燃氣輪機排氣擴散段超溫治理實施

劉金良

(北京京橋熱電有限責任公司，北京 100067)

燃氣輪機排氣擴散段是連接燃氣輪機和余熱鍋爐本體的一個重要結構[1]，燃氣輪機排放的高溫煙氣通過排氣擴散段擴容減壓后進入余熱鍋爐[2]。燃氣輪機的排氣擴散段由于通流面積小、煙氣流速高，其運行工況極其惡劣，各燃氣輪機電廠普遍存在排氣擴散段外表面超溫問題。本文介紹了一種全新的燃氣輪機排氣擴散段超溫治理方案，該方案較好地解決了排氣擴散段超溫問題。

1 排氣擴散段結構特點

西門子SGT5-4000F(4)型燃氣輪機排氣擴散段由固定支座、滑動支座、擴散段本體、金屬膨脹節、金屬膨脹節過渡段、非金屬膨脹節、保溫層、內護板等組成。由于燃氣輪機排氣擴散段體積龐大，為了制造、安裝、運輸方便，將排氣擴散段本體沿圓周方向分8片制作，現場將8片組裝為一個整體[3]。

燃氣輪機排氣擴散段為圓錐形水平布置管段狀結構，其中擴散段本體總長 12 048 mm，大徑Φ6 926 mm，小徑Φ4 832 mm，內部貼壁面布置有200 mm厚的硅酸鋁纖維毯為保溫層，保溫層由3 mm厚的耐熱不銹鋼板固定，不銹鋼板逐層搭接覆蓋，并作為排氣擴散段煙氣側的工作面，外護板用碳鋼制作，其典型結構如圖1 所示。流體介質設計溫度為620 ℃左右，壓力為-2 500～5 400 Pa。

圖1 原排氣擴散段保溫結構

2 排氣擴散段超溫原因分析

2.1 內護板搭接不規范

內護板沿氣流方向層層搭接，這種設計可以延長內護板使用壽命，防止煙氣進入保溫層吹損保溫。如果內護板搭接寬度不足夠大，高速流動煙氣從內護板接縫進入保溫層，形成對流傳熱，減弱保溫層保溫效果。

2.2 內護板固定螺栓安裝不規范

內護板應用不銹鋼螺栓和壓片固定牢固，但是緊固力矩不應超過54 N·m，調整好螺栓緊力后必須將螺母點焊固定。如果緊固力矩太大，高溫工況下擴散段各部件膨脹不暢，造成內護板變形、脫落、保溫損壞。

2.3 保溫棉敷設不規范

排氣擴散段保溫棉敷設時必須按照保溫技術要求，層間必須錯縫搭接壓實，避免由于保溫棉敷設不實原因造成煙氣在保溫層中流動將保溫層吹損。

2.4 保溫結構存在熱橋

排氣擴散段保溫支撐板與外護板相連，煙氣溫度沿保溫支撐板傳導到外護板，保溫支撐板形成了擴散段內外連接的熱橋，造成外護板局部超溫。

2.5 保溫固定板結構不合理

保溫棉無法整體敷設，因保溫固定板尺寸較大，不可避免地造成保溫棉切口大，敷設難度大。保溫棉間易形成貫通性接縫，造成高溫煙氣竄入保溫結構內形成對流。

3 我公司燃氣輪機排氣擴散段現狀

我公司燃氣輪機于2013年完成168 h試運行并投入生產。機組經過長時間的運行后，燃氣輪機排氣擴散段表面存在局部超溫現象。#1燃氣輪機排氣擴散段局部溫度在100～170 ℃，最高點(金屬補償器區域)為270 ℃；#2燃氣輪機排氣擴散段超溫處溫度在92～140 ℃，最高點(金屬補償器區域)為270 ℃。機組自投運以來多次進行兩臺燃氣輪機排氣擴散段的局部超溫治理，經過治理后短期內超溫情況得到改善，但仍無法徹底解決超溫問題，亟須通過全面治理來徹底解決擴散段的超溫問題。

4 燃氣輪機排氣擴散段超溫治理措施

4.1 更換內部保溫棉

擴散段內保溫部件較多，為保證設備有序拆裝，在拆卸前對內護板、導流槽鋼編號和標記方向，繪制燃氣輪機排氣擴散段保溫結構圖。做足準備后將內護板固定螺栓破壞性拆除，壓板、導流槽鋼、內護板保護性拆除并妥善存放。

內護板拆卸后，對舊保溫棉進行了全面檢查(見圖2)。擴散段原裝保溫棉為巖棉，其導熱系數相比硅酸鋁保溫棉稍高，絕熱性能差。本次改造將排氣擴散段整體保溫棉更換為導熱系數更低、耐熱溫度更高的容重128 kg/m3以上的硅酸鋁保溫棉(見圖3)，同時為保證保溫棉的機械性能、耐久性能，選用了加熱永久線變化更低、抗拉強度更高的國產優質硅酸鋁保溫棉。

圖2 改造前擴散段保溫層

圖3 改造后擴散段保溫層

4.2 增加耐高溫隔熱保溫涂層

因為燃氣輪機排氣擴散段通流尺寸有限，不能采取增加保溫棉厚度的方案來提高其整體保溫的絕熱性能。本次改造在擴散段外護板內側涂刷了厚度為2 mm的耐高溫隔熱保溫涂料(見圖4)，增加的2 mm保溫涂層相當于又增加了厚度為50 mm的硅酸鋁保溫棉，進一步提高擴散段保溫的絕熱性能。該型涂料在1 000 ℃高溫測試下其導熱系數僅為0.033 W/(m·k)，其粘結強度(附著力)及抗拉強度(高溫后)達到8 MPa。在保證了絕熱性能的前提下，其機械性能也能完全滿足擴散段的正常運行。

圖4 改造后保溫涂層

4.3 優化保溫固定結構

原擴散段保溫層是由支撐板及內護板進行固定、限位，支撐板結構較大，不利于保溫層的敷設。由拆解圖片可以看到保溫層被支撐板分割成一個個小塊(見圖5)，彼此間無錯層、搭接密封，高溫煙氣順著保溫層之間的間隙形成對流，降低了擴散段的整體絕熱性能，同時增大了保溫棉吹損的風險。

圖5 改造前擴散段保溫敷設

本次改造將原保溫支撐板全部切除，統一更換為縮小版的保溫支撐板(見圖6)，該支撐板材質選用耐熱性能良好的321不銹鋼，保證受熱后支撐板強度不減。該支撐板較原支撐板承托面積減少，但仍可以大面積承托2層保溫棉，保證保溫棉的承托性能不減。同時優化了保溫層的敷設條件，保溫支撐板更換后更便于保溫層的敷設，可以滿足各層保溫棉錯層、搭接敷設(見圖7)，提高了保溫層的密實程度，避免了煙氣對流的形成。

圖6 改造后保溫支撐板

圖7 改造后保溫敷設結構

4.4 增加保溫層防護結構

本次改造在保溫層外層增加了一層陶瓷纖維布及鋼絲網防護(見圖8)，以減少高溫煙氣對保溫層的沖刷，避免硅酸鋁保溫棉的吹損，增強擴散段保溫的耐久性，同時可以減少保溫棉對脫硝催化劑的污堵情況。

圖8 改造后保溫層防護結構

4.5 增加內護板內側壓板

原擴散段內護板固定螺栓孔處的壓板僅安裝在內護板外側，當壓板因膨脹、開焊等原因脫落后，高溫煙氣直接竄入保溫層，將保溫棉吹出，造成擴散段局部超溫。本次改造在內護板固定螺栓孔內外側均安裝一塊壓板(見圖9)，增加了內護板的完整性，可以極大的減少保溫棉的吹損。

圖9 改造后內護板內側壓板

5 改造效果

改造后，在環境溫度38 ℃、機組負荷180 MW、煙氣溫度600 ℃時對兩臺燃氣輪機排氣擴散段外部溫度進行了紅外熱成像測量(見圖10)，從熱成像圖片上可見兩臺燃氣輪機排氣擴散段各部位溫度分布均勻，無明顯高點，且均能滿足《電業安全工作規程(熱力和機械部分)》規定的保溫表面溫度不高于環境溫度+25 ℃的要求，擴散段超溫情況得到了極大改善。

圖10 改造后擴散段外部熱成像圖

6 避免超溫的控制措施

6.1 定期測溫檢查

機組運行期間定期檢查排氣擴散段本體外表面溫度，建立檢查記錄檔案。發現表面溫度異常升高或顏色發生改變時及時制定停機檢查計劃。重點檢查熱控測點、金屬膨脹節過渡區域、非金屬膨脹節、本體拼接縫等區域。

6.2 定期排查工作環境

定期檢查排氣擴散段本體至非金屬膨脹節過渡區域是否存放雜物，發現雜物立即清除。非金屬膨脹節區域禁止存放任何東西，以免影響散熱和發生機械損傷。

6.3 規范進行燃氣輪機水洗

燃氣輪機水洗時必須打開排氣擴散段疏水閥，避免保溫層進水影響保溫效果。

6.4 定期進行設備檢查、維護

計劃性檢修燃氣輪機排氣擴散段內部，重點檢查以下內容：

(1) 保溫支撐板、內護板壓板是否松動脫落，發現內部缺陷及時處理。

(2) 過渡段的覆層板由若干段拼接而成，目測焊縫區域是否存在裂紋。

(3) 檢查排氣擴散段疏水口是否暢通，如有堵塞應及時疏通。

7 結論

燃氣輪機排氣擴散段超溫問題在同類型燃氣輪機電廠普遍存在，近年來各主機廠、電廠、檢修公司一直在探索解決擴散段超溫的方案。本次我公司燃氣輪機排氣擴散段保溫治理改造通過對保溫材料的更換、保溫結構的優化等措施，較好地解決了燃氣輪機排氣擴散段超溫問題，具有較高的推廣價值。