M701F3燃气轮机透平轮间温度高技术探析与拓展研究

时间：2024-08-31

王庆韧

(广东惠州天然气发电有限公司，广东惠州 516082)

国家首批打捆招标引进的390 MW级M701F3重型燃气-蒸汽联合循环发电机组运行数年来，发生了不少燃气轮机透平轮间温度(DCT)高事件。广东惠州天然气发电有限公司是第一批投产也是第一批出现该问题的电厂。通过系统化的原因分析、工艺改良，完满地解决了问题，为同类机组同类问题提供了通用处理思路。

1 事件经过

#3燃气轮机机组某日08∶53冷态启动;11∶40负荷达240 MW，投入AGC。23∶50透平 #2级轮间温度平均值达460℃，DCS报警。减负荷至240 MW时#2级轮间温度平均值达431℃，但持续上涨，至00∶44达455℃;再减负荷至200 MW时#2级轮间温度平均值达375℃，01∶36达405℃。特别在某一时间段:负荷下降时温度上升;负荷上升时温度下降;与大多数走势相反。

2 缸外原因排查

在该机组透平#2级轮间温度变化期间，轴系各项振动、轴承温度均无变化，说明转子本体无碍。轴向窜动最大值为 -0.815 mm，在 ±(0.70 ～0.82)mm 合格范围内，且若轴向窜动偏大，则#2～#4轮间温度都将偏大，与事实不符。

燃气轮机转子冷却空气平均温度172℃、#3轮盘平均温度395℃、#4轮盘平均温度368℃，属正常范围。机组降负荷期间燃气轮机转子冷却空气温度、#3轮盘温度、#4轮盘温度也未见异常。说明#3轮盘温度相对值较高，并未对#2级轮盘温度有较大影响。外部密封空气和转子冷却空气系统经仔细排查，确认冷却空气无泄漏、冷却风机无故障等。

检查IGV开度正常;压气机出口压力和温度正常，但效率降低较多，水洗后，启动机组检查，效率明显提高3%以上，但#2DCT依旧偏高。因为在升、降到同样负荷时，压气机出口温度数据一致，所以排除冷却空气有关因素。

温度补偿元件现已固化于控制卡件中，且为两条温度测量回路共用，由于热电偶左右两侧温度走势一致，故排除了热电偶测量装置因素。

节流板破裂有可能部分阻塞流道，则密封空气的压力、流量将不规则地波动，DCT温度曲线将是杂乱的，与实际不符，同时之前机组运行时#2DCT正常，排除节流孔板内径偏小的原因。

3 缸内结构解析与原因预判

图1为#2级透平密封保持环(即气封体)结构图。图1(a)中挡气板间隙A为挡气板与静叶之间间隙，后流侧间隙B为挡气板后流侧与静叶之间间隙。图1(b)是密封保持环结构的具体组成。图1(c)宏观地给出了#2级透平的关键性密封间隙，其中j8、j9为#2级透平(两道)刷子密封与转子的间隙;j10为#2级透平转子与密封保持环的径向间隙(蜂窝气封)。

图1 #2级透平密封保持环结构图

压气机#14级抽气作为冷却及密封空气(压力为P0)穿过静叶环后流入密封保持环，从密封保持环贯穿孔中流出，一部分流向#2级静叶与#1级动叶处刷子密封隔离热气源，而后排入烟道(排气压力为P1);另一部分流向密封保持环蜂窝气封，之后流向#2级静叶与#2级动叶叶根处隔离热气源，而后排入烟道(排气压力为P2)。当密封保持环工作正常时，冷、热气流压力会满足P0＞P1＞P2关系，详见图2。

图2 #2透平内部密封空气压力平衡

分析如下:

抽气阀应未泄漏。若抽气阀泄漏，则降负荷时，排气温度应相应偏低，与事实不符。

静叶内部贯通冷却管应未损伤。若损伤情形为裂纹，则温度越高裂纹越大越明显，泄漏则越多;温度越低泄漏越少。低负荷时轮间温度应相对较低，与实际温度高现象正好相反。若损伤情形为断裂，则同样负荷下其泄漏量相同，升降负荷阶段应有基本相同的现象，与事实相反。

外界密封空气未发现泄漏，因此，在某一负荷下，密封空气入口压力P0不会发生变化。由于P0＞P1＞P2，决定了气流不可能经过刷子密封j8与j9倒流入DCT测点。即使变负荷时，密封空气压力先于流道内排气变化，其压力变化后的值也不会比排气压力小，最多有极少许热空气回流扰动。

因此，只能是冷密封空气在进入DCT测点前已泄漏入排气侧，使进入测点的冷密封空气相对偏少，从而使DCT偏高，并且路径只有两种:一是密封空气经刷子密封j8(需偏大)向上游排气中泄漏，使经j9、DCT测点、j10流道中冷密封空气减少;二是挡气板间隙A和后流侧间隙B偏大，密封空气向上、下游排气中泄漏，在刷子密封间隙j9同时增大的情况下，导致该温度测点处冷却空气量不足。

正常情况下，径向密封间隙j10依靠蜂窝密封，确保转子膨胀时既保证密封又保证不发生碰磨;运行时转子膨胀、间隙减少，若发生轻微碰磨，间隙仍然不会变化较大，发生空气泄漏的概率几乎不存在。j9和j8也是同样情况。即使j10、j9和j8部分或全部偏大，则机组升降负荷全程中，DCT当有程度不同的同趋势变化，仍与事实不符。

因此，综合推断本次透平#2级轮间温度高事件必是综合性或意外因素使然。

4 缸内原因检查确认

4.1 直接原因

实测转子径向密封间隙j10偏小，排除了冷密封空气从该点向热气端泄漏的可能性。

两道刷子密封间隙j9、j8均有偏大现象，密封刷出现偏磨损，密封性能下降，冷密封空气从j8流走偏多，从j9进入测点的冷空气量相对偏少，此为#2DCT高直接原因之一。

挡气板间隙A(上游侧)有偏大现象，主要发生在#13挡气板，正好接近热电偶探头处，导致了温度虚高且一侧热电偶温度比另一侧偏高。此为#2DCT高直接原因之二、之三。

4.2 间接原因

#30挡气板间隙偏大，此处正对应着上次检修中更新的静叶(#31为上次更新的静叶对应位置)，检查发现新旧静叶间明显有高低不平现象，在气流不断冲刷作用下，高频微振动使密封保持环与静叶间发生轻微磨损，后流侧间隙B增大，同时致挡气板间隙A处加剧磨损、间隙增大，加速了密封保持环偏心销(衬套)松脱，是#2DCT高的间接原因之一。

两道密封刷间隙偏大及某些挡气板间隙偏大产生的原因，皆与密封保持环内定位装置有关。该定位装置设有偏心销(衬套)(起定位作用)8个，通过调整偏心销(衬套)来保证密封保持环的位置合适。8个偏心销(衬套)旋转方向各不相同，如图3。调查发现，拆下的偏心销(衬套)有6个是完好的，第7个销轴是自由的，即可以沿销轴纵向自由活动，第8个找不到了。由于间隙偏大的挡气板基本上位于半圆范围内，因此应该是NO.8定位装置发生了有限松脱，但不排除相邻两个偏心销(衬套)均发生了有限脱落。此为#2DCT高的间接原因之二。

图3 密封保持环定位装置分布图

偏心销(衬套)的定位效果不好，会加剧密封保持环椭圆形偏移，进而使两道刷子密封、静叶挡气板的间隙随机变化，没有定常的趋势，导致了透平#2级轮间温度走势的奇特变化及降负荷时的升高现象。

偏心销(衬套)紧固不均衡，工艺上没有力矩要求也不可能有力矩要求。偏心销(衬套)沿其轴向仍有活动空间，与固定矩形条块的螺栓之间形成一定的力矩。运行中在交变应力及气流冲击的往复作用下，渐将偏心销(衬套)松脱，使密封保持环整体发生移位，发生变形。这是本质性原因。

在升负荷阶段，密封保持环受到的力是约束的;在降负荷阶段，另一部分偏心衬套对密封保持环的约束力不够，使密封保持环发生有限的松脱(膨胀/收缩不受足够的控制)，间隙增大，高负荷阶段因惯性表征不明显，低负荷阶段明显，且表征温度高的负荷范围不断扩大，与负荷调整试验现象相符。

降负荷阶段间隙扩大，密封空气向热气侧扩散，导致冷却空气量不足，进而使DCT增高。

4.3 根本原因

空气(烟气)动力场不是绝对均匀的，气流总是不停地冲击挡气板，产生高频微振动，间隙越大，磨损越严重。同时，挡气板承受着高温环境，易产生不同程度的变形。此为#2DCT高的根本原因之一。

应用专用测量工具检查密封保持环的中心与叶环最外表壳面的同心度(预先组合好叶环、静叶与密封持环)，上下偏差1.2 mm(上5.4 mm，下3.0 mm)，左右偏差 0.3 mm，允许值为 1.3/2=0.65 mm。用2 m的内径千分尺检验密封保持环椭圆度，持环内圆偏差最大为 0.3 mm，虽然最大允许值为1.52 mm，但实际上通常要求为0偏差。因此，密封保持环发生了变形，是挡气板与刷子密封间隙发生变化致#2DCT高的根本原因之二。

5 目前焊接工艺及调整修复等改进举措

增加了对挡气板磨损厚度的检查，保证无高低差，变形较一致，匹配性好。对挡气板(薄件)的焊接固定(每块点焊8点)提出了特别要求以防变形，厂家根据电厂的要求与方案，完善了焊接工艺，焊接前后进行挡气板间隙测量，必要时运用专用工具进行整形，方法是下面弹簧侧加顶丝，上下面两侧加夹具施压，以保证间隙均匀且全在0.1 mm以下。

对密封保持环实施了找椭圆度工艺。不仅要满足上下偏差、左右偏差不大于0.13 mm，还要满足通流间隙要求。若不满足则通过偏心销(衬套)调整。增加了螺栓加热环节，针对叶环外部连接螺栓进行加热、紧固，增加了外力对密封保持环的约束力，改善了椭圆度。

偏心销(衬套)的紧固确认应把握力度，同时对调整好的偏心位置进行焊接固定。另外，特别要求提供段焊焊缝长度、宽度、高度标准。

6 确立同类机组同类问题的通用处理思路

根据本次处理经验，总结出同类机组同类问题的通用处理思路，以达到事半功倍的效果。当发现DCT高时，可以采取以下措施:

第一，迅速检查其它运行参数是否仍在正常范围，仔细倾听缸内有无异音，判断机组转子等是否处于相对安全运行范围内。若确认缸内碰磨严重，则迅速揭缸检查、修复;否则，顺次执行以下各步骤。

第二，迅速判断轮间温度提升的速度，若速度升高极快，根本没有维持温度平衡于某一可以接受的范围内的可能，则直接停机检查。

第三，检查缸体外部系统、设备，如是否有空气泄漏、空气管有无堵塞、热电偶是否准确等。若仅是以上外部系统、设备有问题，则处理完毕后，可通过低速、高速盘车初步检查;机组启动升速、点火、试运等手段顺次检查确认。否则，执行以下步骤。

第四，只要能维持轮间温度平衡于某一可以接受的范围内，可通过扩大冷却空气侧节流孔板内径来增加冷却空气量，控制DCT的继续上升，代价是燃气轮机效率受影响(经验估算，若扩孔5 mm满负荷出力下降0.3%，效率下降0.1%;在部分负荷下影响出力较小)，优点是简单易行，快速使机组恢复安全运行。

若不能维持轮间温度平衡，只能通过揭缸、调整间隙来恢复机组功能，优点是从根本上解决问题，保证机组效率，缺点是马上需要耗时耗力耗财。若能与大小修等结合，则优先考虑揭缸、调整;一般情况下，揭缸处理后，DCT不会再有不规则的变化态势，此时，若温度仍有轻微偏高，则可通过加大冷却空气量(将节流孔板扩孔)来辅助校正。

7 面对未来的拓展研究与打算

建议与三菱探讨，检查轴销与偏心销(衬套)的加工尺寸是否满足要求，检查其配合尺寸是否满足标准要求，保证这两个部件的加工尺寸及其配合尺寸。

建议将偏心销(衬套)与叶环表面点焊在一起，最好将偏心销(衬套)与偏心销轴点焊在一起，使销轴在定位后保持不动。偏心销(衬套)定位、固定作业，必须保证紧力搭配均衡。同时，要求进行复查。在未采取焊牢偏心衬套措施之前，紧力因人经验而异，因此，每台机组可能均有同类问题，只是因为可能远离热电偶而未能充分表征出来，应格外注意此类问题。

注意检查挡气板磨损的宽度与厚度，保证其匹配性。静叶更换需注意高度平整。

通过加热螺栓紧固的方式可以缩小密封保持环变形量，但不能彻底消除，今后检修中应更加关注。近期需研究密封保持环改进技术，减少内部泄漏率。远期来看，最根本途径是从材料上着手提高密封保持环的抗变形能力。