9E燃氣輪機輪間溫度故障分析與處理

戴惠慶，金昊，周仁米

(1.浙江浙能電力工程技術有限公司，浙江 寧波 315208；2.浙江浙能鎮海發電有限公司，浙江 寧波 315208；3.浙江浙能技術研究院有限公司，杭州 310003)

1 機組簡介

某電廠300 MW燃氣-蒸汽聯合循環發電機組是由美國通用電氣公司設計生產的發電機組，它由2臺100 MW燃氣輪機發電機組、2臺余熱鍋爐及1臺100 MW蒸汽輪機發電機組組成，是“2+2+1”多軸布置方式的聯合循環機組，型號為PG9171E。其中，兩臺9E型燃氣輪機是從英國的約翰布朗石油公司成套引進，其軸系主要由壓氣機轉子、透平轉子、發電機轉子組成，共有5個軸承支撐，軸系布置結構如圖1所示。該聯合循環機組自1997年投入商業運行以來，至今已運行了5萬多h。

圖1 9E燃氣輪機軸系布置結構

2 機組冷卻方式及溫度測點布置

燃氣輪機透平部件在運行過程中長期處于高溫環境，為確保設備的安全及使用壽命，對其采取有效的冷卻方式是必要的。整個透平部件的冷卻系統可分成動、靜2條冷卻線路[1-3]。

2.1 透平靜葉的冷卻過程

壓氣機出口處經燃燒室過渡段空腔引來的空氣，其中大部分進入一級靜葉(噴嘴)，并流入一級靜葉內部冷卻流道，冷卻靜葉后從靜葉出氣邊小孔排至主燃氣流中。另一部分經一級復環去冷卻二級靜葉；流入二級靜葉的空氣，一部分冷卻葉片后從出氣邊排至主燃氣流中，另一部分從內環前端的孔流出， 并冷卻一級葉輪出氣側和二級葉輪進氣側。

2.2 透平動葉的冷卻過程

(1)從壓氣機高壓密封處漏出來的一部分空氣冷卻第一級透平葉輪輪盤的前側面和第一級靜葉的后側。

(2)從壓氣機16級經轉子內部流道引來的另一部分空氣，其多數流入一級動葉內部冷卻，然后從葉頂排至主燃氣流中，其余的一部分去冷卻二級動葉；另一部分流至二級葉輪出氣側，對二級葉輪出氣側和三級葉輪進氣側進行冷卻。

2.3 溫度測點布置情況

為了確保燃機透平轉子不受到超溫而造成損壞，燃機透平部分布置了6組12個熱電偶用于監測各輪間的上下溫度，具體測點及熱電偶代碼如圖2所示。

圖2 熱電偶測點及代碼

輪間溫度取自徑向上下對稱位置兩熱電偶測點的平均值。每一級輪間溫度及上下溫差均設有上限值，具體數值要求見表1。

3 溫度故障及歷史處理情況

2012年，機組油改氣完成后運行過程中突然出現透平一級后輪間溫度高故障，并在之后的運行過程中該報警故障一直未解除，具體溫度數據見表2。

從表中可以看出，一級后上側輪間溫度達到630.6 ℃高于報警值510 ℃，并且上下兩點溫差為104.5 ℃也高于報警值83 ℃，透平部件存在超溫損壞風險。

表1 最高透平輪間溫度值和溫差值 ℃

表2 2012年5月19日透平輪間溫度值和溫差值 ℃

為解決上述故障，保障設備安全及機組的穩定運行，2012年5月至2013年10月期間，根據幾個可能造成溫度高故障的影響因素，利用機組調停及檢修機會，進行了相關的試驗及處理。

(1)熱電偶本身存在故障。2012年5月20日，對TT-WS1AO-1單支熱電偶進行更換。

(2)熱電偶位置不對。2012年5月21日，TT-WS1AO-1、TT-WS1AO-2、TT-WS2FO-1、TT-WS2FO-2 4支熱電偶均拔出30 mm。

(3)二級噴嘴(靜葉)冷卻系統中冷卻風量不足。2012年6月29日，TT-WS1AO-1、TT-WS 1AO-2、TT-WS2FO-1、TT-WS2FO-2四支熱電偶全部復位，將一級復環中17個銷子由長銷改為短銷，以增加至二級噴嘴的冷卻空氣。

(4)二級噴嘴冷卻形式改進。2013年10月11日，二級噴嘴由有壓力型改為非壓力型，以獲得更好的冷卻效果，機組燃燒溫度提升至1 124 ℃。

表3 各階段處理后一級后輪間測點溫度值 ℃

從表中可以看出，幾次處理中，將二級噴嘴由有壓力型改為非壓力型后，輪間溫度值上下兩測點下降最多，但溫度及上下溫差值仍然處理報警狀態。

4 進一步分析及處理

經過前幾階段的試驗與處理，可以發現熱電偶本身無故障，改變熱電偶插入二級噴嘴的位置深淺以及通過將一級復環定位銷從長銷改為短銷來增加至二級噴嘴的冷卻空氣等措施未取得明顯效果，而將二級噴嘴由有壓力型改為非壓力型雖效果最明顯，但仍未徹底解決該問題，由此基本排除了熱電偶本身及冷卻系統影響的可能性。

由于冷卻回路中冷卻風量充足且穩定，正常情況下應能取得較好的冷卻效果，因此，懷疑可能有多于正常量的高溫燃氣從葉頂及二級噴嘴密封處泄漏至熱電偶測點附近，導致冷卻不及，發生超溫故障，如圖3所示。而造成這一問題的原因可能為透平轉子上下部分徑向間隙不均勻，上部間隙偏大，密封效果不佳。

圖3 二級噴嘴實物

2017年10月，為徹底解決該溫度偏高問題，利用機組中修機會對缸體進行全面解體，拉鋼絲測量汽缸洼窩，以確定缸體與轉子是否存在較大偏心導致徑向間隙上下不均。

在拉鋼絲測量洼窩過程中，由于鋼絲存在一定的撓度，其撓曲量稱為垂弧。在測量計算時必須考慮其垂弧，如圖4所示，點O是理論狀態下不存在垂弧時鋼絲的中心(即轉子中心)，點O′為考慮垂弧時鋼絲的中心，OO′為垂弧值；a代表左側洼窩值，b代表右側洼窩值，c代表下側洼窩值，上部洼窩值d可由a+b-c得出。

鋼絲垂弧計算公式為

(1)

式中：2L為鋼絲跨距，mm；mp為鋼絲單位重量，1.541 3 g/m；m為懸掛的鋼絲質量，2.5 kg；x為垂弧測點與鋼絲一端的距離，mm。

圖4 考慮垂弧后洼窩圖

結合各位置跨距如圖5所示，由此計算可得，#2軸承、2級復環、3級復環處垂弧分別為0.58 mm， 0.40 mm和0.34 mm。

圖5 軸系跨距

以#1軸承及二級復環處洼窩為基準，測量各位置處洼窩，并進行垂弧修正，見表4。

表4 軸承標高調整前各位置處洼窩數據 mm

從洼窩數據來看，整體上呈現上大下小的狀態，意味著轉子中心相對缸體中心偏下，造成透平段上部葉頂及噴嘴徑向密封處徑向間隙偏大、下部徑向間隙偏小，與預期的結果一致。

根據洼窩數據情況，將#2軸承標高抬高0.55 mm，#3軸承標高抬高0.80 mm，并測量調整后的洼窩數據見表5。

表5 軸承標高調整后各位置處洼窩數據 mm

從表中可以看出，經過調整后各位置上下左右方向洼窩數值基本均勻。

2017年11月20日，機組完成回裝工作并沖轉帶負荷。滿負荷狀態下的透平輪間溫度見表6，溫度差值及軸瓦的振動、溫度見表7。

表6 2017年11月21日滿負荷狀態透平輪間溫度值和溫差值

表7 2017年11月21日滿負荷狀態下各軸承軸振及溫度數據

可以看出，通過此次洼窩調整后，徹底解決了輪間溫度高故障，并且瓦溫及振動等主要運行參數均無異常。

5 總結

在排除熱電偶本身問題及動靜部分冷卻系統問題后，通過對設備解體，測量、分析#1～#3軸承處及透平段復環處洼窩，并通過抬高#2，#3軸承標高，將轉子中心調整至基本與缸體同心狀態，使透平部分周向間隙基本均勻，順利解決了輪間一級后輪間溫度及溫差超標故障。