9E燃氣輪機先進熱通道升級改造及性能分析

任磊

摘要：針對GE公司的PG9171型燃氣輪機優化改進-先進熱通道（AGP）優化方案進行了實際分析，改造內容包括了三級透平動靜葉片及復環、壓氣機內缸氣封以及壓氣機進口導葉（IGV）開度調整，并對升級改造后的機組性能進行了計算分析，計算結果表明改造后燃機機組單循環及聯合循環性能都有所提升，先進熱通道升級改造對機組有效。

Abstract： This paper analyzes the advanced heat channel （AGP） optimization scheme of PG9171 gas turbine of GE company， The transformation includes the three-stage turbine blade and retaining ring， air compressor internal cylinder seal and compressor inlet guide vane （IGV） opening adjustment ， and calculated and analyzed the performance of upgraded units. The calculation results show that the performance of the single-cycle and combined-cycle of Combined Cycle Power Plant （CCPP） after retrofitting has been improved， and the upgrade and reconstruction of the advanced hot-aisle is effective for the unit.

關鍵詞：先進熱通道;升級改造;性能分析;單循環;聯合循環

Key words： AGP;upgrade;performance analysis;single cycle;combined cycle

中圖分類號：TK16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0200-02

0? 引言

南方某燃機電廠為2*200MW燃氣-蒸汽聯合循環熱電聯產機組，采用GE公司PG9171型燃機拖動一臺哈汽生產的60MW汽輪機布局。在多年的使用中，燃氣輪機機組熱通道部件設計壽命逐漸到期，機組實際運行中經濟性下降，安全風險增加，為保障機組安全經濟運行，廠方決定對機組進行熱通道部件進行升級替換。

GE公司為9E型燃機熱通道部分部件，提供了一種新的替代解決方案，即先進熱通道（AGP）部件，該新型部件在提升設備使用壽命、延長檢修間隔，降低機組熱耗率上，都有顯著效果，所以先進熱通道升級是一項投資回報率較高的技術優化方案。該技術優化方案通過對機組出力、效率和使用壽命的提升，帶來在重型燃機發電內行業內領先的的性能增強。先進熱通道升級技術方案能有效提高機組節能方面的經濟性，顯著的提升燃氣輪機及其熱部件的使用壽命。有助于發電企業進一步發掘現有經濟價值潛力，節約發電成本，持續提升發電企業核心競爭力。

本文將通過理論分析AGP升級改造的必要性與可行性，并通過改造后驗收試驗確認改造效果，對今后同類改造項目有借鑒意義。

1? 先進熱通道（AGP）改造方案

AGP的優化方案通過對熱通道部件的動、靜葉葉型設計優化和改進密封提高機組效率，通過部件增強材料屬性和優化冷卻風布局提高設備使用壽命，以此來整體提高熱通道的性能。該技術作為一種新的改進技術，已有不少實際應用的案例。自2014年起，南京汽輪機廠生產的9E燃機機組，大部分都優化配置了AGP先進熱通道部件，并取得了較好的受益效果。

此次機組的改造方案大致為：①以全三維的新型透平三級動靜葉取代原先的二維結構葉片。②透平一級護環由附著可磨涂層的Gen3 +新型護環取代原先無涂層結構的護環。③壓氣機排氣內缸采用刷式密封取代原先的蜂窩式氣封。④將壓氣機進口導葉（IGV）開度調為86°。

1.1 透平全三維三級動靜葉改造

機組原葉片僅采用二維設計，只是將基準截面（即XY雙軸）依照最佳沖角進行了優化設計，再按自由漩渦或其他流型設計出其余高度不等的葉片形面，諸多參數疊加在一起后得出最終的完整動葉。這種設計方式，雖然基準截面在此設計方式下流場效果良好，且氣動效率較好。但一旦流場偏離了基準截面，向兩側延伸，流場和氣動效果會隨著距離的變化變得越來越差。葉尖和葉根因為距離基準截面最遠，其影響尤為明顯。葉尖和葉根不同渦流會形成氣流動力阻滯，降低機組通流情況，造成機組帶負荷能力下降。燃氣輪機透平的三級動、靜葉，在采用了新的靜葉升級改造技術后，全部都采用了全三維葉片，這使得葉片三軸向截面均優化為最佳的沖角設計，并能使之彎扭角度更大，氣動的損失也會更小，通流能力變得更強，該設計結構圖如圖1。

1.2 透平一級護環可磨涂層改造

檢修前的一級護環采用普通可磨涂層，而升級改造采用表面附有最新一代的Gen3+型可磨涂層的一級護環。最新一代的Gen3+型可磨涂層具有以下特點：

①氧化壽命可達24×103h（標準工況下），以適應高溫燃燒環境。

②葉冠磨損<15%。

③抗腐能力等級為min1.5，減少工作環境中氣蝕的影響。

④加厚涂層材料50mil（千分之一寸）。

⑤材料粘接強度更強。

新型可磨涂層護環的表面結構采用帶有特殊的紋路的設計，其作用在于：①為了減少涂層磨損量，也為降低透平動葉與護環二者的接觸，減少對動葉材質造成損傷，燃氣輪機透平動葉只有凸出的表面花紋與護環接觸。②護環的表面紋路間隙有粗細之分，其安裝方向需按設計好的方向進行。如圖2所示，燃機透平的動葉將從上至下穿過護環，紋路方向自由細到粗。因為動葉在滑過護環的過程中，護環間隙產生一定的氣動阻力，所以這種設計可有效減少二次流的損失。

1.3 壓氣機排氣內缸刷式氣封改造

新型的刷式氣封應用，可有效提高氣封與接觸面結合的程度，對壓縮空氣的泄漏情況有明顯的降低和優化作用，可提高燃氣輪機的效率，減少能量損失。

2? 改造前后經濟性分析

為了解改造前后機組實際的性能變化情況，在機組改造前、后分別進行了性能試驗進行對比，并對機組性能情況進行比較分析。在試驗計算過程中，為了避免聯合循環中的汽機和余熱鍋爐性能對機組計算性能的影響，在計算中將整個機組分為兩個系統考慮：燃氣輪機及燃氣輪機發電機為系統1，余熱鍋爐、蒸汽輪機及汽輪機發電機為系統2。如圖3，在對聯合循環性能進行計算驗證時，維持邊界系統2的熱效率無變化。

3? 驗收試驗結果

為了驗證先進熱通道部件對機組經濟性的實際影響，在機組改造前后分別進行了熱力性能試驗。燃氣輪機試驗依據標準GB/T 14100《燃氣輪機驗收試驗》、GB/T 28686《燃氣輪機性能試驗》、聯合循環試驗依據標準GB/T 18929《聯合循環發電裝置 驗收試驗》完成，實際試驗數據對比如下：

①燃氣輪機簡單循環經濟性：參數修正后，先進熱通道部件改造前燃氣輪機的負荷為101.96MW，改造后為114.99MW，機組簡單循環負荷提高12.77%;改造前熱耗11796kJ/（kW·h），改造后熱耗11024kJ/（kW·h），熱耗降低約6.54%。②燃-汽機聯合循環經濟性：改造前聯合循環總負荷為163.6MW，改造后為177.06MW，機組聯合循環負荷提高約8.23%;聯合循環改造前熱耗7349kJ/（kW·h），改造后熱耗7151kJ/（kW·h），熱耗降低2.69%。

同時，由于本次改造對燃氣輪機熱部件的優化，包括熱部件的冷卻結構和密封方式等都有了一定的提升，所以燃氣輪機熱部件的使用壽命預計由原來的72000小時，延長至96000小時。但實際的部件的壽命情況，仍將有待于機組下次檢修時對熱部件的實際檢測才能確定。

通過對比性能計算結果可以看出，本次改造對燃機單循環及聯合循環，機組性能有明顯提升，機組出力有了明顯提高，而熱耗率下降明顯，因此此次改造有效。但需要考慮到是，該電廠投產運行時間較長，機組原本熱通道部件老化明顯，而本次試驗結果主要為對比改造前后優化情況，所以并未對機組老化進行修正。所以如果有其他投運時間較短的機組進行此項改進，可能無法達到這樣明顯的性能提升。

4? 結語

通過對先進熱通道部件優化升級改造項目的分析和性能試驗結果的驗證可以看出，先進熱通道（AGP）優化升級中的護環、氣封和新的葉片設計理念，其優勢性都體現到了機組的經濟性能的提升中。驗收試驗結果表明，新技術對于提高燃機出力、降低能耗，效果顯著，達到了預期目的。對于熱通道部件使用壽命的影響，仍需通過長時間的監視和檢修期間的查驗來確認。本次改造的成功，對今后同類改造項目，對于新建項目的設備選型，都有一定的借鑒參考意義。

參考文獻：

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