S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組D10型汽輪機(jī)性能診斷分析

蔡雨，趙麗娟，丁勇能，李蔚

(1.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310027； 2.杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015)

S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組D10型汽輪機(jī)性能診斷分析

蔡雨1，趙麗娟2，丁勇能2，李蔚1

(1.浙江大學(xué) 能源工程學(xué)院，杭州 310027； 2.杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015)

根據(jù)某電廠S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組D10型汽輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)比分析各個(gè)試驗(yàn)期的性能數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該機(jī)組經(jīng)過10多年運(yùn)行性能下降明顯。結(jié)合機(jī)組檢修發(fā)現(xiàn)的問題，診斷D10型汽輪機(jī)熱力性能下降的主要原因是高壓缸動(dòng)、靜葉部分受損和通流部分結(jié)垢導(dǎo)致通流面積減小，提出了相應(yīng)的預(yù)防措施及相關(guān)建議，該性能分析結(jié)果可為國(guó)內(nèi)同類機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行提供參考。

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組；D10型汽輪機(jī)；通流部分結(jié)垢；性能診斷；性能試驗(yàn)

表1 D10型汽輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

0 引言

GE公司S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組作為配套國(guó)家“西氣東輸”的第1批天然氣發(fā)電機(jī)組，運(yùn)行已達(dá)10多年之久，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性明顯下降。D10型汽輪機(jī)作為S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組配套的汽輪機(jī)，其性能好壞直接影響到燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的整體效率。

為保證機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)行熱經(jīng)濟(jì)性診斷具有非常重要的意義[1-2]。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性診斷領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐[2-3]，并取得了豐碩的成果。國(guó)外在汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性能診斷方面，主要采用熱經(jīng)濟(jì)診斷方法對(duì)機(jī)組優(yōu)化運(yùn)行在線管理系統(tǒng)進(jìn)行建模研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和應(yīng)用數(shù)學(xué)的發(fā)展，模糊數(shù)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、小波分析等數(shù)學(xué)方法與熱經(jīng)濟(jì)性分析方法結(jié)合形成了許多新的分析方法，并應(yīng)用到機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)性診斷和優(yōu)化運(yùn)行中[4]。如國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)的“可組態(tài)的汽輪機(jī)組在線熱經(jīng)濟(jì)性分析系統(tǒng)”[5]，華北電力大學(xué)的“機(jī)組經(jīng)濟(jì)性在線監(jiān)測(cè)診斷指導(dǎo)系統(tǒng)”，東南大學(xué)的“全圖形化熱力發(fā)電廠通用計(jì)算軟件”[6]等，已在實(shí)際應(yīng)用中取得一定的成果。目前，常用基于汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率的方法來評(píng)價(jià)通流部分熱經(jīng)濟(jì)性[7]。

本文在分析某電廠S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組D10型汽輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)比分析#2機(jī)組各個(gè)試驗(yàn)期的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，診斷D10型汽輪機(jī)熱力性能下降的原因，提出問題預(yù)防措施及相關(guān)建議。

1 D10型汽輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1D10型汽輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

某電廠S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組由1臺(tái)PG9351型燃?xì)廨啓C(jī)、1臺(tái)D10(D10-9.563/2.146/0.4086/565.5/565.5/295.2)型汽輪機(jī)以及1臺(tái)390H發(fā)電機(jī)組成，單軸布置，以天然氣為燃料，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組額定負(fù)荷388.8 MW，配用杭州鍋爐廠生產(chǎn)的三壓余熱鍋爐。D10型汽輪機(jī)為三壓、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、純凝式機(jī)組，機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

1.2汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

D10型汽輪機(jī)高中壓缸采用合缸結(jié)構(gòu)，通流部分反向布置，高壓缸有12個(gè)壓力級(jí)、中壓缸有9個(gè)壓力級(jí)、低壓缸有2×6個(gè)壓力級(jí)，低壓缸采用雙流程向下排汽結(jié)構(gòu)。兩缸設(shè)計(jì)減少了軸的總長(zhǎng)度，使機(jī)組軸系長(zhǎng)度縮短。

高壓動(dòng)葉設(shè)置分段沖孔圍帶，中、低壓動(dòng)葉為自帶冠動(dòng)葉。高中壓缸是單層缸結(jié)構(gòu)，無回?zé)嵯到y(tǒng)。

表2 #2機(jī)組在不同負(fù)荷下的性能試驗(yàn)結(jié)果

注：修正后總出力、熱耗率不包括老化。

表3 #2機(jī)組各個(gè)試驗(yàn)期Baseload工況下性能數(shù)據(jù)

注：修正后總出力、熱耗率不包括老化。

汽輪機(jī)缸體、軸承箱及護(hù)套采用水平中分面型，以便維護(hù)[8]。汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子采用鍛造，由4個(gè)徑向軸承支撐，徑向軸承為可傾瓦式，可自對(duì)中。汽輪機(jī)采用全周進(jìn)汽，沒有調(diào)節(jié)級(jí)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用電子液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)[8]。本機(jī)配備高壓、中壓和低壓蒸汽旁路。

2 D10型汽輪機(jī)性能診斷

2.1性能試驗(yàn)結(jié)果

參照ASME PTC 6.2—2011[9]《聯(lián)合循環(huán)電站汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)D10型汽輪機(jī)進(jìn)行機(jī)組性能試驗(yàn)，制定詳細(xì)的試驗(yàn)方案。在汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽調(diào)節(jié)閥全開(VWO)狀態(tài)下，#2機(jī)組帶基本負(fù)荷(Baseload)，320 MW，280 MW，250 MW和實(shí)際機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)(320 MW normal)共5種工況進(jìn)行聯(lián)合循環(huán)出力試驗(yàn)，確定聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在規(guī)定運(yùn)行條件下的輸出電功率、熱耗率及高/中壓缸效率，以客觀評(píng)估汽輪機(jī)的運(yùn)行狀況。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

對(duì)#2燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在不同負(fù)荷下的性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著機(jī)組負(fù)荷的下降，機(jī)組熱耗率上升，而高、中壓缸效率隨著負(fù)荷的變化幅度不大。在2016年4的性能試驗(yàn)中，機(jī)組熱耗率和機(jī)組設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖1所示，由圖1可知，各個(gè)負(fù)荷工況下聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱耗率比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)普遍增高。

將本次機(jī)組性能試驗(yàn)結(jié)果與2006年和2011年B修后的性能試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，進(jìn)一步分析D10型汽輪機(jī)投運(yùn)以來各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化情況。#2機(jī)組各試驗(yàn)期Baseload工況下出力、熱耗及缸效試驗(yàn)結(jié)果見表3。根據(jù)S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組在各試驗(yàn)期Baseload工況下性能試驗(yàn)結(jié)果，做出各試驗(yàn)期機(jī)組功率和熱耗率對(duì)比曲線(如圖2所示) 及高、中壓缸效率對(duì)比曲線(如圖3所示)。

圖1 各負(fù)荷工況下機(jī)組熱耗率和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比曲線

圖2 各試驗(yàn)期機(jī)組功率和熱耗率對(duì)比曲線

圖3 各試驗(yàn)期機(jī)組高、中壓缸效率對(duì)比曲線

由表3可知，2016年與2006年、2011數(shù)據(jù)相比，D10型汽輪機(jī)高壓缸的效率由設(shè)計(jì)值83.90%下降到82.43%，再下降到81.19%，共下降2.71百分點(diǎn)；中壓缸的效率由設(shè)計(jì)值90.10%下降到87.20%，再下降到86.65%，共下降3.45百分點(diǎn)；機(jī)組的熱耗率由設(shè)計(jì)值6 264.70 kJ/(kW·h)上升到6 824.92 kJ/(kW·h)，共上升了8.94%；機(jī)組出力由設(shè)計(jì)值389.06 MW降低到364.44 MW，共降低了6.33%。由圖2、圖3可以看出，隨著運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)，機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性能下降速率增大?？梢?，經(jīng)過10多年的運(yùn)行期，機(jī)組經(jīng)濟(jì)性顯著下降，熱耗明顯增加。

表4 D10型汽輪機(jī)通流部分改造方案

2.2原因分析

在10多年的運(yùn)行期內(nèi)，某電廠3臺(tái)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組D10型汽輪機(jī)發(fā)生過諸多問題，雖然經(jīng)過修復(fù)和維修，但明顯影響了汽輪機(jī)的運(yùn)行性能，導(dǎo)致汽輪機(jī)缸效下降、熱耗增加。下面是運(yùn)行中出現(xiàn)的主要問題。

(1)#2機(jī)組高壓缸部分動(dòng)葉、靜葉受損。#2機(jī)組高壓缸部分動(dòng)葉、靜葉由于高壓主汽閥閥座硬質(zhì)密封合金脫落，導(dǎo)致高壓缸部分動(dòng)葉和靜葉受損。高壓第1～4級(jí)動(dòng)葉、靜葉受損情況嚴(yán)重，部分級(jí)數(shù)的葉頂汽封均有明顯損傷，葉片由于受異物撞擊汽邊發(fā)生嚴(yán)重變形(如圖4所示)，致使蒸汽流通截面積變小，蒸汽流通阻力變大[10]，蒸汽的做功能力減小。

圖4 第1級(jí)動(dòng)葉受損

(2)高、中壓缸通流部分結(jié)垢。在對(duì)高、中壓缸揭缸檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，高、中壓缸通流部分結(jié)垢嚴(yán)重(垢樣經(jīng)分析，系致密性氧化鐵垢，如圖5所示)，垢體中含有金屬離子對(duì)葉片產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕[11]，導(dǎo)致葉片葉型損失增大，通流部分流通面積變小，降低蒸汽做功能力。在同樣的負(fù)荷下，由于通流部分結(jié)垢，使得汽輪機(jī)進(jìn)汽量增加，葉片所受的彎曲和離心應(yīng)力隨之增加，降低了機(jī)組安全性[12-14]。

圖5 機(jī)組通流結(jié)垢

2.3問題處理

該電廠在檢修期間對(duì)所出現(xiàn)的問題進(jìn)行了及時(shí)處理。

(1)損壞的1～4級(jí)隔板返廠進(jìn)行焊補(bǔ)、打磨修復(fù)；汽輪機(jī)高中壓轉(zhuǎn)子返廠，更換部分動(dòng)葉，圍帶進(jìn)行機(jī)加工，轉(zhuǎn)子做動(dòng)平衡試驗(yàn)。

(2)對(duì)高中壓缸結(jié)垢部件采用高壓水沖洗、噴砂丸進(jìn)行清洗。

通過上述處理，汽輪機(jī)葉片結(jié)垢層處理良好，機(jī)組恢復(fù)正常運(yùn)行，各參數(shù)都在指標(biāo)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。為防止機(jī)組出現(xiàn)上述問題，需要采取相關(guān)的預(yù)防措施：加強(qiáng)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)蒸汽質(zhì)量的監(jiān)督，確保蒸汽品質(zhì)滿足要求，防止通流部分結(jié)垢。

3 改造方案

某制造廠家針對(duì)D10型汽輪機(jī)通流改造提出初步設(shè)計(jì)方案，具體見表4。

針對(duì)制造廠家提供的通流改造方案，以全軸系改造方案為例，改造后機(jī)組高壓缸效率提升至86.0%～87.0%，比設(shè)計(jì)值83.9%提高了2.1～3.1百分點(diǎn)；中壓缸效率提升至92.0%～93.0%，比設(shè)計(jì)值90.1%提高了1.9～2.9百分點(diǎn)；改造后汽輪機(jī)功率可提高1.3%?？梢?，通過汽輪機(jī)通流部分改造，機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性能可以大幅提高，達(dá)到節(jié)能增效、減排降耗的目的。鑒于D10型汽輪機(jī)的性能下降明顯，通流節(jié)能增效改造勢(shì)在必行。

4 結(jié)論和建議

(1)由歷次試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析可知，S109FA燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱耗率增加了8.94%，機(jī)組出力降低了6.33%，高、中壓缸效率與設(shè)計(jì)值相比分別下降了2.71百分點(diǎn)和3.45百分點(diǎn)，可見，機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)明顯下降。因此，應(yīng)及時(shí)對(duì)運(yùn)行中出現(xiàn)的問題進(jìn)行有針對(duì)性的定期檢查，對(duì)出現(xiàn)的問題及時(shí)處理，確保其安全性。

(2)實(shí)施汽輪機(jī)通流部分改造，是提高D10型汽輪機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的根本解決措施。因此，建議結(jié)合機(jī)組檢修安排，對(duì)其進(jìn)行通流部分改造，從而達(dá)到節(jié)能增效的目的。

[1]溫建國(guó).600 MW汽輪機(jī)性能診斷[D].北京：華北電力大學(xué)，2009.

[2]鄧偉.600 MW超臨界汽輪機(jī)熱力性能診斷及供熱分析[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[3]王攀,王泳濤,王寶玉.基于多因素耦合變工況理論的汽輪機(jī)組節(jié)能診斷技術(shù)的研究及應(yīng)用[J].汽輪機(jī)技術(shù),2015,57(6):461-463.

[4]ORTEGA F,MENENDEZC,ORDIERES J,et al.Analysis of heat transference in the regenerative exchanger of a thermal power plant[J].Neural computing & applications,2000(9):218-226.

[5]范衛(wèi)軍,鄔振耀,忻建華,等.可組態(tài)的汽輪機(jī)組在線熱經(jīng)濟(jì)性分析系統(tǒng)[J].發(fā)電設(shè)備,1999(4):47-50.

[6]張雄,胥建群,周克毅.全圖形化熱力發(fā)電廠熱力系統(tǒng)通用計(jì)算軟件[J].汽輪機(jī)技術(shù),2002,44(5):271-306.

[7]李慧.抽汽式汽輪機(jī)通流部分節(jié)能潛力診斷方法研究[D].吉林:東北電力大學(xué),2010.

[8]孔慶甫.D10汽輪機(jī)的高壓通流受阻運(yùn)行分析[J].浙江電力,2010,29(8):31-52.

[9]閻維平,闞偉民,肖小清. ASME PTC 6.2—2011聯(lián)合循環(huán)電站汽輪機(jī)性能試驗(yàn)規(guī)程[M].北京：中國(guó)電力出版社,2014：3-90.

[10]丁勇能，朱偉雄.9FA燃機(jī)/汽輪機(jī)主蒸汽截止和控制閥故障[J].設(shè)備管理與維修,2010(4):18-19.

[11]汪學(xué)峰.汽輪機(jī)葉片結(jié)垢原因分析及解決措施[J].東方汽輪機(jī),2010(3):55-58.

[12]林慶城.汽輪機(jī)通流部分結(jié)垢原因及防范措施[J].熱力發(fā)電,2005,34(7):27-29.

[13]丁旭春,王毅,殷志龍,等.超臨界630 MW機(jī)組汽輪機(jī)通流結(jié)垢診斷及處理[J].熱力發(fā)電,2013,42(11):138-141.

[14]李勇,徐君詔,黃萍力.凝汽式汽輪機(jī)通流部分結(jié)垢診斷方法研究[J].汽輪機(jī)技術(shù),2008, 50(5):371-373.

(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-01-03；

:2017-05-17

TK 267

：A

：1674-1951(2017)06-0028-04

蔡雨(1991—)，男，安徽宿州人，在讀碩士研究生，從事汽輪機(jī)通流部分性能診斷方面的研究工作(E-mail:676837964@qq.com)。

李蔚(1974—)，女，浙江金華人，副研究員，從事汽輪機(jī)熱力設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)穩(wěn)定性分析方面的研究工作(E-mail:energy@zju.edu.cn)。