M701F 燃?xì)廨啓C(jī)透平轉(zhuǎn)子輪盤間隙溫度優(yōu)化方案

后小軍，馮冠軍，陳曉輝

（深圳能源集團(tuán)股份有限公司東部電廠，廣東深圳 518120）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)作為一種重要的動(dòng)力設(shè)備，提高燃機(jī)進(jìn)氣溫度對(duì)于提升燃?xì)獾墓β屎托视兄浅Ｖ匾默F(xiàn)實(shí)意義。但是提高燃機(jī)進(jìn)氣溫度往往受到透平材料耐熱性的限制，因此必須采取有效的冷卻技術(shù)，降低燃?xì)廨啓C(jī)透平溫度。F 級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)透平初溫已接近1400 ℃，因此對(duì)透平設(shè)備的冷卻顯得尤為重要。

1 燃機(jī)透平輪盤冷卻原理介紹及分析

三菱M701F3 型機(jī)組設(shè)置了三級(jí)抽氣來冷卻透平輪盤，分別從壓氣機(jī)6 級(jí)、11 級(jí)、14 級(jí)抽氣，按照壓力及溫度匹配原則，分別冷卻透平4 級(jí)、3 級(jí)、2 級(jí)透平輪盤（圖1）。壓氣機(jī)及透平每一級(jí)葉片的壓力與大氣溫度有密切關(guān)系，由于大氣溫度是變化的，深圳冬季和夏季最大溫差達(dá)30 ℃，因此對(duì)燃機(jī)壓氣機(jī)和透平壓力也隨著大氣溫度而變化。

圖1 燃機(jī)透平靜葉冷卻空氣流程

以高壓抽氣為例，壓氣機(jī)14 級(jí)高壓抽氣經(jīng)過一個(gè)節(jié)流孔，該抽氣節(jié)流孔的設(shè)計(jì)直徑是118 mm，節(jié)流孔的大小影響進(jìn)入透平輪盤冷卻空氣的壓力及流量。冷卻空氣經(jīng)過節(jié)流孔節(jié)流后，先從透平二級(jí)靜葉頂部進(jìn)入，再從根部流出后冷卻透平靜葉。從透平靜葉流出的冷卻空氣進(jìn)入靜葉保持環(huán)，然后冷卻空氣進(jìn)入透平一級(jí)和二級(jí)輪盤腔室，該腔室內(nèi)充滿了冷卻空氣，該冷卻空氣最后通過透平動(dòng)靜葉之間的間隙流入熱通道與主流道氣體，起到密封輪盤腔室的作用，防止主流道高溫氣體進(jìn)入輪盤腔室（圖2）。

圖2 透平二級(jí)輪盤冷卻空氣流程

2 燃機(jī)透平輪盤間隙溫度異常現(xiàn)象

透平輪盤間隙溫度隨著燃機(jī)負(fù)荷及大氣溫度變化而變化，目前三菱M701F-3 燃機(jī)輪盤間隙溫度報(bào)警邏輯設(shè)置如下：

（1）2 級(jí)輪盤間隙溫度平均值＞460 ℃，報(bào)警發(fā)出。

（2）3 級(jí)輪盤間隙溫度平均值＞460 ℃，報(bào)警發(fā)出。

（3）4 級(jí)輪盤間隙溫度平均值＞460 ℃，報(bào)警發(fā)出。

（4）4 級(jí)輪盤間隙下游側(cè)溫度＞410 ℃，報(bào)警發(fā)出。

根據(jù)機(jī)組日常運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，三菱M701F-3 型燃機(jī)在每個(gè)C修周期內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)一到兩次二級(jí)輪盤間隙溫度高的現(xiàn)象，輪盤間隙溫度超過460 ℃，TCS 系統(tǒng)頻繁報(bào)警。透平輪盤間隙溫度過高，對(duì)燃機(jī)轉(zhuǎn)子基體損傷加大，因此需要盡快處理。

3 原因分析

壓氣機(jī)及透平每一級(jí)葉片的壓力與大氣溫度有密切關(guān)系，由于大氣溫度是變化的，因此對(duì)燃機(jī)壓氣機(jī)和透平壓力也隨著大氣溫度而變化。在大氣溫度較低時(shí)，透平高溫氣流通過側(cè)和冷卻空氣側(cè)的壓差會(huì)變小，壓氣機(jī)抽氣空氣壓力與透平葉片空氣之間的壓差會(huì)變小，導(dǎo)致壓力逆轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致熱氣流逆流，從而使#2DCT 出現(xiàn)溫度高的問題。三菱廠家提供的曲線如圖3 所示。

圖3 不同大氣溫度下壓氣機(jī)和透平壓力曲線

4 解決方案

4.1 節(jié)流孔擴(kuò)孔解決方案

一般解決燃機(jī)2 號(hào)輪盤間隙溫度高的辦法就是將高壓抽氣的節(jié)流孔擴(kuò)孔，以增加進(jìn)入透平冷卻空氣的壓力，保證冷卻空氣壓力高于透平熱通道氣流壓力，防止出現(xiàn)壓力逆轉(zhuǎn)導(dǎo)致的熱氣流泄漏進(jìn)入輪盤腔室（圖4）。三菱廠家目前的節(jié)流孔設(shè)計(jì)值是118 mm，每次擴(kuò)孔2 mm 到8 mm 就可以解決問題。但是該方法有兩個(gè)缺陷：①比較消耗時(shí)間，對(duì)節(jié)流孔擴(kuò)孔整個(gè)流程走下來需要2 d 時(shí)間；②燃機(jī)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)溫度過高或者過低時(shí)無法及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，在停機(jī)后才可以調(diào)整。因此無法及時(shí)消除缺陷，對(duì)機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成影響。

圖4 節(jié)流孔擴(kuò)孔解決方案

4.2 可調(diào)節(jié)冷卻空氣壓力解決方案

將節(jié)流孔恢復(fù)到設(shè)計(jì)值，與節(jié)流孔并聯(lián)一個(gè)小管道，用手動(dòng)閥來調(diào)節(jié)開度，在輪盤間隙溫度高時(shí)將閥門開大，增加冷卻空氣流量，在輪盤溫度低時(shí)將閥門開小，減少冷卻空氣流量，可以做到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，控制透平輪盤間隙溫度在合理范圍內(nèi)（圖5）。

圖5 可調(diào)節(jié)冷卻空氣解決方案

4.3 具體實(shí)施方案：

4.3.1 閥門尺寸選型

為了可以更好地控制透平輪盤間隙溫度在合格范圍內(nèi)，選擇可調(diào)節(jié)冷卻空氣解決方案處理該缺陷。根據(jù)幾次的擴(kuò)孔經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行擴(kuò)孔后DCT 溫度升降值見表1，三菱節(jié)流孔設(shè)計(jì)值是118 mm，三臺(tái)機(jī)組目前都進(jìn)行了擴(kuò)孔。

表1 通流面積對(duì)應(yīng)透平輪盤間隙溫度下降值

根據(jù)目前的擴(kuò)孔數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)DCT 溫度高，節(jié)流孔一般擴(kuò)孔到130 mm 就可以基本滿足所有運(yùn)行條件下DCT 溫度不超限，從118 mm 擴(kuò)孔到130 mm 通流面積增大3.14×（65×65-59×59）=2336 mm2。因此要跟節(jié)流孔并聯(lián)的手動(dòng)閥閥全開時(shí)的通流面積需大于等于2336 mm2，該流通面積對(duì)應(yīng)的旁路閥全開時(shí)最大通流直徑約為：

由于加裝旁路閥對(duì)流體存在壓力損耗現(xiàn)象，實(shí)際閥門直徑要大于54 mm，根據(jù)閥門通用標(biāo)準(zhǔn)，本次選用閥門直徑為2.5 英寸的閥門，可滿足運(yùn)行工況。在出現(xiàn)超溫后及時(shí)調(diào)整，將透平輪盤溫度控制在合格范圍內(nèi)。

4.3.2 安裝實(shí)施方案

（1）材料規(guī)格確認(rèn)主管尺寸為直徑270 mm，壁厚10 mm，主管道材料為20G。新增管道尺寸為直徑76 mm，壁厚8 mm，材料為15CrMo。

（2）開孔位置確認(rèn)在節(jié)流孔法蘭兩端，保證空間位置無遮擋，具體開孔位置如圖6 所示。

圖6 節(jié)流孔并聯(lián)閥門管道安裝示意

（3）開孔及對(duì)口尺寸如圖7 所示，先用火焰切割50 mm 直徑的孔洞，再采用機(jī)械打磨的方式擴(kuò)孔。

圖7 主管開孔及焊接對(duì)口尺寸

（4）焊接方案采用氬弧焊打底+填充方式焊接。焊絲采用J50，直徑2.5 mm 和3.2 mm。焊前預(yù)熱150～200 ℃，采用火焰加熱方式預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間不少于20 min。

（5）焊后檢驗(yàn)。焊接完成且24 h 后進(jìn)行無損檢測(cè)，角焊縫進(jìn)行PT/MT 檢測(cè)，對(duì)接焊縫進(jìn)行射線檢測(cè)+PT/MT檢測(cè)。

5 技術(shù)改造效益

該項(xiàng)目于2019 年4 月份完成改造。在2019 年6 月份出現(xiàn)輪盤間隙溫度高的缺陷，出現(xiàn)該缺陷后，現(xiàn)場技術(shù)人員可通過調(diào)節(jié)手動(dòng)閥來控制溫度（圖8、圖9）。從圖中可以看出，經(jīng)過調(diào)整操作后可將溫度控制在460 ℃以下，解決了改造前透平輪盤超溫后無法在線處理的缺陷。

圖8 調(diào)整前輪盤間隙溫度

圖9 調(diào)整后輪盤間隙溫度

6 總結(jié)

燃?xì)廨啓C(jī)透平輪盤間隙溫度影響轉(zhuǎn)子輪盤的壽命，必須將溫度控制在合理范圍內(nèi)。目前三菱M701F-3 型燃機(jī)輪盤冷卻空氣設(shè)計(jì)使用了節(jié)流孔來調(diào)整冷卻空氣流量和壓力，無法做到實(shí)時(shí)調(diào)整，影響機(jī)組運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。某電廠1#機(jī)組經(jīng)過技術(shù)改造，增加了輪盤間隙溫度在線實(shí)時(shí)調(diào)整功能。在溫度過高時(shí)開大閥門，增加冷卻空氣流量，降低輪盤間隙溫度。在溫度過低時(shí)關(guān)小閥門，防止冷卻空氣過量，影響燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)效率，將溫度控制在合理范圍之內(nèi)。