提高9FA燃機(jī)壓氣機(jī)可靠運(yùn)行的措施

姜?jiǎng)P超，肖維龍

（張家港華興電力有限公司，江蘇張家港 215627）

張家港華興電力有限公司兩套S109FA－SS燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組分別于2005年6月27日和2006年1月14日投入商業(yè)運(yùn)行。目前，國(guó)家第一批至第三批打捆招標(biāo)引進(jìn)的GE公司生產(chǎn)的9FA燃?xì)廨啓C(jī)，在運(yùn)行中相繼出現(xiàn)了一些較為嚴(yán)重的設(shè)備問題，尤其是最近幾年，部分電廠還發(fā)生了壓氣機(jī)葉片斷裂事故，給電廠的正常生產(chǎn)和社會(huì)用電造成了損失。通過對(duì)GE公司推出的壓氣機(jī)增強(qiáng)型升級(jí)改造的技術(shù)分析及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)介紹，用以提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

1 9FA壓氣機(jī)升級(jí)改造

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)曾經(jīng)發(fā)生過三起壓氣機(jī)葉片斷裂事故，大多是一級(jí)靜葉片（R1）斷裂。造成R1斷裂的原因，主要是設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮到葉片旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的尾跡氣流，在靜葉上產(chǎn)生的振動(dòng)與靜葉的某階自振頻率共振，造成靜葉高頻疲勞斷裂。GE公司于2009年完成了對(duì)9FA＋e／FB＋燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的壓氣機(jī)稱之為增強(qiáng)型壓氣機(jī)，并從2010年4月起在新生產(chǎn)的機(jī)組上試用，積累經(jīng)驗(yàn)后逐步推廣到舊機(jī)組上使用。

1.1 改進(jìn)壓氣機(jī)進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉

沒有改造前，燃機(jī)在啟動(dòng)初期，壓氣機(jī)進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉（以下簡(jiǎn)稱IGV）保持一個(gè)最小角度，一般為28.5°。在壓氣機(jī)加速到運(yùn)行轉(zhuǎn)速之前，IGV作為溫度修正轉(zhuǎn)速的一個(gè)函數(shù)，逐漸打開到最小全速角度，一般為49°，以防止壓氣機(jī)在低速時(shí)失速發(fā)生喘振。機(jī)組并網(wǎng)后，根據(jù)預(yù)定的溫控基準(zhǔn)，保證最優(yōu)的燃燒方式以及提高聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行效率。在機(jī)組處于非基本負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)燃料控制的合理分配主要依賴IGV溫控的狀態(tài)。

1.1.1 優(yōu)化IGV葉型

重新加工后的優(yōu)化IGV葉片如圖1所示，主要是修改了IGV的進(jìn)氣角度。更換了壓氣機(jī)本體、配件、齒條、齒輪等部件，還更換了油動(dòng)機(jī)，并將油缸限位，由原先26°～90°，改為21°～92.5°，提供更大的調(diào)節(jié)空間。

圖1 優(yōu)化后的IGV葉片

1.1.2 升級(jí)壓氣機(jī)軟件包

在機(jī)組啟動(dòng)期間，防止旋轉(zhuǎn)失速方案通過啟動(dòng)過程尤其是機(jī)組過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，控制IGV角度的變化和防喘放氣閥的開關(guān)來預(yù)先阻止失速，從而使機(jī)組遠(yuǎn)離喘振工況。系統(tǒng)通過減小失速時(shí)間及使失速頻率遠(yuǎn)離葉片的共振頻率來降低葉片的應(yīng)力。而在停機(jī)過程中，僅控制IGV的角度即可達(dá)到此目的。

圖2 IGV變化及防喘閥開關(guān)狀況

根據(jù)增強(qiáng)型壓氣機(jī)軟件升級(jí)的要求，相應(yīng)做了以下工作。

1）修改IGV控制邏輯 在啟動(dòng)機(jī)組過程中，當(dāng)修正轉(zhuǎn)速小于76.3%時(shí)，IGV的開度為29°；當(dāng)修正轉(zhuǎn)速在76.3%～81.03%時(shí)，IGV的開度為23°；當(dāng)修正轉(zhuǎn)速大于81.03%時(shí)，IGV的開度逐漸開至49°。在停機(jī)過程中，當(dāng)修正轉(zhuǎn)速大于72%時(shí)，IGV的開度由49°逐漸關(guān)至23°；當(dāng)修正轉(zhuǎn)速在72%～67%時(shí)，IGV的開度為23°；當(dāng)修正轉(zhuǎn)速小于67%時(shí)，IGV的開度逐漸開至29°，并保持到停機(jī)結(jié)束，如圖2所示。

2）防喘閥工作模式 在具備機(jī)組啟動(dòng)條件后，點(diǎn)擊START或FAST LOAD，第9級(jí)、第13級(jí)防喘閥進(jìn)行關(guān)閉測(cè)試，延時(shí)5s。在啟動(dòng)過程中，壓氣機(jī)第13級(jí)防喘閥VA2－3、VA2－4在修正轉(zhuǎn)速為71%～76%時(shí)處于關(guān)閉狀態(tài)。

3）轉(zhuǎn)速修正值 修正轉(zhuǎn)速（TNHCOR）為機(jī)組轉(zhuǎn)速TNH經(jīng)環(huán)境溫度的修正值，當(dāng)環(huán)境溫度等于15℃時(shí)，TNHCOR等于TNH；當(dāng)環(huán)境溫度大于15℃時(shí)，TNHCOR略小于TNH；當(dāng)環(huán)境溫度小于15℃時(shí)，TNHCOR略大于TNH。

1.2 改進(jìn)0級(jí)動(dòng)葉片

重新設(shè)計(jì)壓氣機(jī)0級(jí)動(dòng)葉片（R0）葉型，葉身表面進(jìn)行噴丸硬化處理，進(jìn)氣側(cè)進(jìn)行圓弧過渡處理和激光硬化處理。葉頂進(jìn)行端切，如圖3所示。

圖3 R0頂部進(jìn)行端切處理

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，R0葉片減少了應(yīng)力，提高了抗磨能力，改善了葉頂刮擦容限，還使葉片的固有頻率發(fā)生了變化。同時(shí)，在燕尾葉根處做了圓弧倒角處理，對(duì)葉片做了耐磨涂層處理，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)后的R0葉片

1.3 改進(jìn)壓氣機(jī)

據(jù)GE公司介紹，目前全球正在運(yùn)行的9FA燃?xì)廨啓C(jī)超過130臺(tái)，約有80%的機(jī)組出現(xiàn)壓氣機(jī)第14級(jí)至第16級(jí)靜葉葉臺(tái)（也稱底座）凸起現(xiàn)象，發(fā)生填隙片凸起或丟失的案例也不少。

1）運(yùn)行方式 國(guó)外大多數(shù)機(jī)組為基本負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，少部分機(jī)組為基本負(fù)荷調(diào)峰運(yùn)行。而國(guó)內(nèi)9FA燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，絕大多數(shù)為兩班制調(diào)峰運(yùn)行。

2）運(yùn)行小時(shí)數(shù) 國(guó)外機(jī)組壓氣機(jī)第14級(jí)至第16級(jí)靜葉片晃動(dòng)、葉根槽磨損、葉臺(tái)凸起，大多在運(yùn)行1.6萬h后發(fā)生，而國(guó)內(nèi)9FA機(jī)組出現(xiàn)上述問題的運(yùn)行小時(shí)數(shù)最早為4900h。

3）運(yùn)行情況 壓氣機(jī)第14級(jí)至第16級(jí)靜葉片設(shè)計(jì)存在問題，主要表現(xiàn)為葉片晃動(dòng)、根槽與根部磨損、松動(dòng)、葉臺(tái)凸起，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起葉頂與轉(zhuǎn)子磨擦，甚至造成斷裂，參見圖5。

圖5 葉臺(tái)突起

葉臺(tái)凸起的主要原因是葉根設(shè)計(jì)不合理。由于葉片為倒T型結(jié)構(gòu)，承力的兩個(gè)凸臺(tái)厚度僅為5mm，葉臺(tái)四周與底平面為直角，而氣缸上的葉根槽為弧形，靜葉裝入葉根槽后，葉片與葉片之間及葉片與葉根槽之間的接觸并非“面”接觸，而是“線”接觸。在氣流的不斷沖擊下，葉片與葉片之間的接觸“線”磨損后，使得葉片與葉片之間的間隙變大，葉片的晃動(dòng)量也隨之增大。另外，填隙片失去葉片的夾持力也會(huì)不斷地磨損直至脫落。如果每片葉片磨損0.1mm，將會(huì)導(dǎo)致半個(gè)氣缸中的葉片累計(jì)間隙高達(dá)5mm，加上空氣動(dòng)力把葉片推向一側(cè)，造成葉片晃動(dòng)并發(fā)生異常問題。

圖6 防錯(cuò)安裝槽

鑒于此，GE公司重新設(shè)計(jì)了壓氣機(jī)第14級(jí)、第15級(jí)和第16級(jí)靜葉，加長(zhǎng)葉片底座沿圓周方向的距離，取消了填隙片；葉身表面進(jìn)行噴丸硬化處理，葉根加厚并將底部改成曲面，在葉根的底部增加防錯(cuò)安裝槽，如圖6所示。

圖7 葉根兩側(cè)凸耳加厚

將葉根兩側(cè)凸耳加厚，由原來的5 mm改為12mm，圖7中左邊葉片為優(yōu)化后葉片。

對(duì)葉頂進(jìn)行端切處理。改進(jìn)后的第14級(jí)、第15級(jí)和第16級(jí)靜葉，改善了葉頂刮擦容限，不但提高了葉根兩側(cè)凸耳的抗磨能力，而且減少了葉片的振動(dòng)。

由于增強(qiáng)型第14級(jí)、第15級(jí)和第16級(jí)靜葉在裝配時(shí)軸向間隙裕度較大，使得靜葉在缸槽中的旋轉(zhuǎn)程度，比基本型（非增強(qiáng)型）要稍大一些。經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后，葉片的扭曲會(huì)導(dǎo)致壓氣機(jī)的缸槽壁輕微變形，如圖8所示，壓氣機(jī)缸體也會(huì)有輕微的突起變形。GE公司認(rèn)為，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，缸體輕微突起變形會(huì)停止，不會(huì)發(fā)生靜葉扭曲。

圖8 葉片扭曲變形

2 定期進(jìn)行清洗

壓氣機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后，由于漂浮在空氣中的灰塵粘附在葉片表面導(dǎo)致結(jié)垢等原因，壓氣機(jī)的工作效率會(huì)有一定程度的下降，可以通過對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行定期在線和離線水洗的方法提高壓氣機(jī)的部分效率。

燃?xì)廨啓C(jī)的性能下降，可以通過出力降低、熱耗率上升和燃料消耗量增加來判斷。性能下降是軸流式壓氣機(jī)結(jié)垢的一個(gè)直接結(jié)果。結(jié)垢后的壓氣機(jī)會(huì)降低空氣流量、降低壓氣機(jī)效率和壓氣機(jī)壓比。

1）在線清洗 當(dāng)機(jī)組處在基本負(fù)荷附近運(yùn)行、進(jìn)口導(dǎo)葉打開時(shí)，GE公司建議不要使用清潔劑，采用向壓氣機(jī)里噴水的方式進(jìn)行清洗，優(yōu)點(diǎn)是可以在不停機(jī)的情況下進(jìn)行清洗，缺點(diǎn)是當(dāng)壓氣機(jī)通流部分臟污十分嚴(yán)重時(shí)，清洗效果并不十分明顯，是離線清洗的一種補(bǔ)充。每天清洗時(shí)間為30min，可以對(duì)壓氣機(jī)前幾級(jí)發(fā)生水蝕的可能性降到最低。

2）離線清洗 當(dāng)機(jī)組不帶基本負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，GE公司推薦并鼓勵(lì)采用向壓氣機(jī)里噴射清潔劑的方式進(jìn)行清洗，優(yōu)點(diǎn)是清洗效果好，提高燃?xì)廨啓C(jī)的整體性能比較明顯。

3）注意事項(xiàng) 如果壓氣機(jī)發(fā)生嚴(yán)重結(jié)垢，會(huì)影響機(jī)組的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)性。壓氣機(jī)定期清洗有助于維持其性能，也會(huì)使每次清洗更加有效。一般情況下，壓氣機(jī)運(yùn)行400～600h，安排清洗60～70次；若運(yùn)行時(shí)間超過1000h，考慮到壓氣機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)的性能可能下降，則可以安排清洗130次左右。清洗壓氣機(jī)可以減緩葉片的腐蝕進(jìn)程，對(duì)減少腐蝕產(chǎn)物形成積垢也有促進(jìn)作用，從而延長(zhǎng)葉片壽命。清洗過程中需要監(jiān)督壓氣機(jī)的水質(zhì)情況。例如，在檢測(cè)到電導(dǎo)率合格的同時(shí)，清洗水中無混濁及污垢后，即可停止對(duì)壓氣機(jī)水洗。

軸流式壓氣機(jī)的污垢類型和積垢率取決于其運(yùn)行環(huán)境和現(xiàn)有進(jìn)口過濾器。確定是否要對(duì)壓氣機(jī)清洗有兩種基本方法。

1）肉眼檢查 機(jī)組停運(yùn)后用肉眼檢查壓氣機(jī)進(jìn)口、喇叭口、進(jìn)口導(dǎo)葉和前幾級(jí)葉片。

2）性能監(jiān)視 性能監(jiān)視是提取燃?xì)廨啓C(jī)在穩(wěn)態(tài)基本負(fù)荷下的出力、排氣溫度、進(jìn)口空氣溫度、壓氣機(jī)出口壓力和溫度、燃料消耗率等數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)線數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，用以監(jiān)視燃?xì)廨啓C(jī)性能的變化趨勢(shì)。當(dāng)機(jī)組在暖機(jī)或低于正常運(yùn)行條件時(shí)，仔細(xì)記錄這些數(shù)據(jù)非常重要。

在線清洗和離線清洗壓氣要的用水質(zhì)量規(guī)范參見表1。清洗水溫在66～93℃時(shí)，清洗效果最佳。同時(shí)，定期監(jiān)測(cè)清洗箱內(nèi)的水質(zhì)十分重要，以某一次化驗(yàn)結(jié)果為例，參見表2。

表1 清洗用水的質(zhì)量規(guī)范

表2 水洗箱內(nèi)的水質(zhì)化驗(yàn)結(jié)果

從取樣化驗(yàn)結(jié)果可以看出，壓氣機(jī)清洗水箱水質(zhì)符合GE公司對(duì)清洗水的水質(zhì)要求。

3 優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式

9FA燃機(jī)不適用于頻繁啟停運(yùn)行，由于機(jī)組每啟動(dòng)一次都要經(jīng)歷一次SPPM（次先導(dǎo)預(yù)混）燃燒模式，該燃燒模式會(huì)使火焰溫度場(chǎng)不均勻，容易造成火焰筒和過渡段出現(xiàn)鼓包變形、裂紋、涂層脫落、燒毀等故障。9FA燃機(jī)也不適用于低負(fù)荷運(yùn)行，在預(yù)混燃燒模式（PM）以下運(yùn)行時(shí)氣動(dòng)特性不好，氣流振動(dòng)很大，容易造成壓氣機(jī)第14級(jí)、第15級(jí)、第16級(jí)靜葉晃動(dòng)，葉片底座與氣缸葉根槽磨損，葉片底座凸起，葉頂與轉(zhuǎn)子碰磨，最終導(dǎo)致葉片斷裂。同時(shí)，低負(fù)荷運(yùn)行還會(huì)引起煙氣排放指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。因此，9FA燃機(jī)在運(yùn)行過程中要盡量減少機(jī)組的啟停次數(shù)，盡可能使機(jī)組保持基本負(fù)荷連續(xù)運(yùn)行，用以降低設(shè)備發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語

通過對(duì)9FA燃機(jī)壓氣機(jī)升級(jí)改造，提高了F級(jí)單軸燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的設(shè)備可靠性，保證了機(jī)組的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。壓氣機(jī)水洗不僅可以使壓氣機(jī)運(yùn)行點(diǎn)遠(yuǎn)離喘振邊界，而且還能提高壓氣機(jī)的功率和效率，因此為提升燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行性能，提高壓氣機(jī)的出力，建議定期對(duì)壓氣機(jī)進(jìn)行離線和在線水洗。