S109FA機組配套汽輪機修后效率降低原因分析

關瑞中

（福建晉江天然氣發電有限公司，福建晉江 362251）

0 引言

S109FA單軸燃氣—蒸汽聯合循環發電機組由美國GE公司設計，哈爾濱動力股份有限公司生產。汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產的158型（GE設計的D10型改進型）蒸汽輪機，分為高中壓缸和低壓缸2部分，高中壓共用1根轉子和1個缸體，高壓端與燃氣輪機連接，中壓端與低壓轉子連接，低壓轉子與發電機轉子連接。

某電廠安裝有4臺（/套）美國GE公司設計的S109FA單軸燃氣—蒸汽聯合循環發電機組，配套蒸汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產的158型（GE設計的D10型改進型）：形式為三壓、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、冷凝式汽輪機；級數為高壓12級、中壓9級、低壓6*2級；高壓缸進汽壓力9.65 MPa、溫度565℃，中壓缸進汽壓力2.18 MPa、溫度565℃，低壓缸進汽壓力0.3 MPa、溫度300℃。

1#機組于2016年6月進行B級檢修工作，主要檢修項目：更換燃氣輪機熱通道部件；汽機高中壓缸及低壓缸揭缸解體大修；高壓過熱器及再熱蒸汽減溫器內外套管更換；發電機轉子解體維修等。檢修后機組啟動并網，出現了汽輪機效率下降的現象。經過對運行數據的分析、現場實地檢查，明確了汽輪機效率下降的原因，并在現場進行了處理，恢復了機組的正常運行。

1 事件經過

機組檢修工作于2016年9月1日結束，具備整套啟動條件。9月2日，機組啟動并網帶負荷并進入商業運行。機組運行方式為兩班制運行（每天起停一次），在機組投入商業運行后發現高壓主蒸汽（P1）壓力高出修前壓力0.95 MPa（修前壓力9.69 MPa，修后壓力10.64 MPa），而且汽機高中壓缸效率下降了3.54%（修前82.25%；修后78.71%）。為避免機組超壓運行，在負荷350 MW、機側主蒸汽壓力達10.5 MPa時，將主蒸汽旁路調節閥開至7%；機組滿負荷時為避免高旁開啟，手動預選負荷 347 MW；機組投運 AGC（Automatic Generation Control，自動發電控制）時將負荷上限下調為345 MW，機組高負荷運行出現同樣現象。組修后高壓主蒸汽壓力存在超壓現象，壓力變化趨勢如圖1所示。

針對這一現象，對系統及設備進行檢查，包括高壓主汽閥濾網及再熱主氣閥1/2濾網，發現濾網前有焊渣、金屬切削、焊絲等雜物；孔探檢查汽機高壓缸第七級靜葉片，發現葉片上有金屬顆粒（圖2）。因此，需要對高中壓缸解體進行徹底檢查和處理。

汽機高中壓缸揭檢查及解體檢查時發現部分隔板出汽邊變形，根據變形程度最終決定在現場進行矯正修復。當年10月修復工作完畢，機組啟動并帶至基本負荷，主汽壓力恢復至正常值，機組進入商業運行階段。

圖1 1#機組修后歷次高壓主蒸汽壓力趨勢

圖2 高壓第7級靜葉上的金屬顆粒

2 原因分析

2.1 機組運行參數變化情況

汽輪機檢修前效率變化情況：滿負荷工況高壓缸效率約80%、負荷280 MW高壓缸效率約87%，280 MW至滿負荷升負荷過程高壓缸效率基本保持一致。

汽輪機檢修后效率變化情況：滿負荷工況高壓缸效率約78.5%、負荷280 MW高壓缸效率約85%，280 MW至滿負荷升負荷過程高壓缸效率變化約6.5%。

2.2 原因分析

機組在啟動過程中，汽輪機高壓旁路閥先開啟，過熱蒸汽經旁路進入凝汽器。待汽輪機具備進汽條件時開啟高壓主汽閥、關閉高壓旁路閥，此后在開啟高過減溫器減溫水控制閥來控制蒸汽溫度。機組運行期間，汽輪機高壓過熱蒸汽壓力及高中壓缸效率見表1。

表1 1#機組修后高壓蒸汽壓力變化趨勢情況

根據運行參數的變化和表1中數據的分析，問題出在高中壓蒸汽系統和汽輪機本體，而重點應放在本次檢修的設備上，主要有高中壓缸解體大修、高中壓主汽閥解體大修、高過及再熱減溫器內外套筒更換等工作。首先對各汽水系統的檢查，再檢查高中低壓主蒸汽閥及濾網，然后對高過及再熱減溫器檢修檢查；最后對高中壓缸進行檢查，包括孔探檢查和揭缸解體檢查。

對汽水系統的檢查包括凝汽器熱井、凝結水泵入口濾網、凝結水除鐵器、鍋爐低壓汽包、中壓汽包、高壓汽包，根據系統檢查結果顯示，沒有發現金屬顆粒的蹤跡，說明在機組啟動階段（汽機未進汽、蒸汽走旁路的情況下），沒有金屬顆粒進入蒸汽管道中。由于本次檢修減溫器內外套筒進行了更換、加工時進行了噴砂處理，如果噴砂用鐵砂存留在內外套管之間的夾縫內，就會隨著汽流進入蒸汽管道中，通過高壓旁路閥進入凝汽器（水系統之中）。這說明減溫器內外套管之間的夾縫沒有金屬顆粒存留。

高中低壓主蒸汽閥及濾網的檢查，閥門開度為100%，現場與DCS（Distrbuted Control Systems，分散控制系統）顯示一致，閥門開度正常；檢查時發現高壓及再熱主汽閥濾網前有焊渣、金屬切削、焊絲等雜物。

對高過及再熱減溫器檢查，包括內外套筒夾縫、減溫水噴嘴等部位，通過孔探檢查內外套筒之間清潔無異物，表面干凈；拆卸減溫水噴嘴檢查，發現1個高過減溫器減溫水噴嘴上夾有金屬顆粒（圖 3）。

根據系統檢查結果顯示，在高過減溫器減溫水噴嘴上和減溫水環管中都有發現金屬顆粒的蹤跡，而投減溫水時汽機高壓旁路閥處于關閉狀態，高壓主氣閥處于開啟狀態，高過減溫器減溫水環管中存留的金屬顆粒隨減溫水進入主蒸汽管道中，隨汽流進入汽輪機，造成汽機隔板靜葉的變形損壞。

進一步對汽輪機高中壓缸進行孔探檢查，發現汽機高壓缸第七級靜葉片上有金屬顆粒（圖2）。減溫水噴嘴上的金屬顆粒與汽機剛體內的金屬顆粒一致，說明汽機內部的金屬顆粒來源于高過減溫器減溫水。

對汽機高中壓缸進行揭缸解體檢查，進一步驗證了上述觀點。高壓隔板第一～第四級靜葉有嚴重被異物打擊變形的情況（圖4），其他級靜葉也有不同程度的損傷，動葉片上也有被異物打擊的痕跡。

綜合以上對系統及汽輪機本體的檢查分析，造成汽機高壓主汽壓力超壓及汽機效率下降的原因如下：

（1）汽輪機高壓第一～第四級隔板靜葉出汽邊變形，導致汽流通流面積減小使汽輪機效率下降。

（2）高壓過熱蒸汽減溫器加工時殘留在減溫水環管中噴砂用的金屬顆粒，在運行過程中進入汽輪機高壓缸造成高壓第一～第四級隔板靜葉出汽邊變形。

（3）機組在啟動后，汽輪機高壓進汽過程中，需要投入高過減溫器減溫水對高壓蒸汽進行降溫，此時，存留在減溫器減溫水環管中的金屬顆粒進入高壓主蒸汽管道，隨汽流進入汽輪機。汽機隔板靜葉在金屬顆粒的高速沖擊下變形，導致通流面積減小，出現高壓主汽超壓、汽機效率下降的現象。

圖3 高過減溫器噴嘴

3 汽輪機隔板靜葉變形的現場處理

隔板葉片的處理分為3種：①隔板葉片出汽邊損失較大的高壓第1，2級隔板上半中分面葉片根部及頂部缺肉部位進行補焊處理，焊后打磨并進行著色探傷；②對其他隔板葉片出汽邊損失較小的部位進行校型處理；③對異物打擊較輕的動葉片保持現有狀態，不進行現場處理。

3.1 現場補焊處理[1]

高壓第一、第二級隔板導葉進出汽邊損傷補焊，補焊工藝如下：

（1）清理。打磨待補焊隔板上半中分面葉根、葉頂缺肉處呈金屬光澤，打磨后按《滲透探傷檢查方法及評定標準（PT）》（Penetrant Testing，PT，滲透檢測又稱滲透探傷）進行著色檢查，如果沒有缺陷，采用酒精或丙酮清理，補焊區域及周圍20 mm范圍不允許有油污等影響焊接的質量污物存在；如果發現缺陷，打磨去除后重新檢查及清理。

（2）焊接。采用手工鎢極氬弧焊進行補焊，焊前對補焊部位預熱（50～150）℃，焊絲為 ERNiCr-3，規格 Φ2 mm，直流正接，電流（90～140）A。導葉出汽邊進行補焊，需在出汽邊待補焊位置下部墊紫銅板，之后采用氬弧焊補出葉片型線，待后續修磨。

（3）清磨。按設計要求對焊接處進行打磨清理，與母材圓滑過渡，滿足PT（Penetrant Testing，滲透檢測）探傷要求。

（4）鉗修。鉗工修磨進出汽邊補焊處至與導葉型線相符。

（5）檢查。對補焊處進行PT著色檢查，執行相關標準，要求不得有裂紋、未熔合、氣孔、夾鎢等缺陷存在。如果發現有超標缺陷，按上述工藝進行返修。

3.2 現場校型處理

對于其他級出汽邊變形較輕的隔板葉片，使用銅錘對葉片進行校型，校正后打磨圓滑過渡并按相關標準進行著色探傷。

3.3 處理后的效果

（1）整機性能及效率。隔板葉片處理后聯合循環效率、壓氣機效率、燃機效率不變，高壓缸效率比檢修后恢復約1.2%，比檢修前降低約2%。

（2）主蒸汽壓力。處理后高壓主蒸汽壓力較檢修后壓力下降約0.5 MPa，與檢修前同等工況一致。

4 結論

（1）在機組檢修過程中要嚴把檢修質量關，建立質量控制體系和控制流程，保證體系的正常運轉。特別是檢修現場管道內部和外修加工設備內部清潔度的清理、檢查和驗收工作尤為重要。

（2）準備隔板備件，最終恢復機組性能。由于第一、第二級隔板葉片損壞較嚴重，矯正變形部分葉片不能全部恢復機組性能。所以要準備這2級隔板的備件，在條件允許時更換上去，最終恢復機組性能。

通過以上分析，確認汽輪機效率下降原因，通過現場對隔板葉片的補焊和校形處理，恢復了機組正常運行。機組投運后，效率雖然未能全部恢復，但各項技術指標及運行參數正常，能夠安全穩定運行。機組效率得到全部恢復，還要進行徹底修復或更換隔板。