燃?xì)廨啓C(jī)透平蜂窩氣封磨損的原因及預(yù)防

劉建生

(大唐國(guó)際紹興江濱熱電有限責(zé)任公司， 浙江紹興 312366)

燃?xì)廨啓C(jī)透平蜂窩氣封磨損的原因及預(yù)防

劉建生

(大唐國(guó)際紹興江濱熱電有限責(zé)任公司， 浙江紹興 312366)

為了避免燃?xì)廨啓C(jī)透平氣封磨損引起的通流部分間隙增大所造成不可恢復(fù)的熱效率損失，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)工況和啟動(dòng)工況進(jìn)行了研究，確認(rèn)氣封磨損主要原因是燃?xì)廨啓C(jī)啟動(dòng)中動(dòng)靜部分的膨脹不協(xié)調(diào)；提出了避免和減少透平氣封磨損的措施，對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電企業(yè)的設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)管理具有借鑒意義。

燃?xì)廨啓C(jī)； 透平； 蜂窩氣封； 磨損； 預(yù)防措施

燃?xì)廨啓C(jī)(簡(jiǎn)稱燃機(jī))發(fā)電設(shè)備憑借其經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)電力發(fā)展的重要方向之一。近年來，我國(guó)燃機(jī)的裝機(jī)容量得到了迅速發(fā)展，9E型、9F型等大容量重型燃機(jī)成為當(dāng)前的主流機(jī)型。隨著燃機(jī)投運(yùn)數(shù)量的增多，運(yùn)行中易發(fā)生的問題已逐漸為發(fā)電企業(yè)所熟悉。和汽輪機(jī)一樣，燃機(jī)作為高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，機(jī)組動(dòng)靜摩擦、軸系振動(dòng)是機(jī)組運(yùn)行中的重點(diǎn)檢查對(duì)象。

動(dòng)靜摩擦是轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備部件最易發(fā)生的機(jī)械故障，如果燃機(jī)在運(yùn)行中出現(xiàn)這種故障，必然會(huì)損傷設(shè)備，使設(shè)備失效或降低運(yùn)行效率；同時(shí)也會(huì)造成機(jī)組振動(dòng)增加，乃至跳機(jī)和設(shè)備損壞事故[1]。筆者以一起某天然氣發(fā)電公司燃機(jī)透平氣封磨損為例，研究分析了透平氣封磨損的原因，提出了相應(yīng)的防范措施。

1 燃機(jī)透平氣封磨損

浙江某天然氣發(fā)電公司2臺(tái)燃機(jī)為M701F型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，順利通過了168 h試運(yùn)行。在停運(yùn)后燃機(jī)處于低速盤車狀態(tài)，第6天對(duì)燃機(jī)排氣道檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部存在明顯的異常響聲。為此，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)錄制的音頻文件及對(duì)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，初步判斷該異音可能源于燃機(jī)轉(zhuǎn)子與蜂窩氣封的碰摩；同時(shí)對(duì)燃機(jī)透平進(jìn)行了窺鏡檢查，發(fā)現(xiàn)第3級(jí)持環(huán)蜂窩氣封存在磨損現(xiàn)象，個(gè)別六角體已經(jīng)出現(xiàn)變形和破損(見圖1)，初步確定燃機(jī)透平第3、第4級(jí)靜葉蜂窩氣封與轉(zhuǎn)子動(dòng)葉在低速盤車期間存在碰摩。

為查清燃機(jī)內(nèi)部異音的真正來源，消除設(shè)備隱患，決定對(duì)燃機(jī)透平缸揭缸檢查。檢查范圍主要包括四級(jí)透平的轉(zhuǎn)子和持環(huán)的氣封的M、J、H

部分(見圖2)。

圖1 透平第3級(jí)分割環(huán)蜂窩氣封存在碰摩

圖2 燃機(jī)檢查范圍示意圖

通過揭缸檢查，可以初步判斷燃機(jī)內(nèi)部通流部分在低速盤車期間存在一定程度的動(dòng)靜碰摩現(xiàn)象。透平第1、2級(jí)蜂窩氣封有輕微磨損，葉頂氣封變形量不大。第3、4級(jí)動(dòng)葉頂部蜂窩氣封磨損較為嚴(yán)重，端面可見軸向、徑向均存在較大的缺損，經(jīng)測(cè)量磨損最大部分達(dá)2 mm左右。

透平第3級(jí)上、下半氣封體蜂動(dòng)葉頂部窩氣封徑向有0.5～2.0 mm磨損，順氣流方向看左側(cè)比右側(cè)嚴(yán)重，底部輕微磨損，蜂窩氣封體端面已存在明顯缺損(見圖3)。

圖3 透平第3級(jí)持環(huán)蜂窩氣封磨損

透平第4級(jí)上、下半氣封體動(dòng)葉頂部蜂窩氣封徑向有0.5～2.0 mm磨損，軸向有1.5 mm磨損，順氣流方向看左側(cè)比右側(cè)嚴(yán)重，底部磨損較輕微，蜂窩氣封體端面已存在明顯缺損(見圖4)。

圖4 透平第4級(jí)持環(huán)蜂窩氣封磨損

2 蜂窩氣封磨損原因分析

燃機(jī)蜂窩氣封是當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的氣封形式，有較好的節(jié)能效果。蜂窩氣封一般采用鐵素體材料，質(zhì)地偏軟，耐磨性較差。燃機(jī)透平持環(huán)蜂窩氣封磨損主要是機(jī)組啟動(dòng)和運(yùn)行中動(dòng)靜部分碰摩引起的。

由于燃機(jī)透平對(duì)整機(jī)的效率性能影響較大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)盡可能將軸封、葉頂間隙控制在較小的范圍內(nèi)。機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)，透平缸受熱相對(duì)于轉(zhuǎn)子較慢，導(dǎo)致在啟動(dòng)過程中動(dòng)葉頂部間隙會(huì)逐漸變小，但隨著燃機(jī)負(fù)荷的增加，透平缸體溫度升高，動(dòng)葉頂部間隙將逐漸變大，氣封間隙值、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷變化見圖5。

圖5 燃機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)透平間隙的變化

燃機(jī)機(jī)組的啟動(dòng)模式對(duì)透平氣封間隙有較大的影響。機(jī)組在熱態(tài)或急熱態(tài)啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)升速率和升負(fù)荷率要遠(yuǎn)高于冷態(tài)啟動(dòng)，透平轉(zhuǎn)子的受熱速度快于氣缸，導(dǎo)致機(jī)組在啟動(dòng)后頂部間隙進(jìn)一步變小，并會(huì)達(dá)到間隙值的臨界點(diǎn)，將明顯小于冷態(tài)啟動(dòng)時(shí)的間隙值。

為了保證燃機(jī)運(yùn)行效率，燃機(jī)透平設(shè)計(jì)工況一般以溫態(tài)模式作為選擇點(diǎn)。處于溫態(tài)模式下的燃機(jī)透平動(dòng)靜部分均會(huì)有一定程度的膨脹，動(dòng)靜間隙會(huì)變小，在這種情況下，冷態(tài)啟動(dòng)一般不會(huì)發(fā)生動(dòng)靜碰摩，但對(duì)于燃機(jī)熱態(tài)或急熱態(tài)啟動(dòng)，燃機(jī)轉(zhuǎn)子溫度相對(duì)較高，膨脹較大，發(fā)生動(dòng)靜碰摩的概率大大增加，其冷態(tài)、溫態(tài)、熱態(tài)透平動(dòng)靜部分間隙對(duì)比見圖6。

圖6 燃機(jī)不同啟動(dòng)模式下的透平間隙變化

3 防范措施

燃機(jī)透平是天然氣聯(lián)合循環(huán)的最重要組成部分，承擔(dān)著天然氣燃燒產(chǎn)生的熱能向機(jī)械能轉(zhuǎn)換的任務(wù)，燃機(jī)蜂窩氣封磨損必然會(huì)增大通流部分間隙，降低機(jī)組運(yùn)行效率，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失。如果持環(huán)蜂窩氣封磨損，修復(fù)難度較大，并會(huì)產(chǎn)生較大的檢修費(fèi)用。因此必須在運(yùn)行中采取以下防范措施：

(1) 透平缸體和轉(zhuǎn)子膨脹不協(xié)調(diào)引起的軸系振動(dòng)是產(chǎn)生燃機(jī)動(dòng)靜部分碰摩的主要原因之一[2]，如果在運(yùn)行中燃機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)突增，不采取降負(fù)荷或停機(jī)等措施，就會(huì)造成蜂窩氣封磨損，因此必須加強(qiáng)對(duì)燃機(jī)軸系振動(dòng)的管理。

(2) 在燃機(jī)停機(jī)后按規(guī)程要求及時(shí)投入殼體冷卻空氣，防止燃機(jī)缸體產(chǎn)生貓背變形，影響持環(huán)和轉(zhuǎn)子間動(dòng)靜部分的間隙，造成透平持環(huán)蜂窩氣封在機(jī)組盤車或運(yùn)行中的碰擦磨損。

(3) 在燃機(jī)安裝中應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣封間隙進(jìn)行調(diào)整，間隙過小會(huì)造成運(yùn)行中碰摩的可能性加大，過大則會(huì)影響機(jī)組運(yùn)行效率。

(4) 按運(yùn)行規(guī)程要求控制燃機(jī)的升速率和負(fù)荷變化率，防止燃機(jī)啟動(dòng)和運(yùn)行過程中氣缸和轉(zhuǎn)子部件受熱膨脹不均，從而產(chǎn)生熱變形，引起機(jī)組動(dòng)靜部分碰摩。

(5) 對(duì)燃機(jī)壓氣機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，避免發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速或喘振引起的較大振動(dòng)，因壓氣機(jī)旋轉(zhuǎn)失速引起的振動(dòng)一般較大，在對(duì)壓氣機(jī)葉片和持環(huán)產(chǎn)生磨損的同時(shí)，也會(huì)對(duì)燃機(jī)透平動(dòng)靜間隙產(chǎn)生較大的影響。

4 結(jié)語

對(duì)于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組而言，燃機(jī)是重要的組成部分，合理的透平氣封間隙是保證燃機(jī)效率和安全運(yùn)行的必備條件。燃?xì)鈾C(jī)組一般用于調(diào)峰發(fā)電，機(jī)組頻繁啟停造成機(jī)組動(dòng)靜部分所處的工況復(fù)雜，機(jī)組膨脹不協(xié)調(diào)引起的軸系振動(dòng)頻繁發(fā)生，透平氣封極易發(fā)生磨損，導(dǎo)致透平通流間隙變大，機(jī)組效率下降。筆者以某燃?xì)怆姀S為例，對(duì)燃機(jī)透平蜂窩氣封磨損情況進(jìn)行了闡述和分析，提出了防止和減小氣封磨損的措施，對(duì)燃機(jī)電廠設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)具有一定的借鑒意義。

[1] 關(guān)瑞中, 劉惠明. PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)功率下降原因分析及處理[J]. 發(fā)電設(shè)備, 2013, 27(4): 270-273.

[2] 陸頌元. 大型機(jī)組動(dòng)靜碰磨的振動(dòng)特征及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理方法[J]. 中國(guó)電力, 2003, 36(1): 6-11.

Causes and Prevention of Gas Turbine Honeycomb Seal Wear

Liu Jiansheng

(Datang International Shaoxing Jiangbin Thermal Power Generation Co., Ltd.,Shaoxing 312366, Zhejiang Province, China)

To reduce the unrecoverable thermal efficiency loss of gas turbines caused by the gap enlargement in flow passage due to seal wear, a study was made to the design and start-up conditions of the gas turbine, after which the seal wear was found to be caused by unmatched expansion between the stator and rotor parts. Corresponding countermeasures were proposed to reduce the seal wear, which may serve as a reference for operation, maintenance and management of gas turbine power generation equipment.

gas turbine; turbine; honeycomb seal; wear; preventive measures

2016-04-05；

2016-05-19

劉建生(1976—)，男，高級(jí)工程師，主要從事燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的設(shè)備管理工作。

E-mail: tianfangluntan@126.com

TK474.73

A

1671-086X(2017)01-0058-03