9FA燃氣輪機排氣溫度測量元件優化

孫 魏， 奚新國， 陰海強， 劉家澍， 曹殿堯

(華能南京燃機電廠, 南京 210034)

1 系統概述

燃氣輪機運行時，大氣中的空氣被吸入壓氣機中壓縮至一定壓力，溫度相應升高，然后被送入燃燒室，與噴入的天然氣在一定的壓力下混合燃燒后產生高溫燃氣，流入燃氣輪機透平中膨脹作功，做功后的尾氣進入余熱鍋爐與蒸汽換熱，最終排入大氣。其中，燃燒后通過透平第一級噴嘴的燃氣溫度稱為燃燒參考溫度，是燃氣輪機燃燒方式切換、燃料/空氣配比控制、防透平超溫控制的重要參數，也是判斷熱通道部件故障損壞的重要依據。由于在實際運行中無法對其進行直接監測，因此只能通過測量燃機排氣溫度的方法來間接測算[1]。排氣熱電偶是燃氣輪機的重要控制和保護元件，對機組安全穩定運行至關重要。燃氣輪機結構及排氣熱電偶安裝位置如圖1所示。

圖1 燃氣輪機結構圖

本廠燃機為GE公司設計的MS9001FA系列PG9351FA重型、單軸燃氣輪機，燃燒參考溫度可達1 327 ℃[2]，在燃機排氣擴壓段圓周上均勻安裝有31個鉻鎳合金(K型)熱電偶，從逆氣流方向看為順時針排列，如圖2所示。熱電偶元件結構及安裝示意圖如圖3所示。

圖2 擴壓段排氣熱電偶分布圖

圖3 排氣熱電偶元件圖

2 存在問題

2.1 元件端部振動磨損現象突出

PG9351FA燃機排氣溫度元件沿排氣擴壓段圓周徑向安裝(如圖1、圖2所示)。燃機運行時，排氣擴壓段的高溫燃氣對溫度元件端部產生垂直沖刷，且原設計的溫度元件防磨套管內壁與元件存在一定間隙，高溫氣流的沖擊和燃機本體振動導致元件端部與套管端部內壁產生碰磨，造成元件損壞[3]。

2.2 元件補償導線接線柱易斷裂

如圖3所示，熱電偶元件通過接線柱上的并帽螺栓與補償導線連接。為了防止燃機本體振動導致接線松脫，通常在擰緊并帽時留有預緊力，接線柱存在一定冷態應力，加之9F機組調峰啟停頻繁，溫度元件安裝位置(機組排氣擴壓段)的金屬溫度在環境溫度至200 ℃之間頻繁變化，尤其是啟停機階段，溫度升降劇烈，且伴隨擴壓段振動，元件接線柱處的應力積聚，時常造成接線柱斷裂。

2.3 原有穿線管有待改進

由于31支元件沿排氣擴壓段圓周分布，補償導線走線管也沿排氣擴壓段圓周狀安裝，補償導線通過走線管統一接至下方接線端子箱。但原設計走線管采用封閉式鍍鋅管，由于機組運行中此處振動較大，補償導線在彎轉處存在碰磨的現象，且更換補償導線較為不便。

2.4 進口元件價格昂貴

原設計溫度元件為進口產品，價格較高，且配套補償導線也是價格不菲。2臺9F機組年均更換元件約12支，每年購買備件成本約為8萬元，較為昂貴。

3 解決思路和對策

3.1 采用一體化設計的國產替代元件

綜上分析，減少機組運行中元件的振動是降低碰磨損壞率的關鍵。經過對元件安裝位置和防磨套管的現場測繪，為我廠9F燃機量身定制了一款排氣溫度測量元件。元件型號DHT-01，分度號K，量程0～800 ℃，全程段Ⅰ級精度，響應時間0.5τ(溫度出現階躍變化時，熱電偶輸出變化至相當于階躍變化的50%所需時間)<1.2 s，絕緣強度>1 000 MΩ(500 V)。鎧裝材質使用Inconel 600，鎳鉻含量高，在高溫下能夠長時間使用，能更好地保護熱電偶元件，使排氣熱電偶的使用壽命達兩年以上。采用測溫元件與補償導線一體化設計，避免了緊固螺栓對接線柱的應力損傷，也不再須要單獨采購補償導線。元件結構及尺寸參數如圖4所示。

圖4 國產化溫度元件結構圖

3.2 元件端部加裝抗振耐磨頭

如圖5所示，在元件套管前端，用鉆頭擴孔，將原來用于穿插溫度元件的孔徑擴為Φ10 mm，塞入抗振耐磨頭并在端部焊接固定。耐磨頭結構尺寸如圖6所示，長度16 mm、外徑Φ10 mm的中空圓柱體，空腔為“啞鈴”狀，中間段長度2.5 mm，為箍定溫度元件的部位，元件端部直徑Φ2.5 mm，考慮到元件熱膨脹，將箍定部分的內徑設計為Φ4.5 mm，為便于安裝，箍定部分端部設計有45°導角，即C1。耐磨頭實物如圖7所示。

圖5 耐磨頭安裝圖

圖6 耐磨頭結構圖

(a) 側面

3.3 采用開放式電纜橋架

溫度元件補償導線原先敷設在與擴壓段平行的環狀鍍鋅管內，并統一匯至下方的轉接端子箱，由于振動的影響，在鍍鋅管的轉角或接頭處，存在補償導線磨損現象，且更換補償導線非常不便，故取消封閉走線管，改為鏤空(花籃)橋架,極大方便了補償導線的檢查與更換。

3.4 整治溫度元件安裝處保溫

排氣擴壓段外圍整體由保溫棉和鐵皮包裹， 但溫度元件安裝處的保溫棉為裸露狀態，尤其是圓周下部的元件處，存在保溫棉松垮、脫落現象，擴壓段熱量外散，元件長期處于高溫下，加速了元件老損。利用停機，檢查填補保溫棉，確保元件安裝處無局部高溫[4]。

4 改造后效果分析

國產化定制一體化溫度元件，自帶補償導線，價格為原先進口件的50%。由于加裝了抗振耐磨頭，平均使用壽命由1年延長至2年，每年節約成本75%。由于優化后耐磨性能的增強，元件故障率由年均7%下降至3%。

5 結論

高溫、振動環境下的溫度元件由于應力、碰磨，故障率較高，經過比對總結，找到經常性故障的源頭，從元件選型、設計結構、安裝配件、安裝環境等方面采取針對性的改進措施，可以大幅降低元件故障率，保障燃氣輪機運行的安全穩定，同時降低了維護成本。除了GE公司的同類型機組，西門子、三菱公司的燃氣輪機，其擴壓段周向安裝的溫度元件均直面高溫燃氣沖刷，存在振動大、易磨損的問題，均可以參考本文提出的優化方案。