9FA燃氣輪機排氣溫度測量元件優(yōu)化

孫 魏， 奚新國， 陰海強， 劉家澍， 曹殿堯

(華能南京燃機電廠, 南京 210034)

1 系統(tǒng)概述

燃氣輪機運行時，大氣中的空氣被吸入壓氣機中壓縮至一定壓力，溫度相應升高，然后被送入燃燒室，與噴入的天然氣在一定的壓力下混合燃燒后產(chǎn)生高溫燃氣，流入燃氣輪機透平中膨脹作功，做功后的尾氣進入余熱鍋爐與蒸汽換熱，最終排入大氣。其中，燃燒后通過透平第一級噴嘴的燃氣溫度稱為燃燒參考溫度，是燃氣輪機燃燒方式切換、燃料/空氣配比控制、防透平超溫控制的重要參數(shù)，也是判斷熱通道部件故障損壞的重要依據(jù)。由于在實際運行中無法對其進行直接監(jiān)測，因此只能通過測量燃機排氣溫度的方法來間接測算[1]。排氣熱電偶是燃氣輪機的重要控制和保護元件，對機組安全穩(wěn)定運行至關重要。燃氣輪機結構及排氣熱電偶安裝位置如圖1所示。

圖1 燃氣輪機結構圖

本廠燃機為GE公司設計的MS9001FA系列PG9351FA重型、單軸燃氣輪機，燃燒參考溫度可達1 327 ℃[2]，在燃機排氣擴壓段圓周上均勻安裝有31個鉻鎳合金(K型)熱電偶，從逆氣流方向看為順時針排列，如圖2所示。熱電偶元件結構及安裝示意圖如圖3所示。

圖2 擴壓段排氣熱電偶分布圖

圖3 排氣熱電偶元件圖

2 存在問題

2.1 元件端部振動磨損現(xiàn)象突出

PG9351FA燃機排氣溫度元件沿排氣擴壓段圓周徑向安裝(如圖1、圖2所示)。燃機運行時，排氣擴壓段的高溫燃氣對溫度元件端部產(chǎn)生垂直沖刷，且原設計的溫度元件防磨套管內(nèi)壁與元件存在一定間隙，高溫氣流的沖擊和燃機本體振動導致元件端部與套管端部內(nèi)壁產(chǎn)生碰磨，造成元件損壞[3]。

2.2 元件補償導線接線柱易斷裂

如圖3所示，熱電偶元件通過接線柱上的并帽螺栓與補償導線連接。為了防止燃機本體振動導致接線松脫，通常在擰緊并帽時留有預緊力，接線柱存在一定冷態(tài)應力，加之9F機組調(diào)峰啟停頻繁，溫度元件安裝位置(機組排氣擴壓段)的金屬溫度在環(huán)境溫度至200 ℃之間頻繁變化，尤其是啟停機階段，溫度升降劇烈，且伴隨擴壓段振動，元件接線柱處的應力積聚，時常造成接線柱斷裂。

2.3 原有穿線管有待改進

由于31支元件沿排氣擴壓段圓周分布，補償導線走線管也沿排氣擴壓段圓周狀安裝，補償導線通過走線管統(tǒng)一接至下方接線端子箱。但原設計走線管采用封閉式鍍鋅管，由于機組運行中此處振動較大，補償導線在彎轉(zhuǎn)處存在碰磨的現(xiàn)象，且更換補償導線較為不便。

2.4 進口元件價格昂貴

原設計溫度元件為進口產(chǎn)品，價格較高，且配套補償導線也是價格不菲。2臺9F機組年均更換元件約12支，每年購買備件成本約為8萬元，較為昂貴。

3 解決思路和對策

3.1 采用一體化設計的國產(chǎn)替代元件

綜上分析，減少機組運行中元件的振動是降低碰磨損壞率的關鍵。經(jīng)過對元件安裝位置和防磨套管的現(xiàn)場測繪，為我廠9F燃機量身定制了一款排氣溫度測量元件。元件型號DHT-01，分度號K，量程0～800 ℃，全程段Ⅰ級精度，響應時間0.5τ(溫度出現(xiàn)階躍變化時，熱電偶輸出變化至相當于階躍變化的50%所需時間)<1.2 s，絕緣強度>1 000 MΩ(500 V)。鎧裝材質(zhì)使用Inconel 600，鎳鉻含量高，在高溫下能夠長時間使用，能更好地保護熱電偶元件，使排氣熱電偶的使用壽命達兩年以上。采用測溫元件與補償導線一體化設計，避免了緊固螺栓對接線柱的應力損傷，也不再須要單獨采購補償導線。元件結構及尺寸參數(shù)如圖4所示。

圖4 國產(chǎn)化溫度元件結構圖

3.2 元件端部加裝抗振耐磨頭

如圖5所示，在元件套管前端，用鉆頭擴孔，將原來用于穿插溫度元件的孔徑擴為Φ10 mm，塞入抗振耐磨頭并在端部焊接固定。耐磨頭結構尺寸如圖6所示，長度16 mm、外徑Φ10 mm的中空圓柱體，空腔為“啞鈴”狀，中間段長度2.5 mm，為箍定溫度元件的部位，元件端部直徑Φ2.5 mm，考慮到元件熱膨脹，將箍定部分的內(nèi)徑設計為Φ4.5 mm，為便于安裝，箍定部分端部設計有45°導角，即C1。耐磨頭實物如圖7所示。

圖5 耐磨頭安裝圖

圖6 耐磨頭結構圖

(a) 側面

3.3 采用開放式電纜橋架

溫度元件補償導線原先敷設在與擴壓段平行的環(huán)狀鍍鋅管內(nèi)，并統(tǒng)一匯至下方的轉(zhuǎn)接端子箱，由于振動的影響，在鍍鋅管的轉(zhuǎn)角或接頭處，存在補償導線磨損現(xiàn)象，且更換補償導線非常不便，故取消封閉走線管，改為鏤空(花籃)橋架,極大方便了補償導線的檢查與更換。

3.4 整治溫度元件安裝處保溫

排氣擴壓段外圍整體由保溫棉和鐵皮包裹， 但溫度元件安裝處的保溫棉為裸露狀態(tài)，尤其是圓周下部的元件處，存在保溫棉松垮、脫落現(xiàn)象，擴壓段熱量外散，元件長期處于高溫下，加速了元件老損。利用停機，檢查填補保溫棉，確保元件安裝處無局部高溫[4]。

4 改造后效果分析

國產(chǎn)化定制一體化溫度元件，自帶補償導線，價格為原先進口件的50%。由于加裝了抗振耐磨頭，平均使用壽命由1年延長至2年，每年節(jié)約成本75%。由于優(yōu)化后耐磨性能的增強，元件故障率由年均7%下降至3%。

5 結論

高溫、振動環(huán)境下的溫度元件由于應力、碰磨，故障率較高，經(jīng)過比對總結，找到經(jīng)常性故障的源頭，從元件選型、設計結構、安裝配件、安裝環(huán)境等方面采取針對性的改進措施，可以大幅降低元件故障率，保障燃氣輪機運行的安全穩(wěn)定，同時降低了維護成本。除了GE公司的同類型機組，西門子、三菱公司的燃氣輪機，其擴壓段周向安裝的溫度元件均直面高溫燃氣沖刷，存在振動大、易磨損的問題，均可以參考本文提出的優(yōu)化方案。