9FA燃氣輪機排氣溫度熱電偶頻繁燒損原因分析及解決方案

劉軍 梁友 李輝

摘要： 排氣溫度是燃氣輪機燃燒控制和主機保護的關鍵參數之一;因排氣溫度故障而導致的機組主保護動作會帶來不必要的經濟損失。由于在首次安裝和歷次維護過程中對排氣熱電偶裝復及其周圍保溫層敷設的細節把關不嚴謹，自我廠#1燃機投產以來，發生了數起因個別排氣熱電偶故障危及機組穩定運行的事件，并造成了大量排氣熱電偶及其預制補償電纜報廢。嚴格按照排氣熱電偶設備及排氣擴壓段保溫層安裝規范及美國通用公司的相關技術通告要求進行整改才得以解決。本文通過生產現場的故障分析、整改、對比、改進等方面入手來提供幾種故障分析方法以及解決方法。

Abstract： Exhaust gas temperature is one of the key parameters of gas turbine combustion control and main engine protection; the main protection action of the unit caused by exhaust gas temperature failure will bring unnecessary economic losses. Due to the lack of strict control over the details of the installation of the exhaust thermocouple and the laying of the surrounding insulation layer during the first installation and previous maintenance， since the start of production of the #1 gas turbine in my own factory， several reasons have occurred due to the failure of individual exhaust thermocouples， which endangered the stability of the unit. Operational incidents， and caused a large number of exhaust thermocouples and their prefabricated compensation cables to be scrapped. The solution can only be solved by strictly following the installation specifications of the exhaust thermocouple equipment and the insulation layer of the exhaust diffuser section and the relevant technical notices of the General Motors Corporation of the United States. This article provides several failure analysis methods and solutions through the failure analysis， rectification， comparison， improvement and other aspects of the production site.

關鍵詞： 燃氣輪機;排氣熱電偶;保溫;故障;分析;處理

Key words： gas turbine;exhaust thermocouple;heat preservation;failure;analysis;treatment

中圖分類號：TK479+.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）18-0158-04

0? 引言

國家電投珠海橫琴熱電有限公司兩臺燃氣輪機為GE公司生產的PG9351FA機型，采用目前更先進的DLN2.6+技術和MarkVIe控制系統，同時引入數學模型控制機制，具有將更加先進的氮氧化物排放控制策略，并在不同季節具備寬動態自動燃燒調整適應能力。控制策略的智能化對測控設備的可靠性和穩定性提出了更高的要求，公司自2014年投產以來，排氣熱電偶燒損2～3支/月，專用電纜2～3根/月，1號機組于2019年2月20日至3月20進行了第一次中修，換下排氣熱電偶10支，專用電纜8根，2號機組于2020年3月16日至2020年4月26日進行了第一次中修，換下排氣熱電偶16支，專用電纜16根，累計燒損排氣熱電偶元件59支，專用電纜57根，直接經濟損失近88萬元;投產不足6年，單一設備非正常消耗巨大，作為現場難題，亟待找出原因，拿出解決方案，及時止損。

1? 概況

GE公司生產的PG9351FA型燃氣輪機在排氣擴壓段后通道內，沿著周向布置了31支熱電偶。

燃氣輪機控制系統通過排氣熱電偶的測量值進行燃燒分散度監測，該算法使用最大壓氣機排氣溫度CTDA、透平排氣溫度平均值TTXM以及不同機型的控制常數TTKSPL5來計算排氣分散度允許范圍。

排期分散度=（0.145 TTXM-0.08*CTDA+TTKSPL5）

對于F級及以上機型，TTXSPL在50℉至170℉之間。其中TTKSPL5=60°F。

當燃燒分散度超過特定情況下的允許值一定時間時，通過對應情況下的不同保護機制來實現對燃機熱通道的快速保護;當排氣熱電偶測量溫度發生大幅變化或者排氣熱電偶故障時，保護機制如表1。

1.1 排氣擴壓段系統

排氣擴壓段是燃氣輪機排氣框架和余熱鍋爐連接的部分，一方面要將燃氣輪機排氣高效、均勻地擴散到鍋爐，另一方面要為排氣熱電偶提供一個可靠、均勻、穩固的安裝框架;雖然結構簡單，但長期工作在高溫、高應變環境下，其機構可靠性和保溫效果就顯得尤為重要了。

如圖1所示，排氣擴壓段由內套筒、外套筒和支架組成，31支排氣熱電偶套管安裝在外套筒支架前，延圓周向均勻布置，其中套筒外熱電偶套管長146.6mm，保溫厚度152.4mm，略高于套管，如圖2所示。

1.2 故障概況

兩臺機組排氣熱電偶燒損情況見表2。

用統計圖表示2015年5月至2020年3月期間排氣熱電偶的燒損情況，如圖3所示。

用統計圖表示2015年5月至2020年3月期間不同區域排氣熱電偶的燒損情況，如圖4所示。

從表2，圖3和圖4中可以看出，排氣擴壓段左下部、右下部以及下部排氣熱電偶的燒損情況最嚴重;其中左下部9支、右下部9支，下部26支。

通過圖表統計可以得出的結論是：排氣框架下部的熱電偶出現損壞的概率要遠高于頂部的熱電偶。

通過對現場設備檢查，發現排氣框架下的保溫外殼有明顯脫離本體的情況，如圖5所示。

劣化的保溫外殼明顯已經將熱電偶套管和熱電偶航空插頭包裹進保溫中，導致熱電偶航空插頭無法散熱，通過測溫貼紙測試得知，熱電偶航空插頭處的溫度超過300℃，導致設備在遠高于其所能承受的使用溫度（120℃）下運行，加速了設備損壞。排氣框架的保溫已經出現了內部空鼓的情況，這也是導致高溫輻射超過300℃主要原因之一。通過對熱電偶專用電纜燒損情況照片的對比，也不難發現，熱電偶電纜在極限高溫環境中無法保持其結構穩定性和良好的電氣性能。如圖6所示，正常的電纜插頭內絕緣子完整，高溫燒損后的電纜插頭，絕緣子完全燒毀，燒穿;插頭的插針燒損后脫落出來，尾部的絕緣外皮已經碳化變脆，隨時有斷裂的風險;燒損后的熱電偶元件插座內原有的紅色絕緣密封材料全部碳化脫落。新元件內有紅色絕緣底座及密封膠圈保護熱電偶元件插座有良好的電氣性能和抗氧化能力。

1.3 有限延長熱電偶使用壽命的方案

基于設備損壞情況初步檢查，在不具備大規模保溫施工的情況下，只能對局部保溫進行有限的恢復，在遵從設備供應商原有設計的基礎上進行恢復。

同時引入臨時冷卻風，降低其環境溫度，但這個方法只能有限延長熱電偶使用壽命，如圖7所示。

2? 排氣熱電偶燒損原因分析

2.1 排氣熱電偶質量性能的影響

橫琴熱電使用的排氣熱電偶均為GE公司原廠供配，其溫度響應指標高于200ms，端部均進行了硬化和耐磨損涂層處理，具有優良的溫度響應能力，可以在200ms內快速響應溫度變化趨勢。通過歷次檢修記錄統計，除高溫燒損的排氣熱電偶以外，未出現過因熱電偶質量問題導致的異常。因此，熱電偶的質量性能與熱電偶燒損無直接關系，并非熱電偶燒損的誘因。

2.2 保溫層安裝工藝的影響

GE原始保溫層設計為三層，每層2英寸厚，共計6英寸厚。通過對燃機排氣擴壓段頂部測溫，未發現超溫部分;結合頂部排氣熱電偶燒損情況統計結果，可以得出保溫層設計厚度可以滿足保溫要求的結論。但是對底部保溫測厚時發現，探針的插入深度已經遠遠超過了6英寸（150mm），最深處已經達到了300mm，通過檢查發現保溫棉已經脫離了排氣缸體，僅由外部裝飾鐵皮承載脫落保溫棉。對脫落保溫的區域進行測溫，發現熱電偶區域最高可達450℃，保溫外皮最高可達150℃，均超過了熱電偶和預制電纜的設計使用溫度。進一步檢查發現，排氣擴壓段下部區域的保溫固定扁鐵，扁鐵固定扣均有不同程度的脫落，導致保溫失去固定，脫離了缸體;并進一步導致高溫熱輻射泄露。再次對排氣熱電偶的損壞統計數據分析發現，排氣熱電偶的損壞數量呈現逐年遞增的趨勢，損壞的速度也由半年縮減到不足一個月;間接的證明排氣擴壓段的保溫正在逐年劣化，失效。燃氣輪機在運行過程中會有一定的振動，特別是排氣擴壓段結構強度弱，體積大，對振動有一定的放大效果;這種持續的振動導致了排氣擴壓段底部的保溫固定裝置逐漸松動，脫落乃至失效。通過對同類型機組調研發現，9F機群的機組都不同程度地出現過排氣擴壓段底部排氣熱電偶燒損的情況，GE公司也針對這個情況制定過一份保溫治理建議，但建議只是針對排氣熱電偶安裝位置的局部區域，并未提及排氣過壓段整體保溫的治理;橫琴熱電按照GE公司保溫治理建議處理若干次后收效甚微，故障依然頻發。

3? 排氣熱電偶燒損解決方案及實施效果

針對排氣擴壓段保溫脫落的情況，我們特別制定了保溫層固定的優化方案。①在保溫棉外層增加固定網，工藝效果如圖8所示。②排氣熱電偶套管處的保溫棉由前后拼接改為挖洞植入，并在排氣熱電偶套管兩側的使用鋼絲設置兩道加強筋，工藝效果如圖9所示。③每一層保溫順氣流方向使用扁鐵固定，并充分使用固定扣增加固定強度，工藝效果如圖10所示。④每一層保溫縱向使用扁鐵固定，進一步提高保溫棉的固定強度，工藝效果如圖11所示。

⑤排氣熱電偶套管均采用石棉布纏繞包扎。使用石棉布包裹套管，進一步增加套管附近保溫材料的強度和密度，防止保溫松脫造成的高溫輻射泄漏。

4? 結論

截至2020年4月，橫琴熱電先后完成了1號機組和2號機組燃機排氣擴壓段保溫的優化治理，自2019年3月以來，連續兩年未出現過排氣熱電偶燒損的異常，成功解決了排氣熱電偶非正常損耗的生產難題，機組的安全可靠性得到了質的提升。

參考文獻：

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