S109FA燃氣-蒸汽聯合循環機組D10型汽輪機性能診斷分析

蔡雨，趙麗娟，丁勇能，李蔚

(1.浙江大學 能源工程學院，杭州 310027； 2.杭州華電半山發電有限公司，杭州 310015)

S109FA燃氣-蒸汽聯合循環機組D10型汽輪機性能診斷分析

蔡雨1，趙麗娟2，丁勇能2，李蔚1

(1.浙江大學 能源工程學院，杭州 310027； 2.杭州華電半山發電有限公司，杭州 310015)

根據某電廠S109FA燃氣-蒸汽聯合循環機組D10型汽輪機的結構特點，對比分析各個試驗期的性能數據，發現該機組經過10多年運行性能下降明顯。結合機組檢修發現的問題，診斷D10型汽輪機熱力性能下降的主要原因是高壓缸動、靜葉部分受損和通流部分結垢導致通流面積減小，提出了相應的預防措施及相關建議，該性能分析結果可為國內同類機組的優化運行提供參考。

燃氣-蒸汽聯合循環機組；D10型汽輪機；通流部分結垢；性能診斷；性能試驗

表1 D10型汽輪機設計參數

0 引言

GE公司S109FA燃氣-蒸汽聯合循環發電機組作為配套國家“西氣東輸”的第1批天然氣發電機組，運行已達10多年之久，機組的經濟性明顯下降。D10型汽輪機作為S109FA燃氣-蒸汽聯合循環機組配套的汽輪機，其性能好壞直接影響到燃氣-蒸汽聯合循環發電機組的整體效率。

為保證機組安全、經濟運行，對汽輪機進行熱經濟性診斷具有非常重要的意義[1-2]。為此，國內外學者在汽輪機經濟性診斷領域進行了大量研究和實踐[2-3]，并取得了豐碩的成果。國外在汽輪機經濟性能診斷方面，主要采用熱經濟診斷方法對機組優化運行在線管理系統進行建模研究。隨著計算機技術和應用數學的發展，模糊數學、神經網絡、遺傳算法、小波分析等數學方法與熱經濟性分析方法結合形成了許多新的分析方法，并應用到機組的安全、經濟性診斷和優化運行中[4]。如國內上海交通大學的“可組態的汽輪機組在線熱經濟性分析系統”[5]，華北電力大學的“機組經濟性在線監測診斷指導系統”，東南大學的“全圖形化熱力發電廠通用計算軟件”[6]等，已在實際應用中取得一定的成果。目前，常用基于汽輪機相對內效率的方法來評價通流部分熱經濟性[7]。

本文在分析某電廠S109FA燃氣-蒸汽聯合循環機組D10型汽輪機設計參數和結構特點的基礎上，對比分析#2機組各個試驗期的性能試驗數據，診斷D10型汽輪機熱力性能下降的原因，提出問題預防措施及相關建議。

1 D10型汽輪機設計參數和結構特點

1.1D10型汽輪機設計參數

某電廠S109FA燃氣-蒸汽聯合循環機組由1臺PG9351型燃氣輪機、1臺D10(D10-9.563/2.146/0.4086/565.5/565.5/295.2)型汽輪機以及1臺390H發電機組成，單軸布置，以天然氣為燃料，聯合循環機組額定負荷388.8 MW，配用杭州鍋爐廠生產的三壓余熱鍋爐。D10型汽輪機為三壓、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、純凝式機組，機組設計參數見表1。

1.2汽輪機結構特點

D10型汽輪機高中壓缸采用合缸結構，通流部分反向布置，高壓缸有12個壓力級、中壓缸有9個壓力級、低壓缸有2×6個壓力級，低壓缸采用雙流程向下排汽結構。兩缸設計減少了軸的總長度，使機組軸系長度縮短。

高壓動葉設置分段沖孔圍帶，中、低壓動葉為自帶冠動葉。高中壓缸是單層缸結構，無回熱系統。

表2 #2機組在不同負荷下的性能試驗結果

注：修正后總出力、熱耗率不包括老化。

表3 #2機組各個試驗期Baseload工況下性能數據

注：修正后總出力、熱耗率不包括老化。

汽輪機缸體、軸承箱及護套采用水平中分面型，以便維護[8]。汽輪機轉子采用鍛造，由4個徑向軸承支撐，徑向軸承為可傾瓦式，可自對中。汽輪機采用全周進汽，沒有調節級，調節系統采用電子液壓調節系統[8]。本機配備高壓、中壓和低壓蒸汽旁路。

2 D10型汽輪機性能診斷

2.1性能試驗結果

參照ASME PTC 6.2—2011[9]《聯合循環電站汽輪機性能試驗規程》對D10型汽輪機進行機組性能試驗，制定詳細的試驗方案。在汽輪機高壓進汽調節閥全開(VWO)狀態下，#2機組帶基本負荷(Baseload)，320 MW，280 MW，250 MW和實際機組運行狀態(320 MW normal)共5種工況進行聯合循環出力試驗，確定聯合循環機組在規定運行條件下的輸出電功率、熱耗率及高/中壓缸效率，以客觀評估汽輪機的運行狀況。試驗結果見表2。

對#2燃氣-蒸汽聯合循環機組在不同負荷下的性能試驗結果進行分析發現，隨著機組負荷的下降，機組熱耗率上升，而高、中壓缸效率隨著負荷的變化幅度不大。在2016年4的性能試驗中，機組熱耗率和機組設計數據對比如圖1所示，由圖1可知，各個負荷工況下聯合循環機組熱耗率比設計數據普遍增高。

將本次機組性能試驗結果與2006年和2011年B修后的性能試驗結果進行比較，進一步分析D10型汽輪機投運以來各項經濟指標的變化情況。#2機組各試驗期Baseload工況下出力、熱耗及缸效試驗結果見表3。根據S109FA燃氣-蒸汽聯合循環發電機組在各試驗期Baseload工況下性能試驗結果，做出各試驗期機組功率和熱耗率對比曲線(如圖2所示) 及高、中壓缸效率對比曲線(如圖3所示)。

圖1 各負荷工況下機組熱耗率和設計數據對比曲線

圖2 各試驗期機組功率和熱耗率對比曲線

圖3 各試驗期機組高、中壓缸效率對比曲線

由表3可知，2016年與2006年、2011數據相比，D10型汽輪機高壓缸的效率由設計值83.90%下降到82.43%，再下降到81.19%，共下降2.71百分點；中壓缸的效率由設計值90.10%下降到87.20%，再下降到86.65%，共下降3.45百分點；機組的熱耗率由設計值6 264.70 kJ/(kW·h)上升到6 824.92 kJ/(kW·h)，共上升了8.94%；機組出力由設計值389.06 MW降低到364.44 MW，共降低了6.33%。由圖2、圖3可以看出，隨著運行時間增長，機組熱經濟性能下降速率增大?？梢?，經過10多年的運行期，機組經濟性顯著下降，熱耗明顯增加。

表4 D10型汽輪機通流部分改造方案

2.2原因分析

在10多年的運行期內，某電廠3臺燃氣-蒸汽聯合循環機組D10型汽輪機發生過諸多問題，雖然經過修復和維修，但明顯影響了汽輪機的運行性能，導致汽輪機缸效下降、熱耗增加。下面是運行中出現的主要問題。

(1)#2機組高壓缸部分動葉、靜葉受損。#2機組高壓缸部分動葉、靜葉由于高壓主汽閥閥座硬質密封合金脫落，導致高壓缸部分動葉和靜葉受損。高壓第1～4級動葉、靜葉受損情況嚴重，部分級數的葉頂汽封均有明顯損傷，葉片由于受異物撞擊汽邊發生嚴重變形(如圖4所示)，致使蒸汽流通截面積變小，蒸汽流通阻力變大[10]，蒸汽的做功能力減小。

圖4 第1級動葉受損

(2)高、中壓缸通流部分結垢。在對高、中壓缸揭缸檢查時發現，高、中壓缸通流部分結垢嚴重(垢樣經分析，系致密性氧化鐵垢，如圖5所示)，垢體中含有金屬離子對葉片產生電化學腐蝕[11]，導致葉片葉型損失增大，通流部分流通面積變小，降低蒸汽做功能力。在同樣的負荷下，由于通流部分結垢，使得汽輪機進汽量增加，葉片所受的彎曲和離心應力隨之增加，降低了機組安全性[12-14]。

圖5 機組通流結垢

2.3問題處理

該電廠在檢修期間對所出現的問題進行了及時處理。

(1)損壞的1～4級隔板返廠進行焊補、打磨修復；汽輪機高中壓轉子返廠，更換部分動葉，圍帶進行機加工，轉子做動平衡試驗。

(2)對高中壓缸結垢部件采用高壓水沖洗、噴砂丸進行清洗。

通過上述處理，汽輪機葉片結垢層處理良好，機組恢復正常運行，各參數都在指標范圍內，實現機組安全、經濟運行。為防止機組出現上述問題，需要采取相關的預防措施：加強對各個環節蒸汽質量的監督，確保蒸汽品質滿足要求，防止通流部分結垢。

3 改造方案

某制造廠家針對D10型汽輪機通流改造提出初步設計方案，具體見表4。

針對制造廠家提供的通流改造方案，以全軸系改造方案為例，改造后機組高壓缸效率提升至86.0%～87.0%，比設計值83.9%提高了2.1～3.1百分點；中壓缸效率提升至92.0%～93.0%，比設計值90.1%提高了1.9～2.9百分點；改造后汽輪機功率可提高1.3%?？梢姡ㄟ^汽輪機通流部分改造，機組的經濟性能可以大幅提高，達到節能增效、減排降耗的目的。鑒于D10型汽輪機的性能下降明顯，通流節能增效改造勢在必行。

4 結論和建議

(1)由歷次試驗結果對比分析可知，S109FA燃氣-蒸汽聯合循環機組熱耗率增加了8.94%，機組出力降低了6.33%，高、中壓缸效率與設計值相比分別下降了2.71百分點和3.45百分點，可見，機組的熱經濟性已經明顯下降。因此，應及時對運行中出現的問題進行有針對性的定期檢查，對出現的問題及時處理，確保其安全性。

(2)實施汽輪機通流部分改造，是提高D10型汽輪機經濟性能的根本解決措施。因此，建議結合機組檢修安排，對其進行通流部分改造，從而達到節能增效的目的。

[1]溫建國.600 MW汽輪機性能診斷[D].北京：華北電力大學，2009.

[2]鄧偉.600 MW超臨界汽輪機熱力性能診斷及供熱分析[D].武漢：華中科技大學，2012.

[3]王攀,王泳濤,王寶玉.基于多因素耦合變工況理論的汽輪機組節能診斷技術的研究及應用[J].汽輪機技術,2015,57(6):461-463.

[4]ORTEGA F,MENENDEZC,ORDIERES J,et al.Analysis of heat transference in the regenerative exchanger of a thermal power plant[J].Neural computing & applications,2000(9):218-226.

[5]范衛軍,鄔振耀,忻建華,等.可組態的汽輪機組在線熱經濟性分析系統[J].發電設備,1999(4):47-50.

[6]張雄,胥建群,周克毅.全圖形化熱力發電廠熱力系統通用計算軟件[J].汽輪機技術,2002,44(5):271-306.

[7]李慧.抽汽式汽輪機通流部分節能潛力診斷方法研究[D].吉林:東北電力大學,2010.

[8]孔慶甫.D10汽輪機的高壓通流受阻運行分析[J].浙江電力,2010,29(8):31-52.

[9]閻維平,闞偉民,肖小清. ASME PTC 6.2—2011聯合循環電站汽輪機性能試驗規程[M].北京：中國電力出版社,2014：3-90.

[10]丁勇能，朱偉雄.9FA燃機/汽輪機主蒸汽截止和控制閥故障[J].設備管理與維修,2010(4):18-19.

[11]汪學峰.汽輪機葉片結垢原因分析及解決措施[J].東方汽輪機,2010(3):55-58.

[12]林慶城.汽輪機通流部分結垢原因及防范措施[J].熱力發電,2005,34(7):27-29.

[13]丁旭春,王毅,殷志龍,等.超臨界630 MW機組汽輪機通流結垢診斷及處理[J].熱力發電,2013,42(11):138-141.

[14]李勇,徐君詔,黃萍力.凝汽式汽輪機通流部分結垢診斷方法研究[J].汽輪機技術,2008, 50(5):371-373.

(本文責編：白銀雷)

2017-01-03；

:2017-05-17

TK 267

：A

：1674-1951(2017)06-0028-04

蔡雨(1991—)，男，安徽宿州人，在讀碩士研究生，從事汽輪機通流部分性能診斷方面的研究工作(E-mail:676837964@qq.com)。

李蔚(1974—)，女，浙江金華人，副研究員，從事汽輪機熱力設計、轉子系統穩定性分析方面的研究工作(E-mail:energy@zju.edu.cn)。