S109FA機組配套汽輪機修后效率降低原因分析

關(guān)瑞中

（福建晉江天然氣發(fā)電有限公司，福建晉江 362251）

0 引言

S109FA單軸燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組由美國GE公司設(shè)計，哈爾濱動力股份有限公司生產(chǎn)。汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)的158型（GE設(shè)計的D10型改進型）蒸汽輪機，分為高中壓缸和低壓缸2部分，高中壓共用1根轉(zhuǎn)子和1個缸體，高壓端與燃氣輪機連接，中壓端與低壓轉(zhuǎn)子連接，低壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機轉(zhuǎn)子連接。

某電廠安裝有4臺（/套）美國GE公司設(shè)計的S109FA單軸燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機組，配套蒸汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產(chǎn)的158型（GE設(shè)計的D10型改進型）：形式為三壓、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、冷凝式汽輪機；級數(shù)為高壓12級、中壓9級、低壓6*2級；高壓缸進汽壓力9.65 MPa、溫度565℃，中壓缸進汽壓力2.18 MPa、溫度565℃，低壓缸進汽壓力0.3 MPa、溫度300℃。

1#機組于2016年6月進行B級檢修工作，主要檢修項目：更換燃氣輪機熱通道部件；汽機高中壓缸及低壓缸揭缸解體大修；高壓過熱器及再熱蒸汽減溫器內(nèi)外套管更換；發(fā)電機轉(zhuǎn)子解體維修等。檢修后機組啟動并網(wǎng)，出現(xiàn)了汽輪機效率下降的現(xiàn)象。經(jīng)過對運行數(shù)據(jù)的分析、現(xiàn)場實地檢查，明確了汽輪機效率下降的原因，并在現(xiàn)場進行了處理，恢復(fù)了機組的正常運行。

1 事件經(jīng)過

機組檢修工作于2016年9月1日結(jié)束，具備整套啟動條件。9月2日，機組啟動并網(wǎng)帶負荷并進入商業(yè)運行。機組運行方式為兩班制運行（每天起停一次），在機組投入商業(yè)運行后發(fā)現(xiàn)高壓主蒸汽（P1）壓力高出修前壓力0.95 MPa（修前壓力9.69 MPa，修后壓力10.64 MPa），而且汽機高中壓缸效率下降了3.54%（修前82.25%；修后78.71%）。為避免機組超壓運行，在負荷350 MW、機側(cè)主蒸汽壓力達10.5 MPa時，將主蒸汽旁路調(diào)節(jié)閥開至7%；機組滿負荷時為避免高旁開啟，手動預(yù)選負荷 347 MW；機組投運 AGC（Automatic Generation Control，自動發(fā)電控制）時將負荷上限下調(diào)為345 MW，機組高負荷運行出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。組修后高壓主蒸汽壓力存在超壓現(xiàn)象，壓力變化趨勢如圖1所示。

針對這一現(xiàn)象，對系統(tǒng)及設(shè)備進行檢查，包括高壓主汽閥濾網(wǎng)及再熱主氣閥1/2濾網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)前有焊渣、金屬切削、焊絲等雜物；孔探檢查汽機高壓缸第七級靜葉片，發(fā)現(xiàn)葉片上有金屬顆粒（圖2）。因此，需要對高中壓缸解體進行徹底檢查和處理。

汽機高中壓缸揭檢查及解體檢查時發(fā)現(xiàn)部分隔板出汽邊變形，根據(jù)變形程度最終決定在現(xiàn)場進行矯正修復(fù)。當年10月修復(fù)工作完畢，機組啟動并帶至基本負荷，主汽壓力恢復(fù)至正常值，機組進入商業(yè)運行階段。

圖1 1#機組修后歷次高壓主蒸汽壓力趨勢

圖2 高壓第7級靜葉上的金屬顆粒

2 原因分析

2.1 機組運行參數(shù)變化情況

汽輪機檢修前效率變化情況：滿負荷工況高壓缸效率約80%、負荷280 MW高壓缸效率約87%，280 MW至滿負荷升負荷過程高壓缸效率基本保持一致。

汽輪機檢修后效率變化情況：滿負荷工況高壓缸效率約78.5%、負荷280 MW高壓缸效率約85%，280 MW至滿負荷升負荷過程高壓缸效率變化約6.5%。

2.2 原因分析

機組在啟動過程中，汽輪機高壓旁路閥先開啟，過熱蒸汽經(jīng)旁路進入凝汽器。待汽輪機具備進汽條件時開啟高壓主汽閥、關(guān)閉高壓旁路閥，此后在開啟高過減溫器減溫水控制閥來控制蒸汽溫度。機組運行期間，汽輪機高壓過熱蒸汽壓力及高中壓缸效率見表1。

表1 1#機組修后高壓蒸汽壓力變化趨勢情況

根據(jù)運行參數(shù)的變化和表1中數(shù)據(jù)的分析，問題出在高中壓蒸汽系統(tǒng)和汽輪機本體，而重點應(yīng)放在本次檢修的設(shè)備上，主要有高中壓缸解體大修、高中壓主汽閥解體大修、高過及再熱減溫器內(nèi)外套筒更換等工作。首先對各汽水系統(tǒng)的檢查，再檢查高中低壓主蒸汽閥及濾網(wǎng)，然后對高過及再熱減溫器檢修檢查；最后對高中壓缸進行檢查，包括孔探檢查和揭缸解體檢查。

對汽水系統(tǒng)的檢查包括凝汽器熱井、凝結(jié)水泵入口濾網(wǎng)、凝結(jié)水除鐵器、鍋爐低壓汽包、中壓汽包、高壓汽包，根據(jù)系統(tǒng)檢查結(jié)果顯示，沒有發(fā)現(xiàn)金屬顆粒的蹤跡，說明在機組啟動階段（汽機未進汽、蒸汽走旁路的情況下），沒有金屬顆粒進入蒸汽管道中。由于本次檢修減溫器內(nèi)外套筒進行了更換、加工時進行了噴砂處理，如果噴砂用鐵砂存留在內(nèi)外套管之間的夾縫內(nèi)，就會隨著汽流進入蒸汽管道中，通過高壓旁路閥進入凝汽器（水系統(tǒng)之中）。這說明減溫器內(nèi)外套管之間的夾縫沒有金屬顆粒存留。

高中低壓主蒸汽閥及濾網(wǎng)的檢查，閥門開度為100%，現(xiàn)場與DCS（Distrbuted Control Systems，分散控制系統(tǒng)）顯示一致，閥門開度正常；檢查時發(fā)現(xiàn)高壓及再熱主汽閥濾網(wǎng)前有焊渣、金屬切削、焊絲等雜物。

對高過及再熱減溫器檢查，包括內(nèi)外套筒夾縫、減溫水噴嘴等部位，通過孔探檢查內(nèi)外套筒之間清潔無異物，表面干凈；拆卸減溫水噴嘴檢查，發(fā)現(xiàn)1個高過減溫器減溫水噴嘴上夾有金屬顆粒（圖 3）。

根據(jù)系統(tǒng)檢查結(jié)果顯示，在高過減溫器減溫水噴嘴上和減溫水環(huán)管中都有發(fā)現(xiàn)金屬顆粒的蹤跡，而投減溫水時汽機高壓旁路閥處于關(guān)閉狀態(tài)，高壓主氣閥處于開啟狀態(tài)，高過減溫器減溫水環(huán)管中存留的金屬顆粒隨減溫水進入主蒸汽管道中，隨汽流進入汽輪機，造成汽機隔板靜葉的變形損壞。

進一步對汽輪機高中壓缸進行孔探檢查，發(fā)現(xiàn)汽機高壓缸第七級靜葉片上有金屬顆粒（圖2）。減溫水噴嘴上的金屬顆粒與汽機剛體內(nèi)的金屬顆粒一致，說明汽機內(nèi)部的金屬顆粒來源于高過減溫器減溫水。

對汽機高中壓缸進行揭缸解體檢查，進一步驗證了上述觀點。高壓隔板第一～第四級靜葉有嚴重被異物打擊變形的情況（圖4），其他級靜葉也有不同程度的損傷，動葉片上也有被異物打擊的痕跡。

綜合以上對系統(tǒng)及汽輪機本體的檢查分析，造成汽機高壓主汽壓力超壓及汽機效率下降的原因如下：

（1）汽輪機高壓第一～第四級隔板靜葉出汽邊變形，導致汽流通流面積減小使汽輪機效率下降。

（2）高壓過熱蒸汽減溫器加工時殘留在減溫水環(huán)管中噴砂用的金屬顆粒，在運行過程中進入汽輪機高壓缸造成高壓第一～第四級隔板靜葉出汽邊變形。

（3）機組在啟動后，汽輪機高壓進汽過程中，需要投入高過減溫器減溫水對高壓蒸汽進行降溫，此時，存留在減溫器減溫水環(huán)管中的金屬顆粒進入高壓主蒸汽管道，隨汽流進入汽輪機。汽機隔板靜葉在金屬顆粒的高速沖擊下變形，導致通流面積減小，出現(xiàn)高壓主汽超壓、汽機效率下降的現(xiàn)象。

圖3 高過減溫器噴嘴

3 汽輪機隔板靜葉變形的現(xiàn)場處理

隔板葉片的處理分為3種：①隔板葉片出汽邊損失較大的高壓第1，2級隔板上半中分面葉片根部及頂部缺肉部位進行補焊處理，焊后打磨并進行著色探傷；②對其他隔板葉片出汽邊損失較小的部位進行校型處理；③對異物打擊較輕的動葉片保持現(xiàn)有狀態(tài)，不進行現(xiàn)場處理。

3.1 現(xiàn)場補焊處理[1]

高壓第一、第二級隔板導葉進出汽邊損傷補焊，補焊工藝如下：

（1）清理。打磨待補焊隔板上半中分面葉根、葉頂缺肉處呈金屬光澤，打磨后按《滲透探傷檢查方法及評定標準（PT）》（Penetrant Testing，PT，滲透檢測又稱滲透探傷）進行著色檢查，如果沒有缺陷，采用酒精或丙酮清理，補焊區(qū)域及周圍20 mm范圍不允許有油污等影響焊接的質(zhì)量污物存在；如果發(fā)現(xiàn)缺陷，打磨去除后重新檢查及清理。

（2）焊接。采用手工鎢極氬弧焊進行補焊，焊前對補焊部位預(yù)熱（50～150）℃，焊絲為 ERNiCr-3，規(guī)格 Φ2 mm，直流正接，電流（90～140）A。導葉出汽邊進行補焊，需在出汽邊待補焊位置下部墊紫銅板，之后采用氬弧焊補出葉片型線，待后續(xù)修磨。

（3）清磨。按設(shè)計要求對焊接處進行打磨清理，與母材圓滑過渡，滿足PT（Penetrant Testing，滲透檢測）探傷要求。

（4）鉗修。鉗工修磨進出汽邊補焊處至與導葉型線相符。

（5）檢查。對補焊處進行PT著色檢查，執(zhí)行相關(guān)標準，要求不得有裂紋、未熔合、氣孔、夾鎢等缺陷存在。如果發(fā)現(xiàn)有超標缺陷，按上述工藝進行返修。

3.2 現(xiàn)場校型處理

對于其他級出汽邊變形較輕的隔板葉片，使用銅錘對葉片進行校型，校正后打磨圓滑過渡并按相關(guān)標準進行著色探傷。

3.3 處理后的效果

（1）整機性能及效率。隔板葉片處理后聯(lián)合循環(huán)效率、壓氣機效率、燃機效率不變，高壓缸效率比檢修后恢復(fù)約1.2%，比檢修前降低約2%。

（2）主蒸汽壓力。處理后高壓主蒸汽壓力較檢修后壓力下降約0.5 MPa，與檢修前同等工況一致。

4 結(jié)論

（1）在機組檢修過程中要嚴把檢修質(zhì)量關(guān)，建立質(zhì)量控制體系和控制流程，保證體系的正常運轉(zhuǎn)。特別是檢修現(xiàn)場管道內(nèi)部和外修加工設(shè)備內(nèi)部清潔度的清理、檢查和驗收工作尤為重要。

（2）準備隔板備件，最終恢復(fù)機組性能。由于第一、第二級隔板葉片損壞較嚴重，矯正變形部分葉片不能全部恢復(fù)機組性能。所以要準備這2級隔板的備件，在條件允許時更換上去，最終恢復(fù)機組性能。

通過以上分析，確認汽輪機效率下降原因，通過現(xiàn)場對隔板葉片的補焊和校形處理，恢復(fù)了機組正常運行。機組投運后，效率雖然未能全部恢復(fù)，但各項技術(shù)指標及運行參數(shù)正常，能夠安全穩(wěn)定運行。機組效率得到全部恢復(fù)，還要進行徹底修復(fù)或更換隔板。