氣封間隙進行調整，間隙過小會造成運行中碰摩的可能性加大，過大則會影響機組運行效率。

(4) 按運行規程要求控制燃機的升速率和負荷變化率，防止燃機啟動和運行過程中氣缸和轉子部件受熱膨脹不均，從而產生熱變形，引起機組動靜部分碰摩。

(5) 對燃機壓氣機運行參數進行監視，避免發生旋轉失速或喘振引起的較大振動，因壓氣機旋轉失速引起的振動一般較大，在對壓氣機葉片和持環產生磨損的同時，也會對燃機透平動靜間隙產生較大的影響。

4 結語

對于燃氣-蒸汽聯合循環發電機組而言，燃機是重要的組成部分，合理的透平氣封間隙是保證燃機效率和安全運行的必備條件。燃氣機組一般用于調峰發電，機組頻繁啟停造成機組動靜部分所處的工況復雜，機組膨脹不協調引起的軸系振動頻繁發生，透平氣封極易發生磨損，導致透平通流間隙變大，機組效率下降。筆者以某燃氣電廠為例，對燃機透平蜂窩氣封磨損情況進行了闡述和分析，提出了防止和減小氣封磨損的措施，對燃機電廠設備運行和維護具有一定的借鑒意義。

[1] 關瑞中, 劉惠明. PG9351FA型燃氣輪機功率下降原因分析及處理[J]. 發電設備, 2013, 27(4): 270-273.

[2] 陸頌元. 大型機組動靜碰磨的振動特征及現場應急處理方法[J]. 中國電力, 2003, 36(1): 6-11.

Causes and Prevention of Gas Turbine Honeycomb Seal Wear

Liu Jiansheng

(Datang International Shaoxing Jiangbin Thermal Power Generation Co., Ltd.,Shaoxing 312366, Zhejiang Province, China)

To reduce the unrecoverable thermal efficiency loss of gas turbines caused by the gap enlargement in flow passage due to seal wear, a study was made to the design and start-up conditions of the gas turbine, after which the seal wear was found to be caused by unmatched expansion between the stator and rotor parts. Corresponding countermeasures were proposed to reduce the seal wear, which may serve as a reference for operation, maintenance and management of gas turbine power generation equipment.

gas turbine; turbine; honeycomb seal; wear; preventive measures

2016-04-05；

2016-05-19

劉建生(1976—)，男，高級工程師，主要從事燃氣-蒸汽聯合循環機組的設備管理工作。

E-mail: tianfangluntan@126.com

TK474.73

A

1671-086X(2017)01-0058-03