提高9FA燃机压气机可靠运行的措施

2012-10-15姜凯超肖维龙

电力与能源 2012年2期

姜凯超，肖维龙

（张家港华兴电力有限公司，江苏张家港 215627）

张家港华兴电力有限公司两套S109FA－SS燃气—蒸汽联合循环发电机组分别于2005年6月27日和2006年1月14日投入商业运行。目前，国家第一批至第三批打捆招标引进的GE公司生产的9FA燃气轮机，在运行中相继出现了一些较为严重的设备问题，尤其是最近几年，部分电厂还发生了压气机叶片断裂事故，给电厂的正常生产和社会用电造成了损失。通过对GE公司推出的压气机增强型升级改造的技术分析及实践经验介绍，用以提高机组运行的可靠性。

1 9FA压气机升级改造

据统计，国内曾经发生过三起压气机叶片断裂事故，大多是一级静叶片（R1）断裂。造成R1断裂的原因，主要是设计时没有考虑到叶片旋转所产生的尾迹气流，在静叶上产生的振动与静叶的某阶自振频率共振，造成静叶高频疲劳断裂。GE公司于2009年完成了对9FA＋e／FB＋燃气轮机压气机的改进设计，改进后的压气机称之为增强型压气机，并从2010年4月起在新生产的机组上试用，积累经验后逐步推广到旧机组上使用。

1.1 改进压气机进口可转导叶

没有改造前，燃机在启动初期，压气机进口可转导叶（以下简称IGV）保持一个最小角度，一般为28.5°。在压气机加速到运行转速之前，IGV作为温度修正转速的一个函数，逐渐打开到最小全速角度，一般为49°，以防止压气机在低速时失速发生喘振。机组并网后，根据预定的温控基准，保证最优的燃烧方式以及提高联合循环运行效率。在机组处于非基本负荷运行时，对燃料控制的合理分配主要依赖IGV温控的状态。

1.1.1 优化IGV叶型

重新加工后的优化IGV叶片如图1所示，主要是修改了IGV的进气角度。更换了压气机本体、配件、齿条、齿轮等部件，还更换了油动机，并将油缸限位，由原先26°～90°，改为21°～92.5°，提供更大的调节空间。

图1 优化后的IGV叶片

1.1.2 升级压气机软件包

在机组启动期间，防止旋转失速方案通过启动过程尤其是机组过临界转速时，控制IGV角度的变化和防喘放气阀的开关来预先阻止失速，从而使机组远离喘振工况。系统通过减小失速时间及使失速频率远离叶片的共振频率来降低叶片的应力。而在停机过程中，仅控制IGV的角度即可达到此目的。

图2 IGV变化及防喘阀开关状况

根据增强型压气机软件升级的要求，相应做了以下工作。

1）修改IGV控制逻辑在启动机组过程中，当修正转速小于76.3%时，IGV的开度为29°；当修正转速在76.3%～81.03%时，IGV的开度为23°；当修正转速大于81.03%时，IGV的开度逐渐开至49°。在停机过程中，当修正转速大于72%时，IGV的开度由49°逐渐关至23°；当修正转速在72%～67%时，IGV的开度为23°；当修正转速小于67%时，IGV的开度逐渐开至29°，并保持到停机结束，如图2所示。

2）防喘阀工作模式在具备机组启动条件后，点击START或FAST LOAD，第9级、第13级防喘阀进行关闭测试，延时5s。在启动过程中，压气机第13级防喘阀VA2－3、VA2－4在修正转速为71%～76%时处于关闭状态。

3）转速修正值修正转速（TNHCOR）为机组转速TNH经环境温度的修正值，当环境温度等于15℃时，TNHCOR等于TNH；当环境温度大于15℃时，TNHCOR略小于TNH；当环境温度小于15℃时，TNHCOR略大于TNH。

1.2 改进0级动叶片

重新设计压气机0级动叶片（R0）叶型，叶身表面进行喷丸硬化处理，进气侧进行圆弧过渡处理和激光硬化处理。叶顶进行端切，如图3所示。

图3 R0顶部进行端切处理

通过优化设计，R0叶片减少了应力，提高了抗磨能力，改善了叶顶刮擦容限，还使叶片的固有频率发生了变化。同时，在燕尾叶根处做了圆弧倒角处理，对叶片做了耐磨涂层处理，如图4所示。

图4 改进后的R0叶片

1.3 改进压气机

据GE公司介绍，目前全球正在运行的9FA燃气轮机超过130台，约有80%的机组出现压气机第14级至第16级静叶叶台（也称底座）凸起现象，发生填隙片凸起或丢失的案例也不少。

1）运行方式国外大多数机组为基本负荷连续运行，少部分机组为基本负荷调峰运行。而国内9FA燃气轮机发电机组，绝大多数为两班制调峰运行。

2）运行小时数国外机组压气机第14级至第16级静叶片晃动、叶根槽磨损、叶台凸起，大多在运行1.6万h后发生，而国内9FA机组出现上述问题的运行小时数最早为4900h。

3）运行情况压气机第14级至第16级静叶片设计存在问题，主要表现为叶片晃动、根槽与根部磨损、松动、叶台凸起，严重时还会引起叶顶与转子磨擦，甚至造成断裂，参见图5。

图5 叶台突起

叶台凸起的主要原因是叶根设计不合理。由于叶片为倒T型结构，承力的两个凸台厚度仅为5mm，叶台四周与底平面为直角，而气缸上的叶根槽为弧形，静叶装入叶根槽后，叶片与叶片之间及叶片与叶根槽之间的接触并非“面”接触，而是“线”接触。在气流的不断冲击下，叶片与叶片之间的接触“线”磨损后，使得叶片与叶片之间的间隙变大，叶片的晃动量也随之增大。另外，填隙片失去叶片的夹持力也会不断地磨损直至脱落。如果每片叶片磨损0.1mm，将会导致半个气缸中的叶片累计间隙高达5mm，加上空气动力把叶片推向一侧，造成叶片晃动并发生异常问题。

图6 防错安装槽

鉴于此，GE公司重新设计了压气机第14级、第15级和第16级静叶，加长叶片底座沿圆周方向的距离，取消了填隙片；叶身表面进行喷丸硬化处理，叶根加厚并将底部改成曲面，在叶根的底部增加防错安装槽，如图6所示。

图7 叶根两侧凸耳加厚

将叶根两侧凸耳加厚，由原来的5 mm改为12mm，图7中左边叶片为优化后叶片。

对叶顶进行端切处理。改进后的第14级、第15级和第16级静叶，改善了叶顶刮擦容限，不但提高了叶根两侧凸耳的抗磨能力，而且减少了叶片的振动。

由于增强型第14级、第15级和第16级静叶在装配时轴向间隙裕度较大，使得静叶在缸槽中的旋转程度，比基本型（非增强型）要稍大一些。经过一段时间运行后，叶片的扭曲会导致压气机的缸槽壁轻微变形，如图8所示，压气机缸体也会有轻微的突起变形。GE公司认为，经过一段时间的运行，缸体轻微突起变形会停止，不会发生静叶扭曲。

图8 叶片扭曲变形

2 定期进行清洗

压气机运行一段时间后，由于漂浮在空气中的灰尘粘附在叶片表面导致结垢等原因，压气机的工作效率会有一定程度的下降，可以通过对压气机进行定期在线和离线水洗的方法提高压气机的部分效率。

燃气轮机的性能下降，可以通过出力降低、热耗率上升和燃料消耗量增加来判断。性能下降是轴流式压气机结垢的一个直接结果。结垢后的压气机会降低空气流量、降低压气机效率和压气机压比。

1）在线清洗当机组处在基本负荷附近运行、进口导叶打开时，GE公司建议不要使用清洁剂，采用向压气机里喷水的方式进行清洗，优点是可以在不停机的情况下进行清洗，缺点是当压气机通流部分脏污十分严重时，清洗效果并不十分明显，是离线清洗的一种补充。每天清洗时间为30min，可以对压气机前几级发生水蚀的可能性降到最低。

2）离线清洗当机组不带基本负荷运行时，GE公司推荐并鼓励采用向压气机里喷射清洁剂的方式进行清洗，优点是清洗效果好，提高燃气轮机的整体性能比较明显。

3）注意事项如果压气机发生严重结垢，会影响机组的运行效率和经济性。压气机定期清洗有助于维持其性能，也会使每次清洗更加有效。一般情况下，压气机运行400～600h，安排清洗60～70次；若运行时间超过1000h，考虑到压气机及燃气轮机的性能可能下降，则可以安排清洗130次左右。清洗压气机可以减缓叶片的腐蚀进程，对减少腐蚀产物形成积垢也有促进作用，从而延长叶片寿命。清洗过程中需要监督压气机的水质情况。例如，在检测到电导率合格的同时，清洗水中无混浊及污垢后，即可停止对压气机水洗。

轴流式压气机的污垢类型和积垢率取决于其运行环境和现有进口过滤器。确定是否要对压气机清洗有两种基本方法。

1）肉眼检查机组停运后用肉眼检查压气机进口、喇叭口、进口导叶和前几级叶片。

2）性能监视性能监视是提取燃气轮机在稳态基本负荷下的出力、排气温度、进口空气温度、压气机出口压力和温度、燃料消耗率等数据与基准线数据进行比较，用以监视燃气轮机性能的变化趋势。当机组在暖机或低于正常运行条件时，仔细记录这些数据非常重要。

在线清洗和离线清洗压气要的用水质量规范参见表1。清洗水温在66～93℃时，清洗效果最佳。同时，定期监测清洗箱内的水质十分重要，以某一次化验结果为例，参见表2。

表1 清洗用水的质量规范

表2 水洗箱内的水质化验结果

从取样化验结果可以看出，压气机清洗水箱水质符合GE公司对清洗水的水质要求。

3 优化机组运行方式

9FA燃机不适用于频繁启停运行，由于机组每启动一次都要经历一次SPPM（次先导预混）燃烧模式，该燃烧模式会使火焰温度场不均匀，容易造成火焰筒和过渡段出现鼓包变形、裂纹、涂层脱落、烧毁等故障。9FA燃机也不适用于低负荷运行，在预混燃烧模式（PM）以下运行时气动特性不好，气流振动很大，容易造成压气机第14级、第15级、第16级静叶晃动，叶片底座与气缸叶根槽磨损，叶片底座凸起，叶顶与转子碰磨，最终导致叶片断裂。同时，低负荷运行还会引起烟气排放指标不达标。因此，9FA燃机在运行过程中要尽量减少机组的启停次数，尽可能使机组保持基本负荷连续运行，用以降低设备发生事故的风险。