M701F 燃氣輪機透平轉子輪盤間隙溫度優化方案

后小軍，馮冠軍，陳曉輝

（深圳能源集團股份有限公司東部電廠，廣東深圳 518120）

0 引言

燃氣輪機作為一種重要的動力設備，提高燃機進氣溫度對于提升燃氣的功率和效率有著非常重要的現實意義。但是提高燃機進氣溫度往往受到透平材料耐熱性的限制，因此必須采取有效的冷卻技術，降低燃氣輪機透平溫度。F 級燃氣輪機透平初溫已接近1400 ℃，因此對透平設備的冷卻顯得尤為重要。

1 燃機透平輪盤冷卻原理介紹及分析

三菱M701F3 型機組設置了三級抽氣來冷卻透平輪盤，分別從壓氣機6 級、11 級、14 級抽氣，按照壓力及溫度匹配原則，分別冷卻透平4 級、3 級、2 級透平輪盤（圖1）。壓氣機及透平每一級葉片的壓力與大氣溫度有密切關系，由于大氣溫度是變化的，深圳冬季和夏季最大溫差達30 ℃，因此對燃機壓氣機和透平壓力也隨著大氣溫度而變化。

圖1 燃機透平靜葉冷卻空氣流程

以高壓抽氣為例，壓氣機14 級高壓抽氣經過一個節流孔，該抽氣節流孔的設計直徑是118 mm，節流孔的大小影響進入透平輪盤冷卻空氣的壓力及流量。冷卻空氣經過節流孔節流后，先從透平二級靜葉頂部進入，再從根部流出后冷卻透平靜葉。從透平靜葉流出的冷卻空氣進入靜葉保持環，然后冷卻空氣進入透平一級和二級輪盤腔室，該腔室內充滿了冷卻空氣，該冷卻空氣最后通過透平動靜葉之間的間隙流入熱通道與主流道氣體，起到密封輪盤腔室的作用，防止主流道高溫氣體進入輪盤腔室（圖2）。

圖2 透平二級輪盤冷卻空氣流程

2 燃機透平輪盤間隙溫度異常現象

透平輪盤間隙溫度隨著燃機負荷及大氣溫度變化而變化，目前三菱M701F-3 燃機輪盤間隙溫度報警邏輯設置如下：

（1）2 級輪盤間隙溫度平均值＞460 ℃，報警發出。

（2）3 級輪盤間隙溫度平均值＞460 ℃，報警發出。

（3）4 級輪盤間隙溫度平均值＞460 ℃，報警發出。

（4）4 級輪盤間隙下游側溫度＞410 ℃，報警發出。

根據機組日常運行的經驗，三菱M701F-3 型燃機在每個C修周期內都會出現一到兩次二級輪盤間隙溫度高的現象，輪盤間隙溫度超過460 ℃，TCS 系統頻繁報警。透平輪盤間隙溫度過高，對燃機轉子基體損傷加大，因此需要盡快處理。

3 原因分析

壓氣機及透平每一級葉片的壓力與大氣溫度有密切關系，由于大氣溫度是變化的，因此對燃機壓氣機和透平壓力也隨著大氣溫度而變化。在大氣溫度較低時，透平高溫氣流通過側和冷卻空氣側的壓差會變小，壓氣機抽氣空氣壓力與透平葉片空氣之間的壓差會變小，導致壓力逆轉可能導致熱氣流逆流，從而使#2DCT 出現溫度高的問題。三菱廠家提供的曲線如圖3 所示。

圖3 不同大氣溫度下壓氣機和透平壓力曲線

4 解決方案

4.1 節流孔擴孔解決方案

一般解決燃機2 號輪盤間隙溫度高的辦法就是將高壓抽氣的節流孔擴孔，以增加進入透平冷卻空氣的壓力，保證冷卻空氣壓力高于透平熱通道氣流壓力，防止出現壓力逆轉導致的熱氣流泄漏進入輪盤腔室（圖4）。三菱廠家目前的節流孔設計值是118 mm，每次擴孔2 mm 到8 mm 就可以解決問題。但是該方法有兩個缺陷：①比較消耗時間，對節流孔擴孔整個流程走下來需要2 d 時間；②燃機運行時出現溫度過高或者過低時無法及時進行調整，在停機后才可以調整。因此無法及時消除缺陷，對機組安全經濟運行造成影響。

圖4 節流孔擴孔解決方案

4.2 可調節冷卻空氣壓力解決方案

將節流孔恢復到設計值，與節流孔并聯一個小管道，用手動閥來調節開度，在輪盤間隙溫度高時將閥門開大，增加冷卻空氣流量，在輪盤溫度低時將閥門開小，減少冷卻空氣流量，可以做到實時調節，控制透平輪盤間隙溫度在合理范圍內（圖5）。

圖5 可調節冷卻空氣解決方案

4.3 具體實施方案：

4.3.1 閥門尺寸選型

為了可以更好地控制透平輪盤間隙溫度在合格范圍內，選擇可調節冷卻空氣解決方案處理該缺陷。根據幾次的擴孔經驗，進行擴孔后DCT 溫度升降值見表1，三菱節流孔設計值是118 mm，三臺機組目前都進行了擴孔。

表1 通流面積對應透平輪盤間隙溫度下降值

根據目前的擴孔數據，如果出現DCT 溫度高，節流孔一般擴孔到130 mm 就可以基本滿足所有運行條件下DCT 溫度不超限，從118 mm 擴孔到130 mm 通流面積增大3.14×（65×65-59×59）=2336 mm2。因此要跟節流孔并聯的手動閥閥全開時的通流面積需大于等于2336 mm2，該流通面積對應的旁路閥全開時最大通流直徑約為：

由于加裝旁路閥對流體存在壓力損耗現象，實際閥門直徑要大于54 mm，根據閥門通用標準，本次選用閥門直徑為2.5 英寸的閥門，可滿足運行工況。在出現超溫后及時調整，將透平輪盤溫度控制在合格范圍內。

4.3.2 安裝實施方案

（1）材料規格確認主管尺寸為直徑270 mm，壁厚10 mm，主管道材料為20G。新增管道尺寸為直徑76 mm，壁厚8 mm，材料為15CrMo。

（2）開孔位置確認在節流孔法蘭兩端，保證空間位置無遮擋，具體開孔位置如圖6 所示。

圖6 節流孔并聯閥門管道安裝示意

（3）開孔及對口尺寸如圖7 所示，先用火焰切割50 mm 直徑的孔洞，再采用機械打磨的方式擴孔。

圖7 主管開孔及焊接對口尺寸

（4）焊接方案采用氬弧焊打底+填充方式焊接。焊絲采用J50，直徑2.5 mm 和3.2 mm。焊前預熱150～200 ℃，采用火焰加熱方式預熱，預熱時間不少于20 min。

（5）焊后檢驗。焊接完成且24 h 后進行無損檢測，角焊縫進行PT/MT 檢測，對接焊縫進行射線檢測+PT/MT檢測。

5 技術改造效益

該項目于2019 年4 月份完成改造。在2019 年6 月份出現輪盤間隙溫度高的缺陷，出現該缺陷后，現場技術人員可通過調節手動閥來控制溫度（圖8、圖9）。從圖中可以看出，經過調整操作后可將溫度控制在460 ℃以下，解決了改造前透平輪盤超溫后無法在線處理的缺陷。

圖8 調整前輪盤間隙溫度

圖9 調整后輪盤間隙溫度

6 總結

燃氣輪機透平輪盤間隙溫度影響轉子輪盤的壽命，必須將溫度控制在合理范圍內。目前三菱M701F-3 型燃機輪盤冷卻空氣設計使用了節流孔來調整冷卻空氣流量和壓力，無法做到實時調整，影響機組運行的安全性和經濟性。某電廠1#機組經過技術改造，增加了輪盤間隙溫度在線實時調整功能。在溫度過高時開大閥門，增加冷卻空氣流量，降低輪盤間隙溫度。在溫度過低時關小閥門，防止冷卻空氣過量，影響燃機聯合循環效率，將溫度控制在合理范圍之內。