PG6111FA型燃氣輪機AGP升級改造效果分析

陸子龍， 茆亞平， 吳曉佛， 李 進

(1. 江蘇國信高郵熱電有限責任公司， 江蘇揚州 225600； 2. 通用電氣(中國)有限公司，上海 200000)

某電廠2臺100 MW燃氣輪機熱電聯(lián)產(chǎn)機組配置的PG6111FA型燃氣輪機自機組投運以來，1號機組相繼出現(xiàn)了透平一級葉輪前的輪間溫度超溫、6號燃燒室火焰探測器火焰檢測(簡稱火檢)信號丟失等問題。通過內(nèi)窺鏡檢查發(fā)現(xiàn)，6號燃燒室火焰探測器周邊熱端裂紋較多、透平一級噴嘴裂紋較長等問題。由此判斷，現(xiàn)運行的熱通道部件不能滿足32 000 h的中修檢修間隔時間要求。因此，在機組運行15 771 h后，對其進行先進熱通道(AGP)升級改造，確保機組安全穩(wěn)定運行，并對運行參數(shù)進行優(yōu)化，以提高機組的各項性能。

1 燃氣輪機概況

該PG6111FA型燃氣輪機的主要技術(shù)參數(shù)見表1，對應大氣條件為溫度15 ℃、壓力0.101 61 MPa、相對濕度77%。

表1 PG6111FA型燃氣輪機的主要技術(shù)參數(shù)

2 AGP升級改造

AGP升級改造的主要部件有：過渡段部件，透平一級噴嘴、護環(huán)、動葉，透平二級噴嘴、護環(huán)、動葉，透平三級噴嘴、護環(huán)。

為滿足機組運行安全性要求，對燃料噴嘴、火焰筒冒罩、火焰筒、透平三級動葉進行了更換，新部件與機組原安裝的部件一致。原配置的三級動葉在葉片流型、涂層等方面已達到AGP的要求[1]。

主要改造工作項目如下：

(1) 檢查過渡段部件并將其更換為升級的全新部件。

(2) 檢查熱通道8大部件并將其全部更換為升級的全新部件。

(3) 根據(jù)新部件的安裝技術(shù)要求進行間隙調(diào)整等。

(4) 為滿足新部件的運行要求進行冷卻風量調(diào)整等。

(5) 為滿足新部件的運行要求進行Mark Ⅳe 控制邏輯參數(shù)修改等。

(6) 機組啟動后的調(diào)試工作。

2.1 動葉的升級改造

動葉的升級改造(見圖1)主要集中在涂層材質(zhì)及葉片流型的優(yōu)化等。

圖1 動葉的升級改造圖

在涂層材質(zhì)方面，將一級、二級動葉原鈦合金涂層改為CoCrNiWC涂層，原鈦合金涂層摩擦因數(shù)大、耐高溫磨損性能較差，由圖1可見原一級、二級動葉的表面已出現(xiàn)部分腐蝕及磨損，而新的CoCrNiWC 涂層具有硬度低、耐腐蝕和抗高溫性能好等特點，可以延長動葉的使用壽命。

在葉片流型方面，葉柵內(nèi)邊界層攻角變大，使得氣流經(jīng)過葉柵時的流動損失減小，總壓損減小，從而一定程度上提高了透平效率。一級動葉應用了葉根C型密封，增加了隔板冷卻孔，從而改善了整體冷卻效果；二級動葉應用了葉根C型密封，改進冷卻方式減少蠕變強度并調(diào)整為榫頭連接。

2.2 噴嘴的升級改造

噴嘴的升級改造(見圖2)主要集中在冷卻方式的調(diào)整，升級了涂層材料，改善密封插片的密封性能等。

圖2 噴嘴的升級改造

在冷卻方式方面，增加了一級、二級噴嘴內(nèi)外冷卻孔數(shù)量，并對密封結(jié)構(gòu)進行了升級，提高了冷卻和密封能力，而三級噴嘴主要是增加了套管，通過將套管插入噴嘴增加了冷卻風量，提高了冷卻能力。

在噴嘴涂層材料方面，一級、二級噴嘴涂層材料升級為GTD*262，提高蠕變強度、抗疲勞強度和抗氧化能力，從而延長了噴嘴的使用壽命。由圖2(a)、2(b)可見：一級噴嘴、二級噴嘴表面的涂層出現(xiàn)了嚴重的氧化，現(xiàn)場解體時氧化層已部分脫落。

2.3 護環(huán)的升級改造

護環(huán)的升級改造(見圖3)主要集中在涂層及密封性能的升級。

圖3 護環(huán)的升級改造

轉(zhuǎn)子動葉和機匣定子的間隙是變化的，動葉和護環(huán)之間可能會發(fā)生摩擦，造成動葉葉尖磨損，導致機組性能下降。為此，一級護環(huán)使用了加厚的GE第3代可磨涂層，原平面涂層改為波紋狀可磨涂層，從而增加了一級護環(huán)的可磨層厚度，提高了部件的使用壽命；對二級護環(huán)、三級護環(huán)的密封插片進行升級，采用布條式密封、金屬插片密封代替凹凸齒密封面，并加厚了蜂窩密封，減小間隙，提高了密封性能。

2.4 過渡段部件的升級改造

過渡段部件的升級改造主要集中在外套及內(nèi)、外浮動密封。外套增加了冷卻孔數(shù)量，以增大內(nèi)部熱通道的冷卻風量，同時對內(nèi)、外浮動密封進行了升級，降低了流動壓差，改善過渡段部件的密封性能。

2.5 熱通道間隙調(diào)整

所有熱通道部件都更換為全新的部件，大部分熱通道部件進行了改動，部分通流間隙的標準發(fā)生了變化，現(xiàn)場安裝過程中根據(jù)最新的間隙標準進行了檢查和調(diào)整。主要對一級、二級動葉葉頂與護環(huán)密封間隙進行了調(diào)整。一級動葉葉頂與護環(huán)間隙由8.19～12.07 mm減小至7.19～11.07 mm，二級動葉葉頂與護環(huán)間隙由7.38～9.05 mm減小至6.38～8.05 mm，減少了透平動葉葉頂與護環(huán)間的漏氣量，從而提高了機組的輸出功率和效率。

2.6 冷卻風量調(diào)整

對透平段冷卻風量進行了調(diào)整，壓氣機第9級抽氣管路流量孔板內(nèi)徑由24.5 mm 調(diào)整為24 mm，第13級抽氣管路流量節(jié)流孔板內(nèi)徑由54.5 mm調(diào)整為44.9 mm；拆除了壓氣機排氣缸12點鐘方向的堵頭，從而增加轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部冷卻風量。

3 AGP升級改造后安全性分析

機組經(jīng)過AGP升級改造后，原先存在的6號燃燒室3號/4號火焰探測器火檢信號丟失、透平一級葉輪前輪間溫度超溫和燃氣輪機艙室輕微超溫等缺陷全部消除，極大地提高了機組運行的穩(wěn)定性和安全性。

3.1 火焰探測器火檢信號丟失

該機組共有6個燃燒室，2號、4號燃燒室各裝有1個火焰探測器，6號燃燒室裝有2個火焰探測器，若4個火焰探測器的火檢信號丟失3個，則機組跳機。火焰探測器由一路閉式冷卻水進行冷卻，防止?jié)袷交鹧嫣綔y器超溫導致火檢信號丟失[2]，若火焰探測器內(nèi)部超溫，會導致火檢輸出脈沖信號的波動，從而造成火檢信號丟失。

機組運行9 427 h后，開始出現(xiàn)了6號燃燒室2個火焰探測器的火檢信號丟失現(xiàn)象；雖然采取了增加火焰探測器冷卻水排空口、增加閉式冷卻水管道保溫、增加冷卻水自動排氣閥等措施，但是均未達到預期效果，只能通過火檢信號強制及定期排空氣的手段維持機組運行。

在實施AGP升級改造的過程中，解體時發(fā)現(xiàn)，6號燃燒室火焰探測器套圈涂層出現(xiàn)裂紋(見圖4(a))；2個火焰探測器(FD-6A/6B)外套法蘭有燒蝕痕跡(見圖4(b))；火焰探測器套管與火焰筒噴嘴套圈接觸處有磨損痕跡。將火焰筒更換后，目前6號燃燒室火焰探測器運行情況良好。

圖4 6號燃燒至火焰探測器

3.2 透平一級葉輪前輪間溫度超溫

PG6111FA型燃氣輪機在國內(nèi)外普遍存在透平一級輪盤超溫的現(xiàn)象。一級葉輪前輪間報警溫度為490 ℃，國內(nèi)同類型機組在夏季工況一級葉輪前輪間溫度最大能達到545 ℃。

為此，在機組AGP升級改造中，拆除了壓氣機排氣缸12點鐘方向的堵頭，以增加轉(zhuǎn)子軸內(nèi)部冷卻風量，同時對二級、三級冷卻風量進行了調(diào)整。改造后一級葉輪前輪間溫度超溫的現(xiàn)象得以徹底消除。改造前后的輪間溫度見表2。

表2 改造前后的輪間溫度

由表2可見：改造后相同工況下一級輪盤前、后溫度分別下降了32 K、43 K，二級、三級輪盤后溫度分別下降了44 K、11 K，提高了機組運行的安全性。

3.3 燃氣輪機艙室輕微超溫

針對機組燃氣輪機艙室超溫的問題，通過前期對通風系統(tǒng)中的排氣風扇進行擴容改造，已基本解決該問題；但1號燃氣輪機艙室溫度比3號燃氣輪機艙室仍然高出10 K左右[3]。由此，估計該機組經(jīng)長期運行后，熱通道部件間可能存在燃氣泄漏的情況。在AGP升級改造過程中，對燃燒室進行解體檢查時，發(fā)現(xiàn)火焰筒與火焰探測器間、過渡段密封墊片處存在泄漏。將所有熱通道的密封墊片、密封插片進行了更換，從而徹底消除了燃氣輪機艙室超溫的問題。表3為1號燃氣輪機改造前后及3號燃氣輪機艙室的溫度，其中A側(cè)為從壓氣機端向后看燃氣輪機艙室的左側(cè)，B側(cè)為從壓氣機端向后看燃氣輪機艙室的右側(cè)。

表3 改造前后燃氣輪機艙室的溫度

4 AGP升級改造的經(jīng)濟性分析

4.1 機組性能參數(shù)提高

機組在AGP升級改造后，減小了透平動靜部件之間的間隙，通過熱通道材料更換及燃燒調(diào)整升級提高了燃氣初溫，使1號燃氣輪機的性能指標得以提升。表4為改造前后機組的性能參數(shù)(大氣條件參數(shù)為環(huán)境溫度15 ℃、壓力0.101 61 MPa、相對濕度77%，燃料氣低位熱值為36.812 MJ/m3)。由表4可見：1號燃氣輪機AGP升級改造后，其聯(lián)合循環(huán)機組發(fā)電的燃料氣耗率降低了0.003 3 m3/(kW·h)。按照單臺機組全年發(fā)電量為6.231×108kW·h(單臺機組聯(lián)合循環(huán)平均輸出功率為113.3 MW，運行時間為5 500 h)，平均氣價為2.34元/m3計算，全年可節(jié)省燃料費用481.2萬元。AGP升級改造后燃氣輪機輸出功率增加了4.97%，每年可增加收入約140萬元。

表4 改造前后機組的性能參數(shù)

4.2 檢修間隔時間加長

1號燃氣輪機AGP升級改造費用包含在燃氣輪機長期維護協(xié)議(CSA)費用中，未產(chǎn)生額外的生產(chǎn)成本(每臺燃氣輪機機組AGP升級改造費用為3 200萬元)。

AGP升級改造后，PG6111FA型燃氣輪機燃燒室及透平噴嘴、動葉、護環(huán)等熱通道部件壽命使用壽命從12 000 h延長至16 000 h，即在CSA總費用不變的情況下，一個CSA周期從48 000 h延長至64 000h，確保了設備的安全使用周期。

5 結(jié)語

該PG6111FA型燃氣輪機AGP升級改造后，機組的運行經(jīng)濟性得到了提升，降低了機組運行的生產(chǎn)成本，延長了機組的檢修間隔時間，降低了檢修維護成本。

通過該PG6111FA型燃氣輪機的AGP升級改造，進一步提高了燃氣輪機運行維護水平，為國內(nèi)燃氣輪機，特別是PG6111FA型燃氣輪機的檢修積累了寶貴的經(jīng)驗和技術(shù)數(shù)據(jù)，并提供參考。