M701F燃气轮机轮盘超温诊断及处理

谢冰，薛少华

（广东惠州天然气发电有限公司，广东惠州 516082）

M701F燃气轮机轮盘超温诊断及处理

谢冰，薛少华

（广东惠州天然气发电有限公司，广东惠州 516082）

M701F燃气轮机引进我国后相继出现了2级轮盘超温报警的现象，通过分析，确认2级轮盘超温的原因为燃气轮机老化导致冷却空气压力不平衡。采取了对2级静叶冷却空气节流孔板扩孔的处理方法，2级轮盘温度明显下降，机组效率和燃气轮机出力也有所降低。

M701F燃气轮机；老化；轮盘；温度

1 事件描述

某电厂3台三菱M701F机组于2006年7月至12月相继投产，经过6年多的平稳运行，2013年1月以来，3台机组相继出现部分负荷下2级轮盘超温报警的现象，其他同类电厂也发生了类似现象，主要现象如下。

（1）2级轮盘左侧、右侧及平均温度均超过报警设定值（460℃），瞬间最高温度甚至超过了500℃；同时，左右侧温差较大，最大温差近60℃。

（2）超温报警主要发生在机组负荷260MW左右；而在机组高负荷下，2级轮盘温度大幅下降，满负荷时仅为410℃左右。

（3）升、降负荷都可以降低2级轮盘温度：一般需降负荷至250MW以下，特殊情况下需降至200 MW左右；升负荷则需升高到较高负荷，一般在300 MW以上。

2 轮盘温度超温的影响

为了保护燃气轮机高温热通道部件，M701F燃气轮机从压气机17，14，11，6级抽气分别冷却透平1，2，3，4级静叶，并且在2，3，4级轮盘间分别安装了2个热电偶来检测静叶的冷却情况。机组运行时，2级轮盘超温的影响如下。

（1）热通道部件寿命缩短甚至损坏。

（2）多次发生长时间限负荷在250MW以下的情况，机组运行经济性非常差。

（3）调峰性能降低，甚至无法参与调峰，不利于电网调度。

3 原因分析

针对2级轮盘超温的情况，在排除了热电偶故障的原因后，三菱公司解释该现象的根本原因是2级轮盘内冷却空气压力与透平烟气压力平衡被破坏，热烟气进入轮盘间密封腔室。2级轮盘压力平衡图如图1所示［1］。

图1 2级轮盘压力平衡图

正常情况下，2级静叶内冷却空气压力p0＞1级动叶根部后腔室压力p1＞2级静叶根部后腔室压力p2，当三者之间的平衡被破坏时，2级轮盘温度就会发生变化［2］。

机组低负荷运行时，燃气轮机运行温度较低，轮盘不会出现超温情况；当机组带部分负荷（260MW左右）运行时，进口导叶（IGV）尚未打开或开度较小，压气机工作压力低，压气机进口空气及14级抽气流量较小，则p0较小，如果此时相关部位间隙变化、冷却空气泄漏或压气机老化等因素引起压力平衡被破坏，热烟气将进入密封腔室，导致2级轮盘温度升高；当机组升至较高负荷时，IGV开大，压气机工作压力升高，压气机进口空气及14级抽气流量增大，则p0增大，同时机组高温部件热膨胀增加，动、静部分之间的间隙变小，压力平衡重新建立，2级轮盘温度随之降低。当p0减小或p1，p2增大时，热烟气就会进入密封腔室，2级轮盘温度随之升高。导致2级轮盘压力平衡破坏的因素如下。

（1）压气机老化。压气机老化也就是压气机结垢、性能劣化下降，这是无法避免的现象。压气机的部分老化可以通过水洗恢复，但无法全部恢复。压气机老化后，其压比降低、排气温度升高，从而静叶冷却空气的压力降低、温度升高，最终导致轮盘密封腔室原有的压力平衡被打破，引起轮盘超温。

（2）透平老化。透平性能劣化，如热通道部件损坏、叶片结垢，透平效率和做功能力将降低，透平各级后的烟气压力和温度将随之升高。＃1机组动叶后的烟气压力p1＞p0，烟气窜入2级轮盘密封腔中，导致压力平衡被破坏而引起超温。

（3）进气滤网堵塞。压气机进气滤网堵塞会引起进气压损增大、压气机空气流量降低和排气压力降低，这是造成压力平衡被破坏、轮盘超温的一个可能原因。经检查，机组进气滤网压差一直在正常范围内，该原因排除。

（4）抽气管道及阀门泄漏。压气机14级抽气管道及其高压防喘放气阀泄漏，会引起2级静叶冷却空气压力降低，这是导致压力平衡被破坏、轮盘超温的又一个可能原因。经排查，3台机组都不存在这种情况。

（5）密封环间隙增大。燃气轮机透平2，3，4级轮盘动、静部分都设置了密封环，防止高温烟气窜入轮盘内部冷却腔室。当密封环磨损严重时，动、静部分之间的间隙增大，腔室中的冷却空气发生泄漏，p0下降，压力平衡被破坏，热烟气进入密封腔室引起轮盘超温。根据三菱公司要求，3机组更换了新的密封环，但效果不明显，更换不久再次出现2级轮盘温度超温现象，证明密封环磨损不是导致轮盘温度高的主要因素。

（6）燃气轮机设计及制造缺陷。据了解，三菱M701F机组普遍存在轮盘超温的情况，这说明轮盘超温是该型机组的通病，可能在设计或制造上存在缺陷。机组运行初期轮盘温度正常，但随着机组两班制运行时间的延长，机组性能老化的情况超过预期，导致轮盘处冷却空气和热烟气压力的平衡在部分工况下被破坏，从而发生轮盘超温现象。

4 解决措施

经上述分析，基本确认2级轮盘超温是燃气轮机老化、性能劣化导致冷却空气压力不平衡所致。经过分析，三菱公司提供了2种解决2级轮盘超温的方案［3-4］。

（1）2级静叶冷却空气节流孔板扩孔，增大冷却空气压力和流量。由于冷却空气增多，需要调整燃气轮机温控线，降低燃气轮机的排烟温度，避免燃气轮机初温超温。一般不需要进行燃烧调整。

（2）增大燃气轮机部分负荷下IGV的开度，间接增大冷却空气的压力和流量。燃气轮机需要重新进行燃烧调整，不能保证全年各运行工况不发生2级轮盘超温。

考虑到长期运行的稳定性及可靠性，该厂及同类电厂普遍采取了第1种扩孔方案。

5 扩孔影响分析

2级静叶冷却空气节流孔板的尺寸变更并没有具体的计算公式，实际扩孔幅度根据三菱公司的经验及实际运行情况来确定。经多次调整，该电厂2级静叶冷却空气节流孔板孔径由原来的122mm左右扩至127mm左右，扩孔后冷却效果明显，2级轮盘温度下降较多，未再发生超温现象。根据运行参数，总结2级静叶冷却空气节流孔板扩孔5mm对机组的主要影响，见表1。

（1）2级轮盘温度下降。2级轮盘温度在部分负荷下大幅下降，最大降幅达90℃左右，而在高负荷或满负荷下则小幅下降。

（2）燃气轮机温控线下降。燃气轮机冷却空气量增加，参与燃烧的空气量减少，相同条件下燃气初温会上升，为避免超温烧损热通道部件，每次扩孔后都要相应降低燃气轮机温控线。机组负荷不同，燃气轮机温控线存在调节过量或不到位的可能，因此排烟温度在部分负荷时下降，在满负荷时上升。夏季工况则可能相反。

（3）燃烧振动变化。燃气轮机冷却空气量增加，参与燃烧的空气量减小，燃烧状况将发生变化，若燃烧振动超限，则需要重新进行燃烧调整。

（4）机组效率略微降低。由于扩孔导致燃气轮机的冷却空气增多，这部分空气未参与充分做功，因此在部分负荷和满负荷时，机组效率都有所降低。此次2级孔板扩孔5mm，根据性能计算结果，扩孔后机组满负荷时效率约降低0.16百分点，故三菱公司提供的0.10百分点的降幅数据基本是可信的。若扩孔过大，机组效率将急剧下降（此前扩孔10 mm，机组效率下降1.00百分点）。

（5）燃气轮机出力降低。在相同条件下，燃气轮机冷却空气量增加，燃烧的空气量减少，燃气轮机各负荷段出力将下降。在修改燃气轮机温控线后，由于温控线过调的问题，联合循环出力下降较少甚至有所上升，这与三菱公司提供的0.3%的降幅数据较为接近。

表1＃3机组2级孔板扩孔前、后参数对比

6 结束语

M701F燃气轮机在设计之初未充分考虑两班制运行导致燃气轮机老化、性能劣化的速度和幅度，因此随着运行时间的延长，机组性能将进一步下降，燃气轮机各级轮盘都可能发生超温现象。除了扩孔增加冷却空气压力和流量，暂时未找到更好的处理办法。因此，很有必要深入分析轮盘超温的原因，评估扩孔对燃气轮机性能的影响，探讨更好的解决办法。

1998，3（1）：43-46.

［2］张军.M701F燃气轮机2级转子轮盘温度偏高原因分析及处理［J］.华电技术，2014，36（7）：42-43.

［3］李薇，汤禹成，周雄辉.燃气轮机转子轮盘优化设计平台的开发［J］.燃气轮机技术，2013，26（1）：27-32.

［4］张艳春，施丽铭，李朝阳.燃气轮机涡轮盘结构应力有限元分析［J］.燃气轮机技术，2007，20（3）：46-49.

（本文责编：刘芳）

［1］林秀荣.轮盘剖面形状的优化设计［J］.航空动力学报，

TK 478

B

1674-1951（2015）07-0035-03

谢冰（1981—），男，广西北流人，值长，工程师，从事大型燃气轮机运行及维护工作（E-mail：28525896＠qq.com）。

2014-12-18；

2015-06-08

薛少华（1967—），男，广东连平人，运行部副部长，工程师，从事大型燃气轮机运行管理工作（E-mail：xsh＠lngphz. cn）。