GE 9F.03型燃氣輪機先進熱通道改造效果分析

成 勛， 黃偉棟

(1. 上海電力股份有限公司 羅涇燃機發電廠， 上海 200949；2. 上海漕涇熱電有限責任公司， 上海 201507)

近年來，隨著綠色低碳戰略的推進以及電力市場化改革的深化，給發電企業提出了新的要求，進一步促使發電企業利用創新技術降低生產成本，提升電廠盈利能力。

GE的先進熱通道(AGP)升級解決方案將創新性設計和先進材料相結合，同時引入在航空、密封技術等領域的技術手段，通過改進熱通道的冷卻和密封，提升透平進口初溫，改善機組效率。

截至2017年11月，在運的實施AGP升級改造項目的9F機組達到25臺，累計運行小時數達15.7萬h，均實現了更低的燃料消耗和更長的熱通道維修間隔，大幅提升燃氣輪機熱部件的壽命。

1 AGP升級改造項目

某電廠有2臺GE 9F.03型燃氣輪機發電機組，標準環境條件下的出力可達254 MW，配有余熱鍋爐和裝機容量為92 MW的抽汽式汽輪發電機，組成“一拖一”布置的聯合循環。機組于2005年投產，可燃用天然氣和輕油兩種燃料，于2014年和2015年先后完成2臺機組的DLN 2.6+燃燒技術改造后，僅可使用天然氣作為燃料。

近年來，機組年運行小時數穩定在7 000 h左右，負荷率約為90%。機組在經過長時間高負荷的運行后，除輔助設備逐漸老化外，燃氣輪機本體也存在相應的性能衰減。

2017年，鑒于機組經濟性和可用性的整體考慮，結合高溫燃氣通道檢修(HGPI)，該電廠組織實施了燃氣輪機AGP的升級改造[1-2]，改造范圍包括：

(1) 整套三級透平AGP部件。

(2) 對原有DLN2.6+部件進行檢修間隔適應性升級。

(3) 輔助系統升級：新增缸體間隙控制模塊、第9級及第13級抽氣流量控制模塊。

9F.03型燃氣輪機的AGP技術是基于7F型燃氣輪機的AGP技術，同時借鑒了9F.05型燃氣輪機的實踐驗證轉換而來。AGP部件較傳統熱通道部件有了較大的改動，包括第一級噴嘴(S1N)、第一級動葉(S1B)、第一級護環(S1S)、第二級噴嘴(S2N)、第二級動葉(S2B)、第二級護環(S2S)、第三級噴嘴(S3N)、第三級動葉(S3B)、第三級護環(S3S)，圖1為各部件所在位置示意圖。

圖1 燃氣輪機熱通道部件位置示意圖

AGP部件的改動主要體現在整體結構、材質、隔熱涂層、葉片的葉型、冷卻及密封的改進(見表1)。

表1 AGP部件的特性

1.1 透平噴嘴

透平噴嘴的作用是加快高溫氣體流速，同時引導氣體流向。S1N直接面對燃燒室出來的高溫、高速燃氣，是透平部件中承受溫度最高、熱沖擊最大的零件。由于這些高溫、高速燃氣的溫度接近或者超過了靜葉及其周圍構件金屬的熔點，噴嘴內部和周圍必須有充分的冷卻氣流，這樣冷熱交加的環境要求噴嘴能夠承受熱應力而不引起裂紋。同時，透平噴嘴由于兩端固定，在承受熱脹冷縮時必須保持不變形[3]。

新型S1N材料為鎳基高溫合金(EQ GTD-111)，該合金在斷裂應力相同時所承受的溫度較之前材料提高約100 K，抗氧化性能、蠕變強度、疲勞強度、抗熱腐蝕性、組織穩定性均有較大提升。不僅如此，新型的S1N整體結構由先前的兩片葉片一組的結構改為單葉結構(見圖2)，在提升冷卻效率的同時，降低了應力載荷。同時在全葉身采用了垂直裂紋結構的熱障涂層(DVC TBC)[4]。涂層上具有一定密度的垂直裂紋，可釋放熱沖擊過程中形成的熱應力，延長DVC TBC的使用壽命。

圖2 S1N示意圖

EQ R-108是GE公司為滿足S2N對蠕變強度有更高要求而采用的新型鎳基高溫合金。與GTD-262相比，R-108最大的改進是蠕變性能提高了50%，持久強度也有提升。

新型的S3N采用的是GTD-262材料，相較先前的GTD-241從抗蠕變性能上又有一定提升。

各級噴嘴均采用等軸凝固工藝。

1.2 透平動葉

透平動葉是燃氣輪機最關鍵的構件之一，是承受高溫、大應力的重要零件。雖然承受的溫度相對于噴嘴靜葉較低，但它須要承受高離心力、振動應力和高溫燃氣的高速沖蝕[3]。AGP項目升級后，S1B前的燃氣溫度將達到1 343 ℃，更接近原金屬材料的熔點[5]，因此為了使葉片在高溫、高速旋轉條件下保持一定的強度，對動葉材質也進行了更新和升級。同時配以新型冷卻技術和涂層保護，確保了動葉能夠經受住更高的初溫。

新型的透平S1B在整體結構上實現了葉身減重、密封上采用了C形榫槽密封條；S2B的葉頂齒封改為雙層齒封，為此將葉基進行減重，以滿足葉片整體質量平衡。

圖3是透平動葉結構改進部位示意圖。

圖3 透平動葉結構改進部位

新型S1B材料為定向凝固的(DS) R-108合金，較先前DS GTD-111的使用溫度提升3.2%，持久強度、高溫強度、疲勞強度、耐腐蝕度均有提升。S3B材料使用R-108代替原GTD-111。

圖4是透平動葉和噴嘴材料斷裂應力性能比較曲線。

圖4 透平動葉和噴嘴材料斷裂應力性能比較

同時，新型動葉采用了三維氣動設計，葉片的各個截面均按照最佳的沖角設計，使之折轉角度更大，氣動損失更小，通流能力更強。S2B、S3B采用帶雙切齒的葉頂密封結構，減少了葉頂與護環間隙，提升熱通道效率。

1.3 透平護環

透平護環位于燃氣輪機透平兩級噴嘴之間動葉頂部的位置。護環的作用是減少葉頂間隙，并在高溫燃氣與溫度相對較低的缸體之間進行隔熱，以達到減少透平氣缸所受的熱膨脹和熱應力[6]。

新型S1S采用可磨涂層的表面結構，不再采用上一代平滑的表面設計，而是帶有特殊的紋路。透平動葉與護環的接觸面將僅限于凸出的表面花紋，在減少了涂層磨損量的同時，也避免了因為兩者的接觸對動葉造成損傷。另外，這種涂層設計可減少動葉與護環間隙；同時，也使在動葉劃過護環的過程中，在護環間隙產生氣動阻力，減少二次流的損失[6]。圖5是S1B與S1S示意圖。

圖5 S1B與S1S示意圖

此外，新型S1S在整體結構上還增大了噴嘴掛鉤導角，以減少應力，降低風險。圖6是S1S結構示意圖。

圖6 S1S結構示意圖

為配合S2B、S3B葉頂帶雙切齒的葉頂密封，其護環也采用了帶雙切齒蜂窩密峰結構，以減小動葉頂部的漏氣損失，提高效率。圖7是S2B與S2S示意圖。

圖7 S2B與S2S示意圖

1.4 DLN 2.6+部件適應性升級

燃燒室是燃氣輪機的三大核心部件之一，是整個燃氣輪機承受溫度最高的部件，其工作環境非常惡劣。在燃氣輪機工作時為了使火焰筒和過渡段保持筒體的強度，其周圍必須有強大的冷卻氣體回流，同時筒體內壁采用熱障涂層(TBC)加以保護， 使得火焰筒和過渡段處于安全的使用溫度范圍內。為具有良好的傳熱和冷卻性能，燃燒筒和過渡段筒體必須薄，而且筒壁上須要留出大大小小許多的孔洞和縫隙。為承受必需的載荷，筒體又必須具有足夠高的剛度和強度。

通常，9F.03型燃氣輪機配備的DLN 2.6+燃燒室檢修間隔為24 000 h，此次也對DLN 2.6+相關部件進行了補強，主要包括材料和冷卻性能方面，以匹配AGP升級后的32 000 h的檢修間隔和更高的燃燒初溫(AGP改造后S1B前的燃氣溫度約提升27 K)。

升級中,除了燃料噴嘴端蓋(CAP)、導流襯套、燃燒室的前/后缸繼續使用以外，其他零部件都進行了更換。

在更換的零部件中，CAP的冷卻方式修改為軸向冷卻，并對彈性密封進行升級；對燃料噴嘴的空氣進口流量調節器部件的材質和進氣孔進行升級；過渡段尾部框架外表面增加TBC；同時更換了新型火花塞和聯焰管。圖8、圖9是燃料噴嘴空氣進口流量調節器(IFC)部件升級示意圖。

圖8 燃料噴嘴示意圖

圖9 燃料噴嘴IFC升級部件示意圖

1.5 氣缸溫度控制單元

氣缸溫度控制(CTM)單元是在透平氣缸處布置吹掃空氣以降低和控制第一級處的氣缸溫度，縮小S1B與S1S之間的間隙，降低葉頂漏氣量，提高通流效率；同時，CTM單元還具有降低缸體橢圓度的作用。一般，該模塊在機組負荷率高于60%時投用。根據設計，在基本負荷時，CTM單元對機組效率的提升約為0.3百分點。

該模塊主要由風機模塊、氣缸冷卻空氣噴嘴和測溫熱電偶三部分組成。

1.5.1 風機模塊

模塊置于燃氣輪機隔音罩旁，配置了1臺離心風機、進氣過濾器、出口風量調節擋板及相關測溫元件。

1.5.2 缸體冷卻空氣噴嘴

在透平氣缸第一級的周向布置了8組冷卻空氣噴嘴，在缸體上打孔后，將熱電偶穿入專用接頭并固定在缸體表面。每個冷卻空氣噴嘴包括進氣管、噴嘴組件和調平螺栓。在噴嘴組件的內側表面，均勻布滿了冷卻空氣小孔，以保證冷卻空氣在吹向缸體表面時的均勻性。噴嘴組件呈與缸體外沿形狀相匹配的弧形，配合調平螺栓，確保噴嘴與缸體之間的間隙均勻，且處在可控的范圍內。

圖10是氣缸冷卻噴嘴安裝位置示意圖。

圖10 氣缸冷卻空氣噴嘴安裝位置示意圖

圖11是冷卻空氣噴嘴結構示意圖。

圖11 冷卻空氣噴嘴結構示意圖

1.5.3 缸體熱電偶

在透平氣缸上新安裝了深度不同的16支熱電偶，其中12支插入深度較深(接近S1S處溫度)，4支插入深度較淺(接近缸體表面溫度)。

這些元件用來監測缸體溫度和CTM投入時的缸體溫度梯度。配合相關的Mark VIe邏輯，以達到控制S1S與動葉葉頂間隙的目的。

自2008年以來，已有超過50臺GE 9F 機組和75臺7F機組裝備了CTM單元，且使用至今，沒有發現透平氣缸裂紋或變形的情況。CTM已經成為配合AGP升級改造的成熟技術。

1.6 壓氣機9/13級抽氣流量控制單元

來自9F.05型燃氣輪機技術的壓氣機第9級及第13級抽氣流量控制(EFM)單元主要是在壓氣機第9級和第13級抽氣管路上各安裝4個流量調節閥和壓力變送器，以精確控制進入透平S2N、S3N的冷卻空氣流量，達到在部分負荷下提升燃氣輪機的效率和改善滿足排放限值的最低負荷能力的作用。

改造前，來自壓氣機第9級和第13級的冷卻空氣流量是根據極限工況設計，并安裝匹配的流量孔板以達到設計效果，冷卻空氣流量不能實時調節。改造后，在燃氣輪機大部分負荷工況下，EFM單元將根據實時的負荷和通往噴嘴處的壓力數值，實時調節流量調節閥開度，在保證透平噴嘴冷卻量充足的前提下，減少從壓氣機抽出的冷卻空氣流量，達到提升燃氣輪機效率的目的[7]。

圖12、圖13分別是改造前后EFM單元系統示意圖。

圖12 改造前EFM單元系統示意圖

圖13 改造后EFM單元系統示意圖

在機組啟動點火前，第9級和第13級調節閥保持最小開度位置(開度約35%)，點火成功后的低負荷階段，調節閥開至最大，由此增加了透平冷卻空氣的流量，壓氣機排至燃燒室的空氣流量減少。由此提升了燃燒溫度，實現燃氣輪機在更低負荷下控制一氧化碳和確保低氮氧化物排放下的燃燒穩定性[8]，改善了滿足排放限值的最低負荷的范圍。

2 AGP升級改造的效果

2.1 性能提升

改造前后機組在部分負荷(80%負荷以上)與基本負荷(100%負荷)工況下均進行了性能試驗，并將試驗結果折算為標準條件下的數值。試驗結果表明：改造后燃氣輪機基本負荷的出力提升；各負荷率(負荷率=負荷值/基本負荷)下的熱耗率均下降。

燃氣輪機基本負荷的出力提高了15 200 kW，增幅達5.8%。

改造前后各負荷率下的熱耗率變化情況見圖14；表2為熱耗率改善的具體數據。

圖14 改造前后各負荷工況下的熱耗率

負荷率/%熱耗率差值/(kJ·kW-1·h-1) 熱耗率下降百分比/%100262.132.6795223.272.2690259.902.6085319.023.1280347.643.37

根據2016年該燃氣輪機在各負荷段的發電量分布情況估算，機組改造后年可節約的標煤量超過13 500 t。

與該臺機組投產時的性能試驗數據相比，AGP改造后，基本負荷下的熱耗率減少了268.33 kJ/(kW·h),下降2.73%。可見AGP改造對燃氣輪機性能的提升是比較可觀的。

2.2 檢修間隔和部件壽命延長

機組本體檢修間隔延長的情況見表3。

表3 熱通道改造前后檢修間隔對比

燃氣輪機熱通道部件壽命延長情況見表4。

表4 熱通道部件改造前后壽命對比

3 結語

9F.03型燃氣輪機經過AGP部件升級改造，使用了AGP部件、CTM單元及EFM單元等輔助模塊，有效提高了機組的可用率和安全性，提高了機組的出力和效率，延長了機組的檢修間隔和部件的使用年限。不僅降低了發電成本，同時也增加了燃氣輪機的最大出力，切實達到了節能降耗的目的。