M701F燃气轮机转子冷却系统优化改造

袁野，黄发安

(广东惠州天然气发电有限公司，广东 惠州 516082)

1 燃气轮机冷却系统概况

某电厂采用三菱M701F型燃气蒸汽联合循环机组，满负荷工作时燃烧初温达到1 400 ℃，为了保证热通道部件安全、可靠运行，在燃气轮机(以下简称燃机)燃烧室内的衬套、喷嘴和动叶片中采用冷却气体流量通道，控制其金属温度。日本三菱公司采取了多种途径降低热通道部件与高温烟气接触的机会，降低热通道金属温度，同时还采用先进的冶金铸造技术提高动、静叶片的耐高温性能及强度。燃机冷却系统主要是给燃机热通道部件如动/静叶片、叶片持环、叶顶叶根、排气框架等提供冷却空气，一方面将热通道部件与高温烟气隔离，另一方面将热通道部件吸收的热量带走，降低部件温度，因此，燃机冷却系统可为其安全可靠运行提供最基本、最关键的保障。燃机冷却系统包括压气机高、中、低3级抽气及燃机转子冷却空气，如图1所示。

图1 燃机冷却系统

本文着重介绍燃机转子冷却空气系统。燃机转子冷却空气从压气机出口引一路高温高压空气，经透平冷却空气(TCA)冷却器冷却后，通过特定通道送到燃机转子内部，对燃机动叶进行冷却，系统如图2所示。

图2 改造前TCA系统图

2 存在的问题

该型机组是广东电网主力调峰机组，为两班制运行方式，每天都是早启晚停，这种运行方式对燃机热通道部件的寿命影响是非常大的，因此，为了保证运行安全，机组每年都要进行检修，主要检修工作是对热通道部件进行修理或更换。在2012年的某次检修中发现，透平第一级动叶的冷却空气通道被一些铁锈所堵塞而出现超温受损的现象，致使透平第一级动叶在运行期内损伤严重，有些叶片甚至提前报废。通过分析认为，来自大气的灰尘或透平冷却空气管道内的铁锈等堆积物是造成这种现象的主要原因。此次检修发现，共有24片叶片损坏严重无法再运行，需修复或报废，叶片损坏情况不容乐观。该型机组透平第一级动叶共96片，每片价值10多万元，价格昂贵。如果叶片冷却通道堵塞问题得不到解决，机组长期运行将会对透平第一级动叶带来更大的损害，将给电厂造成不可估量的经济损失，同时也给机组的安全运行留下了巨大的隐患，因此消除这一现象刻不容缓。

3 解决措施

通过对燃机结构特点和机组运行方式的分析比较，最终决定采用以下措施来解决这一问题。

3.1 更换压气机入口滤网

冷却空气来自压气机的抽气，入口空气中的污染物也可以进入冷却空气通道，如果这些污染物在冷却空气通道上积累，热传递就会恶化，温度就会上升至使其开裂的水平。这种情况在F级先进技术燃机上更加突出，因为其燃烧温度更高，冷却通道更加复杂，而煤灰、水泥灰和灰尘更易形成熔渣堵塞冷却通道。因此采用由F6玻璃纤维材料(俗称玻纤)制成的高效过滤器(HEPA)，淘汰掉传统的G4，F5滤棉过滤材料。这种高效过滤器对于0.3 μm以上的微粒去除率达到99.7%。该滤网的特点是空气可以通过，但细小的微粒却无法通过，可最大限度地从源头上防止冷却通道被阻；同时也保护了压气机叶片，提高了压气机的安全性和效率，减少了压气机的水洗次数。

3.2 对TCA系统进行改造

(1)对TCA进行自动化改造。

(2)对TCA滤网疏水阀进行自动化改造。

(3)对TCA过滤器排气吹扫装置进行自动化改造，将TCA过滤器排气吹扫阀与过滤器吹扫回气阀由手动阀更换为气动阀。

(4)在TCA过滤器排放管中串联安装Y形过滤器，对管道中的杂质进行更进一步的过滤，保证过滤效果。

改造后的TCA系统如图3所示，改造后阀门的运行方式如图4所示。

图3 改造后TCA系统

图4 TCA系统启动时序

联合循环机组启动分为冷态、温态和热态，而这个状态是以汽轮机的状态来定的。当汽轮机处于冷态或温态时燃机可能已经完全冷却到常温了，冷空气已经进入了燃机的各个管道内；机组处于热态时不需要进行清吹，避免将压气机出口的高温、高压空气排放，可以提高燃机效率。因此，这种阀门运行方式主要是在机组冷态或温态启动时采用。

(1)机组启动后TCA滤网清吹阀自动开启，TCA过滤器吹扫回气阀自动关闭；当机组负荷至200 MW，也就是机组启动完成后，TCA滤网清吹阀自动关闭，TCA过滤器吹扫回气阀自动开启。

(2)机组启动后，TCA滤网疏水阀、TCA冷却器母管出口疏水阀与TCA冷却器旁路疏水阀开启，至机组转子冷却空气温度高于130 ℃后关闭。

3.3 对TCA过滤器进行定期清理

因为机组为两班制调峰机组，机组停机机会相对较多，对TCA过滤器进行定期清理的工作很容易进行；同时，这一工作也保证了进入冷却空气系统空气的洁净度。

3.4 优化压气机的水洗

在未发生此类现象前，到了一定运行小时数或燃机出力受限制时便对压气机进行水洗，但是现在还必须保证水洗完成后机组有启动计划，否则如果水洗后机组不运行，积水可能会导致机组内部生锈。

4 结束语

采取以上措施后，在2013年的检修中，对透平第一级动叶进行了详细检查，未再发生叶片烧毁和断裂的现象，只有10片叶片需修复处理，说明燃机转子冷却空气运行系统的改造和运行方式的优化是成功的。通过这次改造和优化提高了机组运行的安全性，同时也为电厂减少了潜在的经济损失，可为同类型机组的运行提供参考。

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