9FA燃機(jī)停機(jī)后缸溫異常分析

潘小豐，楊金星

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015）

9FA燃機(jī)停機(jī)后缸溫異常分析

潘小豐，楊金星

（杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015）

針對(duì)某9FA燃機(jī)停機(jī)后缸溫下降速度異常增大的問題，分析異?，F(xiàn)象并查找原因，通過更換中壓并汽閥成功解決了此重大缺陷，可為類似機(jī)組的缸溫異常分析提供參考。

9FA燃機(jī)；高壓缸；缸溫異常

0 引言

某發(fā)電公司擁有3套STAG 109FA單軸聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，每套機(jī)組由PG9351FA型燃?xì)廨啓C(jī)、D10型三壓再熱系統(tǒng)的雙缸雙流式汽輪機(jī)、390H型氫冷發(fā)電機(jī)和三壓再熱帶冷凝器除氧的自然循環(huán)余熱鍋爐組成。在運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組停機(jī)后高壓缸溫下降速率異常增大，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失，存在極大的安全隱患。經(jīng)過對(duì)系統(tǒng)的仔細(xì)分析后，查明了異常的原因，并且成功解決了此重大缺陷。

1 發(fā)現(xiàn)問題

1.1 發(fā)現(xiàn)缸溫異常

每次開機(jī)時(shí)，運(yùn)行人員都要查看機(jī)組高壓缸上缸缸溫情況（見圖1），根據(jù)機(jī)組缸溫來選擇冷態(tài)、溫態(tài)或者熱態(tài)啟動(dòng)方式，并根據(jù)實(shí)際情況投入溫度匹配。某日，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)2號(hào)機(jī)組高壓缸缸溫不正常偏低。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，熄火后8 h缸溫下降35℃左右，隔天啟動(dòng)時(shí)缸溫下降120～145℃，則機(jī)組隔天啟動(dòng)時(shí)缸溫應(yīng)在400～425℃左右，仍是熱態(tài)啟動(dòng)。而2號(hào)機(jī)組在啟動(dòng)時(shí)，高壓進(jìn)汽缸上壁溫度已下降至338℃，進(jìn)入溫態(tài)啟動(dòng)，有異常。（說明：高壓進(jìn)汽缸上壁溫度低于204℃為冷態(tài)啟動(dòng)；高壓進(jìn)汽缸上壁溫度介于204℃和371℃之間為溫態(tài)啟動(dòng)；高壓進(jìn)汽缸上壁溫度高于371℃為熱態(tài)啟動(dòng)）。

圖1 高、中壓合缸剖面

1.2 深入了解缸溫異常情況

在分析2號(hào)機(jī)組缸溫異常原因之前，先查看缸溫異常的具體情況。首先縱向查看2號(hào)機(jī)缸溫異常情況發(fā)生的時(shí)間段，每個(gè)月隨機(jī)取熄火時(shí)及熄火8 h后缸溫?cái)?shù)據(jù)，得出其平均值（見圖2）。可以看出，2號(hào)機(jī)組缸溫熄火后下降幅度從53.3℃增加到76.2℃，下降速率從6.7℃/h增加到9.5℃/h。說明2號(hào)機(jī)缸溫異常情況長期存在，并且在最近愈發(fā)嚴(yán)重。

同時(shí)把2號(hào)機(jī)缸溫下降情況與1號(hào)、3號(hào)機(jī)作橫向?qū)Ρ?。隨機(jī)采集環(huán)境條件相近的7與8月份的數(shù)據(jù)并得出平均值（見表1），3號(hào)機(jī)組保溫性能最好，8 h缸溫下降35.2℃；1號(hào)機(jī)次之，8 h缸溫下降40.7℃；2號(hào)機(jī)最差，8 h下降76.2℃，下降幅度比1號(hào)、3號(hào)機(jī)缸溫下降的總和還要多，這說明2號(hào)機(jī)缸溫下降過快。

圖2 2號(hào)機(jī)缸溫下降速度

表1 3臺(tái)機(jī)缸溫下降速度對(duì)比

從以上分析，無論是縱向?qū)Ρ冗^去1年2號(hào)機(jī)組缸溫下降的速度變化情況，還是橫向與1號(hào)與3號(hào)機(jī)組對(duì)比，可以確定2號(hào)機(jī)組缸溫下降異常。在日開夜停運(yùn)行方式下，停機(jī)后缸溫下降過快，導(dǎo)致大量熱量損失，已經(jīng)影響了開機(jī)經(jīng)濟(jì)性，并且由于溫度的急劇變化而帶來的應(yīng)力變化已經(jīng)造成了不可估量的安全隱患。

2 原因分析并制定措施

在充分了解2號(hào)機(jī)缸溫異常情況后，對(duì)缸溫異常原因展開分析。一般情況下造成缸溫下降的主要原因有2種：由于保溫措施不當(dāng)或上下缸體結(jié)合面不嚴(yán)密而造成的熱量流失；有冷源漏入到汽輪機(jī)內(nèi)部。

2.1 檢查保溫層及上下缸體結(jié)合面

首先整體查看保溫層有無脫落，破碎，有無裸露的缸體、貓爪。檢查發(fā)現(xiàn)：靠近4號(hào)軸承處下面有保溫層缺失，靠近3號(hào)軸承處部分缸體、貓爪、結(jié)合面有保溫層缺失，同時(shí)2號(hào)機(jī)高、中壓缸保溫層整體看起來比較老舊，一定程度上影響保溫效果。

在汽缸下部貼壁處，由于受到長期的重力作用，導(dǎo)致保溫貼壁處松動(dòng)，存在間隙。冷空氣注入后，保溫效果急劇下降。存在一定可能性，但簡單的外觀檢查無法具體判斷保溫層是否與缸體脫開。

當(dāng)結(jié)合面漏氣，漏出的汽就會(huì)在保溫層上凝結(jié)，保溫層底部就會(huì)有凝結(jié)的水往下滴。如果接合面漏氣大，則會(huì)把保溫層吹出，高、中壓缸所在的空間溫度會(huì)不正常偏高，且伴有汽流聲。就地檢查無發(fā)現(xiàn)異常，排除結(jié)合面泄漏可能。

外觀檢查后，用點(diǎn)溫槍測高壓缸所在空間的溫度，并與1號(hào)、3號(hào)機(jī)對(duì)比。選取4號(hào)軸承外殼金屬溫度、隔音罩頂部框架金屬溫度作為參考點(diǎn)，測得溫度（見表2）?？梢?，2號(hào)機(jī)保溫效果較差，1號(hào)、3號(hào)機(jī)組保溫層保溫效果相對(duì)較好。

表2 3臺(tái)機(jī)保溫層相關(guān)參數(shù)對(duì)比℃

綜上分析，保溫層在一定程度上加快2號(hào)機(jī)缸溫的下降速度，尤其是下缸溫度，造成的結(jié)果往往是上下缸溫差拉大，但這次是上下缸溫同時(shí)快速下降，因此保溫層絕非主因。

2.2 檢查是否有冷源進(jìn)入汽輪機(jī)

連接高、中壓缸的介質(zhì)有輔汽系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)。下面對(duì)這兩種系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)排查。

2.2.1檢查輔汽——軸封系統(tǒng)是否有冷源進(jìn)入

如果軸封系統(tǒng)中軸封瓦不嚴(yán)密，軸封瓦磨損嚴(yán)重或軸封瓦傾斜等故障，軸封汽會(huì)通過軸封瓦進(jìn)入高、中壓合缸（見圖3）。

圖3 輔汽及軸封系統(tǒng)

為了查出輔汽對(duì)2號(hào)機(jī)缸溫的影響，對(duì)比了機(jī)組停機(jī)后投軸封與撤軸封不同狀態(tài)的缸溫下降速度，數(shù)據(jù)采集自問題嚴(yán)重的7、8月，同時(shí)說明撤軸封狀態(tài)下，輔汽有無內(nèi)漏進(jìn)去而降低缸溫，采集輔汽母管壓力、軸封壓力。為了參數(shù)的可靠性，各采集數(shù)據(jù)數(shù)次，對(duì)比機(jī)組6 h后的缸溫（投軸封狀態(tài)下機(jī)組停役時(shí)間短）（見表3）。可以看出，無論軸封投入與否，且軸封撤出時(shí)，軸封壓力為零，輔汽母管壓力為零，說明軸封系統(tǒng)良好，沒有輔汽經(jīng)冷卻蒸汽管路進(jìn)入汽機(jī)；2號(hào)機(jī)組在軸封投入、機(jī)組真空條件下，缸溫下降平均速度為8.9℃/h，而軸封撤出破真空條件下平均下降速度為9.4℃/h，投軸封狀態(tài)下缸溫下降反而比撤軸封時(shí)相對(duì)慢點(diǎn)，但跟1號(hào)、3號(hào)機(jī)組相比，缸溫下降速率異常大。這說明2號(hào)機(jī)組缸溫下降異常，不是輔汽或軸封汽進(jìn)入，造成對(duì)流冷卻，快速降低缸溫。因此，可以排除輔汽進(jìn)入缸體的可能性。

2.2.2 檢查余熱鍋爐系統(tǒng)是否有冷源進(jìn)入

根據(jù)系統(tǒng)，可以得出連接高壓缸的蒸汽管道有高壓主蒸汽管道、高壓缸排氣-再熱冷段（見圖4）。下面將逐一分析各系統(tǒng)的有無異常情況。

表3 機(jī)組停機(jī)后有無軸封缸溫下降對(duì)比

（1）高壓主蒸汽系統(tǒng)。機(jī)組停役后主汽聯(lián)合閥MCSV關(guān)閉，但主汽聯(lián)合閥也存在內(nèi)漏的情況，但是主蒸汽聯(lián)合閥后無壓力表，不能直觀判斷主蒸汽聯(lián)合閥有無內(nèi)漏。為驗(yàn)證缸溫下降是否由主汽聯(lián)合閥內(nèi)漏導(dǎo)致蒸汽進(jìn)入缸體，造成缸溫異常下降，在9月初進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如下：機(jī)組停役后關(guān)閉高過出口閥MOV5010，同時(shí)開啟高旁PCV1001對(duì)其（高過出口閥MOV5010和主汽聯(lián)合閥間的管道）進(jìn)行泄壓，保持凝泵，循泵運(yùn)行，機(jī)組軸封投入未破真空。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，缸溫下降速度為9.2℃/h，未見好轉(zhuǎn)，因此，可以說明MSCV主汽聯(lián)合閥沒有內(nèi)漏，主蒸汽沒有進(jìn)入缸體進(jìn)行對(duì)流換熱，排除該項(xiàng)可能。

圖4 鍋爐蒸汽系統(tǒng)

表4 隔離高壓主蒸汽缸溫下降情況

（2）高壓缸排氣-再熱冷段。理論上，該段管道在機(jī)組停役后無壓。下面選取該段上幾個(gè)典型的壓力測點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行壓力調(diào)查，測點(diǎn)分別為高壓排氣壓力PT6101、再熱器1入口壓力PT5105、再熱蒸汽壓力PT5106。同時(shí)調(diào)查曲線看這幾個(gè)測點(diǎn)壓力跟缸溫的變化關(guān)系得出，該段管道在機(jī)組停機(jī)后起壓，尤其是再熱器1入口壓力PT5105。為驗(yàn)證機(jī)組該段管道正常時(shí)的狀態(tài)，橫向?qū)Ρ攘?號(hào)、3號(hào)機(jī)組停機(jī)后PT5105壓力變化（機(jī)組投軸封、撤軸封分別取5組）（見表5）?？梢钥闯?，正常情況下，1號(hào)、3號(hào)機(jī)組軸封投入抽真空情況下，PT5105為微負(fù)壓-0.02 MPa；軸封撤出破真空情況下為正壓0.02/0.037 MPa。而2號(hào)機(jī)組在軸封撤出情況下壓力達(dá)到0.1 MPa，軸封投入抽真空條件下不是為負(fù)壓，而是達(dá)到0.075 MPa。說明2號(hào)機(jī)該段壓力異常。

表5 各機(jī)組停役后PT5105壓力對(duì)比

為說明PT5105壓力與缸溫下降的關(guān)系，采集了2014年1月到2015年9月初相關(guān)的數(shù)據(jù)80多組，化成散點(diǎn)圖，并自動(dòng)給擬合了線性關(guān)系（見圖5）。從圖中可以看出，再熱器1入口壓力PT5105大小和缸溫下降速度存在一定的關(guān)系，并且PT5105壓力越大，缸溫下降速度越快。

圖5 再熱器1入口壓力與缸溫下降速度散點(diǎn)

至此，可以判斷有冷蒸汽經(jīng)由再熱冷段管道到灌入高壓排氣缸。為了驗(yàn)證冷再管道汽源來自中壓過熱蒸汽，制定了詳細(xì)的方案：機(jī)組停役時(shí)，當(dāng)中壓過熱蒸汽并汽閥PCV5121關(guān)閉后，關(guān)閉其后隔離閥MOV5108，查看再熱器1進(jìn)口壓力PT5105的壓力變化和缸溫的下降速度（見表6）。從表中可以看出，在機(jī)組撤軸封破真空情況下，PT5105壓力由之前的0.095 MPa降到0.038 MPa，缸溫下降速率從9.4℃/h降至4.5℃/h；機(jī)組投軸封抽真空的條件下，PT5105從0.075 MPa降至-0.013，缸溫下降速度也降至5.0℃/h。因此，可以確定，漏入再熱冷段管道的冷蒸汽來自中壓過熱蒸汽，由PCV5121內(nèi)漏導(dǎo)致。

表6 隔離MOV5108后相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比

2.3 處理措施

在2016年4月初2號(hào)機(jī)臨修時(shí)，檢修更換了中壓并汽閥PCV5121，為確定更換效果，在機(jī)組4、5月份重新啟動(dòng)后，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)（見表7）。從表中可以看出，2號(hào)機(jī)PCV5121更換后，缸溫的保溫效果明顯好轉(zhuǎn)，缸溫下降速度大幅縮小，只有3.9℃/h。

表7 更換PCV5121后相關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)比

下面將作一個(gè)對(duì)比，分別是問題未解決、臨措關(guān)閉MOV5108和更換PCV5121，可以清楚看出前后3個(gè)不同狀態(tài)缸溫下降速率的變化（見圖6）。同時(shí)，與1號(hào)、3號(hào)機(jī)作了對(duì)比，可以看出，PCV5121經(jīng)更換后，2號(hào)機(jī)組缸溫下降速度明顯好轉(zhuǎn)，甚至比1號(hào)、3號(hào)機(jī)都要好。至此，2號(hào)機(jī)缸溫異常問題徹底解決。

3 解決缸溫異常帶來的效益

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

由于PCV5121內(nèi)漏，中壓系統(tǒng)蒸汽大量流失，喪失了大量的熱工質(zhì)，增加了開機(jī)的氣耗；同時(shí)，缸溫快速下降后，增加了機(jī)組進(jìn)汽時(shí)缸溫溫度匹配的時(shí)間，同樣增加了氣耗。經(jīng)分析，更換PCV5121后，2號(hào)機(jī)組開機(jī)氣耗比原先降低0.25萬m3天然氣。

圖6 2號(hào)機(jī)不同狀態(tài)下缸溫下降速率折線

停機(jī)后蒸汽進(jìn)入高壓汽機(jī)內(nèi)，一方面引起葉片汽蝕、水蝕等葉片腐蝕問題；另一方面由于停機(jī)后中壓過熱蒸汽溫度不到250℃，與剛停機(jī)時(shí)高、中壓缸缸溫545℃相差巨大，造成汽機(jī)轉(zhuǎn)子極具收縮，葉片、轉(zhuǎn)子、缸體應(yīng)力增大，加快應(yīng)力疲勞，或者造成動(dòng)、靜葉片磨損，減少汽機(jī)使用壽命。

3.2 安全效益

由于中壓過熱蒸汽溫度不到250℃，造成高、中壓汽缸轉(zhuǎn)子、缸體的急劇冷卻整體往3號(hào)軸承收縮。但轉(zhuǎn)子的表面積遠(yuǎn)大于缸體，轉(zhuǎn)子冷卻程度大，造成轉(zhuǎn)子收縮比缸體快，差脹為負(fù)。使動(dòng)、靜葉片間距變小，甚至為零，造成動(dòng)、靜葉片摩擦。高壓缸n級(jí)動(dòng)葉的后面和n+1級(jí)靜葉前面摩擦，中壓缸n級(jí)靜葉后面和n級(jí)動(dòng)葉前面發(fā)生摩擦（主要集中在高、中壓缸前面幾級(jí)動(dòng)、靜葉片）。在機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，造成振動(dòng)大導(dǎo)致跳機(jī)，影響機(jī)組安全運(yùn)行。

當(dāng)冷蒸汽進(jìn)入高壓缸后，汽缸內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子外表面首先冷卻，而汽缸外壁和轉(zhuǎn)子中心孔面冷卻滯后，致使內(nèi)壁和轉(zhuǎn)子表明由于遇冷壓縮產(chǎn)生拉應(yīng)力，而汽缸外壁和轉(zhuǎn)子中心則產(chǎn)生壓應(yīng)力。實(shí)踐證明，汽缸出現(xiàn)裂紋或損傷大多由拉應(yīng)力造成，所以汽缸快速冷卻非常嚴(yán)重。因此，此次解決2號(hào)機(jī)冷蒸汽進(jìn)入，在安全生產(chǎn)上有著重要意義。

4 結(jié)論

通過對(duì)中壓過熱蒸汽并汽閥的更換，成功解決了2號(hào)機(jī)組缸溫下降異常的問題。本次異常的解決，每年將可節(jié)省37.5萬m3天然氣，在燃機(jī)發(fā)電形勢日益嚴(yán)峻的今天，不但能為燃機(jī)運(yùn)行降低運(yùn)營成本，增效創(chuàng)收，擺脫危機(jī)，又能提高能源的綜合利用率，減少溫室氣體二氧化碳的排放，增強(qiáng)了對(duì)環(huán)境的保護(hù)，對(duì)國家能源結(jié)構(gòu)和環(huán)境保護(hù)做出一定的貢獻(xiàn)。

除此之外，通過對(duì)這次異?，F(xiàn)象的原因分析并制定措施解決問題，鍛煉了運(yùn)行人員在生產(chǎn)中解決實(shí)際問題的能力，培養(yǎng)了運(yùn)行人員對(duì)解決問題的興趣，同時(shí)增長了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。并對(duì)汽輪機(jī)缸溫情況、缸溫異?，F(xiàn)象及應(yīng)力、汽蝕等后果有深入的了解，對(duì)今后的安全生產(chǎn)有重要意義。

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2017-09-22

潘小豐（1990），男，助理工程師，從事燃機(jī)運(yùn)行技術(shù)管理工作。

（本文編輯：陸 瑩）

Analysis of Cylinder Temperature Anomalies after Shutdown of 9FA Gas Turbine

PAN Xiaofeng，YANG Jingxing
（Hangzhou Huadian Banshan Power Generation Co.， Ltd.， Hangzhou 310015， China）

Aiming at the increased lowering speed of cylinder temperature of 9FA gas turbine after shutdown,the paper analyzes the abnormity and detects the reasons.The defect is eliminated by replacement of mediumpressure steam converging valve，which can be referenced for temperature abnormity analysis of similar steam turbines.

9FA gas turbine； high pressure cylinder； cylinder temperature abnormity

10.19585/j.zjdl.201711015

1007-1881（2017）11-0083-05

TK477

B