M701F-3型燃氣輪機二級輪盤間隙溫度探討

楊添名

北京京豐燃氣發電有限責任公司 北京 100074

引言

某電廠采用天然氣為燃料的410MW級的燃氣-蒸汽聯合循環機組，燃氣輪機采用具有可調入口導葉（IGV）的17級高效軸流壓氣機，透平部分由4級靜葉環和4級反動式葉片組成。該機組2006年投產，至今已平穩運行17年[1]。2021年11月冬季供暖期間，多次出現二級輪盤間隙溫度超溫報警現象，出現異常時，通過調整TCA風機運行方式的方式使問題得到了解決[2]。后續，又通過對TCA-C風機進行變頻改造，使得問題得到徹底解決，輪盤間隙溫度沒有再次出現超溫報警現象，機組運行平穩。

1 設備概述

某電廠采用天然氣為燃料的410MW級的燃氣-蒸汽聯合循環機組，燃機、蒸汽輪機、發電機采用同軸布置，蒸汽輪機布置在燃氣輪機冷端及發電機之間。燃氣輪機選用為三菱M701F-3型。燃氣輪機類型為單軸、重型（工業型），型號M701F-3，額定功率270300kW，額定功率下排氣流量2409.lt/h，排氣溫度587℃ ，排氣壓力3.30kPa。燃氣輪機采用具有可調入口導葉（IGV）的17級高效軸流壓氣機。燃燒室由環繞機軸布置的20個燃燒小室組成，每個小室有9個燃氣噴嘴。在＃8、＃9燃燒室安裝有點火裝置， #18、＃19燃燒室安裝有火焰探測器。燃氣輪機透平部分由4級靜葉環和4級反動式葉片組成。

M701F-3型燃氣輪機冷卻空氣系統包括燃機葉片冷卻空氣、燃機固定導葉冷卻空氣、元器件冷卻空氣等。分別使用壓氣機低壓、中壓、高壓抽氣作為燃機第4級、燃機第3級、燃機第2級葉片和固定導向葉片的冷卻空氣。來自壓氣機出口的抽氣通過透平空氣冷卻器后供應為轉子冷卻空氣。位于燃氣輪機排氣管道內的振動傳感器采用儀用壓縮空氣進行冷卻。

冷卻轉子和透平動葉的空氣來自壓氣機排氣，壓氣機排氣經過TCA并過濾后冷卻轉子。直接冷卻發生在每一級動葉樅樹形根部，這種冷卻方式向暴露在燃氣高溫通道的動葉和透平轉子輪盤間提供熱障。

透平靜葉通過幾種不同的方式進行冷卻。第一級靜葉使用壓氣機排氣從燃機內部進行冷卻。第二級、第三級、第四級靜葉分別使用第14級、第11級、第6級壓氣機抽氣進行冷卻。靜葉還為冷卻空氣提供通到級間氣封腔室的內部通道。冷卻空氣被導入由級間氣封和轉子形成的通道，最后通過相應的氣體流道。該冷卻空氣維持輪盤處于可以接受的環境溫度中。第2、3、4級的輪盤腔室溫度用熱電偶監測，熱電偶插入級間迷宮的空氣通道中，當輪盤溫度超過報警值時，為避免轉子輪盤燒損必須通過降負荷以降低輪盤溫度。

2 M701F-3型燃氣輪機二級輪盤間隙溫度高報警異常概述

2021年11-12月期間，北方冬季供暖期伊始。某電廠機組進入冬季供暖運行模式，機組負荷長期保持在350~380MW之間，一般情況下，在機組在晚峰期間帶380MW負荷，晚峰后負荷降至350MW。在此期間，多次在晚峰后機組降負荷時，出現TCS系統發出“GT No.2 ROW DISC CAVITY TEMP HI”,即“燃機2級輪盤間隙溫度高”報警。

對于輪盤間隙溫度數值，M701F-3型燃氣輪機具體規定如下：

表1 M701F-3型燃氣輪機轉子冷卻空氣溫度及輪盤間隙溫度報警設定參數

M701F-3型燃氣輪機，二級輪盤間隙溫度高的報警值為460℃，有左右兩個測點，兩個測點取平均值，當平均值達到460℃時發報警，當平均值低于455℃時，報警復位。此報警不會觸發燃機保護動作。

為了驗證二級輪盤間隙溫度高報警是否為誤發，我們調取燃氣輪機歷史數據曲線，從歷史數據可以明確，報警發出時，二級輪盤間隙溫度（左）達到了451℃、（右）達到了470℃、平均值達到了461℃，實際溫度確實超過了460℃，達到了報警值。因此可以判定，本機組多次出現的二級輪盤間隙溫度高報警不是誤發，實際確實存在二級輪盤間隙溫度超溫現象。

3 二級輪盤間隙溫度超溫的原因分析及處理措施

3.1 原因分析

根據M701F-3型燃氣輪機二級輪盤間隙溫度測點位置，燃機透平動、靜部分構造，燃機空氣和燃氣系統運行流程，當出現二級輪盤間隙溫度高現象時，主要從以下幾方面考慮。

3.1.1 熱電偶故障。熱電偶故障，體現在數據中即為測點問題，M701F-3型燃氣輪機的輪盤間隙溫度熱電偶從靜葉環導管插入，穿過透平缸、靜葉環、靜葉及氣封體，插入氣封體蜂窩密封底部[3]。檢查熱電偶工作極為煩瑣，難度較高。但我們通過調取歷史數據曲線，發現二級輪盤間隙溫度左右兩個測點溫度，以及計算出的平均值，所有數據都是線性變化，因此，熱電偶問題可以排除。

3.1.2 冷卻空氣系統工作不正常。透平冷卻空氣冷卻器性能惡化；冷卻空氣管線堵塞。如果該因素成立，輪盤間隙溫度及RCA溫度應該全面上升，而不是這種偶發上升，經檢查冷卻空氣系統工作正常，平冷卻空氣冷卻器出口溫度正常，冷卻空氣管線無堵塞，因此該因素可以排除。

3.1.3 密封空氣系統工作不正常。密封環間隙增大。燃氣輪機的密封件磨損, 密封裝置故障。燃氣輪機透平2、3、4級輪盤動、靜部分都設置了密封環，防止高溫煙氣竄入輪盤內部冷卻腔室。當密封環磨損嚴重時，動、靜部分之間的間隙增大，腔室中的冷卻空氣發生泄漏，壓力平衡被破壞，熱煙氣進入密封腔室引起輪盤超溫。

根據過往變化，由于冬季高負荷運行，3臺TCA風機全部運行，因此轉子冷卻空氣（RCA）溫度較低，這有可能會導致密封環間隙增大，這也就間接導致了轉子冷卻空氣會更多地漏入大氣，導致進入輪盤間隙冷卻的空氣流量減少，因此會造成二級輪盤間隙溫度上升。

3.1.4 燃燒系統發生故障。受外界溫度和IGV開度的影響。查詢了發生異常時的溫度變化，發現大氣溫度變化不大，因此可以排除這個原因。眾所周知，隨著機組負荷下降，IGV開度降低，冷卻空氣量減小，2級輪盤間隙溫度上升，反之，2級輪盤間隙溫度下降。

所以我們可以大致推斷出，因為IGV開度快速下降，壓縮空氣量減少，14級抽氣量隨之下降，導致冷卻空氣量下降，2級輪盤間隙溫度上升。但目前IGV自動控制，人為無法干預，且負荷漲落不可避免，因此該原因也可以排除。

3.1.5 外部管道發生泄漏。經對燃機系統全面檢查，并未發現有泄漏現象，因此該原因可以排除。

3.2 處理措施

一般情況下，當出現輪盤間隙溫度高報警時，應立刻降負荷直到報警復位，并確定報警發生原因。檢查輪盤間隙左右溫度熱電偶，判斷熱電偶是否短路、接地或開路，如果溫差大，應檢查并校正[4]。如果確定是熱電偶的問題，更換故障熱電偶。檢查透平冷卻空氣冷卻器出口溫度，如果出口空氣溫度高于正常值，對其進行檢修。檢查冷卻空氣管線是否堵塞，尤其是入口段，如果發生堵塞情況，清理管線。密封環的磨損增大了冷卻空氣的泄漏，可以考慮增大冷卻空氣管線向高溫的輪盤供氣的入口尺寸，增加冷卻空氣流量。檢查IGV工作是否正常，燃燒系統是否正常。當該問題嚴重影響機組運行時，應及時匯報調度，申請停機處理。

通過我們上述問題原因分析，我們可以確定影響該機組輪盤間隙溫度的根本原因是，密封環間隙大，密封不嚴[5]。直接原因應為轉子冷卻空氣溫度在負荷下降時過低，導致密封環間隙增大，這也就間接導致了轉子冷卻空氣會更多地漏入大氣，導致進入輪盤間隙冷卻的空氣流量減少，因此會造成二級輪盤間隙溫度上升。

綜上所述，由于冬季供暖期機組連續運行，無法停機處理，本著保運行的原則，我們通過調整TCA風機運行方式，手動停運TCA-C風機，發現報警發出后，如果停運TCA-C風機，可以導致RCA溫度上升，溫度上升，密封環間隙會減小，冷卻空氣量不會減少，輪盤間隙溫度不會觸發報警，或者報警觸發后，可以快速復位。

由于該機組配置有3臺定頻TCA風機，冬季高負荷情況下，當轉子冷卻空氣溫度達到210℃時，TCA-C風機才會啟動，負荷下降時，當轉子冷卻空氣溫度達到155℃時，TCA-C風機才會停止。基于目前狀況，在后續供暖期結束后，對TCA-C風機進行了技術改造，將此風機改造成變頻風機，設定目標溫度為200℃，這樣就可以保持轉子冷卻空氣溫度穩定，避免由于轉子冷卻空氣溫度低，造成燃氣輪機密封環間隙增大，導致二級輪盤間隙溫度超溫。

4 結束語

對于M701F-3型燃氣輪機，發出輪盤間隙溫度高，報警不帶有保護動作，但必須加強監視。如果長時間在這種情況下運行，會導致密封環、保持環等金屬部件產生組織變化，影響使用壽命，進而會造成燃機機組振動增大，引起機組跳閘。同時，由于輪盤間隙溫度高，造成密封間隙增大，機組熱效率下降，運行經濟性下降，機組負荷受限，也無法參與電網調峰，不利于電網調度。

一些其他電廠的M701F-3型燃氣輪機也曾經出現過輪盤間隙溫度高的異常現象，但大多出現在南方，都是一些不參與供暖的機組。本文所述機組，此前未出現過此問題，且出現問題前夏季運行良好，秋季檢修檢查燃機也并未發現設備老化等問題，機組性能良好。因此，出現此次問題后并未考慮改變燃機結構，通過調整運行方式的方法解決了此次異常，后續又通過對TCA-C風機的變頻改造，徹底解決了冬季轉子冷卻空氣溫度偏低的問題，改造至今未再次出現輪盤間隙溫度超溫現象。