M701F燃氣輪機轉子冷卻系統(tǒng)優(yōu)化改造

袁野，黃發(fā)安

(廣東惠州天然氣發(fā)電有限公司，廣東 惠州 516082)

1 燃氣輪機冷卻系統(tǒng)概況

某電廠采用三菱M701F型燃氣蒸汽聯合循環(huán)機組，滿負荷工作時燃燒初溫達到1 400 ℃，為了保證熱通道部件安全、可靠運行，在燃氣輪機(以下簡稱燃機)燃燒室內的襯套、噴嘴和動葉片中采用冷卻氣體流量通道，控制其金屬溫度。日本三菱公司采取了多種途徑降低熱通道部件與高溫煙氣接觸的機會，降低熱通道金屬溫度，同時還采用先進的冶金鑄造技術提高動、靜葉片的耐高溫性能及強度。燃機冷卻系統(tǒng)主要是給燃機熱通道部件如動/靜葉片、葉片持環(huán)、葉頂葉根、排氣框架等提供冷卻空氣，一方面將熱通道部件與高溫煙氣隔離，另一方面將熱通道部件吸收的熱量帶走，降低部件溫度，因此，燃機冷卻系統(tǒng)可為其安全可靠運行提供最基本、最關鍵的保障。燃機冷卻系統(tǒng)包括壓氣機高、中、低3級抽氣及燃機轉子冷卻空氣，如圖1所示。

圖1 燃機冷卻系統(tǒng)

本文著重介紹燃機轉子冷卻空氣系統(tǒng)。燃機轉子冷卻空氣從壓氣機出口引一路高溫高壓空氣，經透平冷卻空氣(TCA)冷卻器冷卻后，通過特定通道送到燃機轉子內部，對燃機動葉進行冷卻，系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 改造前TCA系統(tǒng)圖

2 存在的問題

該型機組是廣東電網主力調峰機組，為兩班制運行方式，每天都是早啟晚停，這種運行方式對燃機熱通道部件的壽命影響是非常大的，因此，為了保證運行安全，機組每年都要進行檢修，主要檢修工作是對熱通道部件進行修理或更換。在2012年的某次檢修中發(fā)現，透平第一級動葉的冷卻空氣通道被一些鐵銹所堵塞而出現超溫受損的現象，致使透平第一級動葉在運行期內損傷嚴重，有些葉片甚至提前報廢。通過分析認為，來自大氣的灰塵或透平冷卻空氣管道內的鐵銹等堆積物是造成這種現象的主要原因。此次檢修發(fā)現，共有24片葉片損壞嚴重無法再運行，需修復或報廢，葉片損壞情況不容樂觀。該型機組透平第一級動葉共96片，每片價值10多萬元，價格昂貴。如果葉片冷卻通道堵塞問題得不到解決，機組長期運行將會對透平第一級動葉帶來更大的損害，將給電廠造成不可估量的經濟損失，同時也給機組的安全運行留下了巨大的隱患，因此消除這一現象刻不容緩。

3 解決措施

通過對燃機結構特點和機組運行方式的分析比較，最終決定采用以下措施來解決這一問題。

3.1 更換壓氣機入口濾網

冷卻空氣來自壓氣機的抽氣，入口空氣中的污染物也可以進入冷卻空氣通道，如果這些污染物在冷卻空氣通道上積累，熱傳遞就會惡化，溫度就會上升至使其開裂的水平。這種情況在F級先進技術燃機上更加突出，因為其燃燒溫度更高，冷卻通道更加復雜，而煤灰、水泥灰和灰塵更易形成熔渣堵塞冷卻通道。因此采用由F6玻璃纖維材料(俗稱玻纖)制成的高效過濾器(HEPA)，淘汰掉傳統(tǒng)的G4，F5濾棉過濾材料。這種高效過濾器對于0.3 μm以上的微粒去除率達到99.7%。該濾網的特點是空氣可以通過，但細小的微粒卻無法通過，可最大限度地從源頭上防止冷卻通道被阻；同時也保護了壓氣機葉片，提高了壓氣機的安全性和效率，減少了壓氣機的水洗次數。

3.2 對TCA系統(tǒng)進行改造

(1)對TCA進行自動化改造。

(2)對TCA濾網疏水閥進行自動化改造。

(3)對TCA過濾器排氣吹掃裝置進行自動化改造，將TCA過濾器排氣吹掃閥與過濾器吹掃回氣閥由手動閥更換為氣動閥。

(4)在TCA過濾器排放管中串聯安裝Y形過濾器，對管道中的雜質進行更進一步的過濾，保證過濾效果。

改造后的TCA系統(tǒng)如圖3所示，改造后閥門的運行方式如圖4所示。

圖3 改造后TCA系統(tǒng)

圖4 TCA系統(tǒng)啟動時序

聯合循環(huán)機組啟動分為冷態(tài)、溫態(tài)和熱態(tài)，而這個狀態(tài)是以汽輪機的狀態(tài)來定的。當汽輪機處于冷態(tài)或溫態(tài)時燃機可能已經完全冷卻到常溫了，冷空氣已經進入了燃機的各個管道內；機組處于熱態(tài)時不需要進行清吹，避免將壓氣機出口的高溫、高壓空氣排放，可以提高燃機效率。因此，這種閥門運行方式主要是在機組冷態(tài)或溫態(tài)啟動時采用。

(1)機組啟動后TCA濾網清吹閥自動開啟，TCA過濾器吹掃回氣閥自動關閉；當機組負荷至200 MW，也就是機組啟動完成后，TCA濾網清吹閥自動關閉，TCA過濾器吹掃回氣閥自動開啟。

(2)機組啟動后，TCA濾網疏水閥、TCA冷卻器母管出口疏水閥與TCA冷卻器旁路疏水閥開啟，至機組轉子冷卻空氣溫度高于130 ℃后關閉。

3.3 對TCA過濾器進行定期清理

因為機組為兩班制調峰機組，機組停機機會相對較多，對TCA過濾器進行定期清理的工作很容易進行；同時，這一工作也保證了進入冷卻空氣系統(tǒng)空氣的潔凈度。

3.4 優(yōu)化壓氣機的水洗

在未發(fā)生此類現象前，到了一定運行小時數或燃機出力受限制時便對壓氣機進行水洗，但是現在還必須保證水洗完成后機組有啟動計劃，否則如果水洗后機組不運行，積水可能會導致機組內部生銹。

4 結束語

采取以上措施后，在2013年的檢修中，對透平第一級動葉進行了詳細檢查，未再發(fā)生葉片燒毀和斷裂的現象，只有10片葉片需修復處理，說明燃機轉子冷卻空氣運行系統(tǒng)的改造和運行方式的優(yōu)化是成功的。通過這次改造和優(yōu)化提高了機組運行的安全性，同時也為電廠減少了潛在的經濟損失，可為同類型機組的運行提供參考。

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