9E燃?xì)廨啓C(jī)先進(jìn)熱通道升級改造及性能分析

任磊

摘要：針對GE公司的PG9171型燃?xì)廨啓C(jī)優(yōu)化改進(jìn)-先進(jìn)熱通道（AGP）優(yōu)化方案進(jìn)行了實(shí)際分析，改造內(nèi)容包括了三級透平動靜葉片及復(fù)環(huán)、壓氣機(jī)內(nèi)缸氣封以及壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉（IGV）開度調(diào)整，并對升級改造后的機(jī)組性能進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明改造后燃機(jī)機(jī)組單循環(huán)及聯(lián)合循環(huán)性能都有所提升，先進(jìn)熱通道升級改造對機(jī)組有效。

Abstract： This paper analyzes the advanced heat channel （AGP） optimization scheme of PG9171 gas turbine of GE company， The transformation includes the three-stage turbine blade and retaining ring， air compressor internal cylinder seal and compressor inlet guide vane （IGV） opening adjustment ， and calculated and analyzed the performance of upgraded units. The calculation results show that the performance of the single-cycle and combined-cycle of Combined Cycle Power Plant （CCPP） after retrofitting has been improved， and the upgrade and reconstruction of the advanced hot-aisle is effective for the unit.

關(guān)鍵詞：先進(jìn)熱通道;升級改造;性能分析;單循環(huán);聯(lián)合循環(huán)

Key words： AGP;upgrade;performance analysis;single cycle;combined cycle

中圖分類號：TK16? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0200-02

0? 引言

南方某燃機(jī)電廠為2*200MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，采用GE公司PG9171型燃機(jī)拖動一臺哈汽生產(chǎn)的60MW汽輪機(jī)布局。在多年的使用中，燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組熱通道部件設(shè)計(jì)壽命逐漸到期，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)濟(jì)性下降，安全風(fēng)險(xiǎn)增加，為保障機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，廠方?jīng)Q定對機(jī)組進(jìn)行熱通道部件進(jìn)行升級替換。

GE公司為9E型燃機(jī)熱通道部分部件，提供了一種新的替代解決方案，即先進(jìn)熱通道（AGP）部件，該新型部件在提升設(shè)備使用壽命、延長檢修間隔，降低機(jī)組熱耗率上，都有顯著效果，所以先進(jìn)熱通道升級是一項(xiàng)投資回報(bào)率較高的技術(shù)優(yōu)化方案。該技術(shù)優(yōu)化方案通過對機(jī)組出力、效率和使用壽命的提升，帶來在重型燃機(jī)發(fā)電內(nèi)行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的的性能增強(qiáng)。先進(jìn)熱通道升級技術(shù)方案能有效提高機(jī)組節(jié)能方面的經(jīng)濟(jì)性，顯著的提升燃?xì)廨啓C(jī)及其熱部件的使用壽命。有助于發(fā)電企業(yè)進(jìn)一步發(fā)掘現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值潛力，節(jié)約發(fā)電成本，持續(xù)提升發(fā)電企業(yè)核心競爭力。

本文將通過理論分析AGP升級改造的必要性與可行性，并通過改造后驗(yàn)收試驗(yàn)確認(rèn)改造效果，對今后同類改造項(xiàng)目有借鑒意義。

1? 先進(jìn)熱通道（AGP）改造方案

AGP的優(yōu)化方案通過對熱通道部件的動、靜葉葉型設(shè)計(jì)優(yōu)化和改進(jìn)密封提高機(jī)組效率，通過部件增強(qiáng)材料屬性和優(yōu)化冷卻風(fēng)布局提高設(shè)備使用壽命，以此來整體提高熱通道的性能。該技術(shù)作為一種新的改進(jìn)技術(shù)，已有不少實(shí)際應(yīng)用的案例。自2014年起，南京汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的9E燃機(jī)機(jī)組，大部分都優(yōu)化配置了AGP先進(jìn)熱通道部件，并取得了較好的受益效果。

此次機(jī)組的改造方案大致為：①以全三維的新型透平三級動靜葉取代原先的二維結(jié)構(gòu)葉片。②透平一級護(hù)環(huán)由附著可磨涂層的Gen3 +新型護(hù)環(huán)取代原先無涂層結(jié)構(gòu)的護(hù)環(huán)。③壓氣機(jī)排氣內(nèi)缸采用刷式密封取代原先的蜂窩式氣封。④將壓氣機(jī)進(jìn)口導(dǎo)葉（IGV）開度調(diào)為86°。

1.1 透平全三維三級動靜葉改造

機(jī)組原葉片僅采用二維設(shè)計(jì)，只是將基準(zhǔn)截面（即XY雙軸）依照最佳沖角進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，再按自由漩渦或其他流型設(shè)計(jì)出其余高度不等的葉片形面，諸多參數(shù)疊加在一起后得出最終的完整動葉。這種設(shè)計(jì)方式，雖然基準(zhǔn)截面在此設(shè)計(jì)方式下流場效果良好，且氣動效率較好。但一旦流場偏離了基準(zhǔn)截面，向兩側(cè)延伸，流場和氣動效果會隨著距離的變化變得越來越差。葉尖和葉根因?yàn)榫嚯x基準(zhǔn)截面最遠(yuǎn)，其影響尤為明顯。葉尖和葉根不同渦流會形成氣流動力阻滯，降低機(jī)組通流情況，造成機(jī)組帶負(fù)荷能力下降。燃?xì)廨啓C(jī)透平的三級動、靜葉，在采用了新的靜葉升級改造技術(shù)后，全部都采用了全三維葉片，這使得葉片三軸向截面均優(yōu)化為最佳的沖角設(shè)計(jì)，并能使之彎扭角度更大，氣動的損失也會更小，通流能力變得更強(qiáng)，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖1。

1.2 透平一級護(hù)環(huán)可磨涂層改造

檢修前的一級護(hù)環(huán)采用普通可磨涂層，而升級改造采用表面附有最新一代的Gen3+型可磨涂層的一級護(hù)環(huán)。最新一代的Gen3+型可磨涂層具有以下特點(diǎn)：

①氧化壽命可達(dá)24×103h（標(biāo)準(zhǔn)工況下），以適應(yīng)高溫燃燒環(huán)境。

②葉冠磨損<15%。

③抗腐能力等級為min1.5，減少工作環(huán)境中氣蝕的影響。

④加厚涂層材料50mil（千分之一寸）。

⑤材料粘接強(qiáng)度更強(qiáng)。

新型可磨涂層護(hù)環(huán)的表面結(jié)構(gòu)采用帶有特殊的紋路的設(shè)計(jì)，其作用在于：①為了減少涂層磨損量，也為降低透平動葉與護(hù)環(huán)二者的接觸，減少對動葉材質(zhì)造成損傷，燃?xì)廨啓C(jī)透平動葉只有凸出的表面花紋與護(hù)環(huán)接觸。②護(hù)環(huán)的表面紋路間隙有粗細(xì)之分，其安裝方向需按設(shè)計(jì)好的方向進(jìn)行。如圖2所示，燃機(jī)透平的動葉將從上至下穿過護(hù)環(huán)，紋路方向自由細(xì)到粗。因?yàn)閯尤~在滑過護(hù)環(huán)的過程中，護(hù)環(huán)間隙產(chǎn)生一定的氣動阻力，所以這種設(shè)計(jì)可有效減少二次流的損失。

1.3 壓氣機(jī)排氣內(nèi)缸刷式氣封改造

新型的刷式氣封應(yīng)用，可有效提高氣封與接觸面結(jié)合的程度，對壓縮空氣的泄漏情況有明顯的降低和優(yōu)化作用，可提高燃?xì)廨啓C(jī)的效率，減少能量損失。

2? 改造前后經(jīng)濟(jì)性分析

為了解改造前后機(jī)組實(shí)際的性能變化情況，在機(jī)組改造前、后分別進(jìn)行了性能試驗(yàn)進(jìn)行對比，并對機(jī)組性能情況進(jìn)行比較分析。在試驗(yàn)計(jì)算過程中，為了避免聯(lián)合循環(huán)中的汽機(jī)和余熱鍋爐性能對機(jī)組計(jì)算性能的影響，在計(jì)算中將整個機(jī)組分為兩個系統(tǒng)考慮：燃?xì)廨啓C(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)1，余熱鍋爐、蒸汽輪機(jī)及汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)為系統(tǒng)2。如圖3，在對聯(lián)合循環(huán)性能進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證時(shí)，維持邊界系統(tǒng)2的熱效率無變化。

3? 驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證先進(jìn)熱通道部件對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的實(shí)際影響，在機(jī)組改造前后分別進(jìn)行了熱力性能試驗(yàn)。燃?xì)廨啓C(jī)試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14100《燃?xì)廨啓C(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)》、GB/T 28686《燃?xì)廨啓C(jī)性能試驗(yàn)》、聯(lián)合循環(huán)試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18929《聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置 驗(yàn)收試驗(yàn)》完成，實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如下：

①燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)經(jīng)濟(jì)性：參數(shù)修正后，先進(jìn)熱通道部件改造前燃?xì)廨啓C(jī)的負(fù)荷為101.96MW，改造后為114.99MW，機(jī)組簡單循環(huán)負(fù)荷提高12.77%;改造前熱耗11796kJ/（kW·h），改造后熱耗11024kJ/（kW·h），熱耗降低約6.54%。②燃-汽機(jī)聯(lián)合循環(huán)經(jīng)濟(jì)性：改造前聯(lián)合循環(huán)總負(fù)荷為163.6MW，改造后為177.06MW，機(jī)組聯(lián)合循環(huán)負(fù)荷提高約8.23%;聯(lián)合循環(huán)改造前熱耗7349kJ/（kW·h），改造后熱耗7151kJ/（kW·h），熱耗降低2.69%。

同時(shí)，由于本次改造對燃?xì)廨啓C(jī)熱部件的優(yōu)化，包括熱部件的冷卻結(jié)構(gòu)和密封方式等都有了一定的提升，所以燃?xì)廨啓C(jī)熱部件的使用壽命預(yù)計(jì)由原來的72000小時(shí)，延長至96000小時(shí)。但實(shí)際的部件的壽命情況，仍將有待于機(jī)組下次檢修時(shí)對熱部件的實(shí)際檢測才能確定。

通過對比性能計(jì)算結(jié)果可以看出，本次改造對燃機(jī)單循環(huán)及聯(lián)合循環(huán)，機(jī)組性能有明顯提升，機(jī)組出力有了明顯提高，而熱耗率下降明顯，因此此次改造有效。但需要考慮到是，該電廠投產(chǎn)運(yùn)行時(shí)間較長，機(jī)組原本熱通道部件老化明顯，而本次試驗(yàn)結(jié)果主要為對比改造前后優(yōu)化情況，所以并未對機(jī)組老化進(jìn)行修正。所以如果有其他投運(yùn)時(shí)間較短的機(jī)組進(jìn)行此項(xiàng)改進(jìn)，可能無法達(dá)到這樣明顯的性能提升。

4? 結(jié)語

通過對先進(jìn)熱通道部件優(yōu)化升級改造項(xiàng)目的分析和性能試驗(yàn)結(jié)果的驗(yàn)證可以看出，先進(jìn)熱通道（AGP）優(yōu)化升級中的護(hù)環(huán)、氣封和新的葉片設(shè)計(jì)理念，其優(yōu)勢性都體現(xiàn)到了機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性能的提升中。驗(yàn)收試驗(yàn)結(jié)果表明，新技術(shù)對于提高燃機(jī)出力、降低能耗，效果顯著，達(dá)到了預(yù)期目的。對于熱通道部件使用壽命的影響，仍需通過長時(shí)間的監(jiān)視和檢修期間的查驗(yàn)來確認(rèn)。本次改造的成功，對今后同類改造項(xiàng)目，對于新建項(xiàng)目的設(shè)備選型，都有一定的借鑒參考意義。

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