M701F燃气轮机2级转子轮盘温度偏高原因分析及处理

张军

(广东惠州天然气发电有限公司，广东 惠州 516082)

1 设备概述

日本三菱公司生产的M701F燃气轮机采用了1个可调进口导叶(IGV)的17级高效率轴流式压气机，围绕轴系中心线以环绕方式排列布置的20个筒形燃烧器、内筒及尾筒构成了燃烧室，4级静叶环及4级反动式动叶构成透平，附属零部件包括2组径向可倾瓦、1组推力瓦、缸体、气管、油管、支架以及测点元件等。

2 M701F燃机风烟系统简介

空气通过空气过滤系统、进气室、IGV等部件进入压气机，在压气机内，空气被强有力地压缩，并通过出口导液(OGV)送到燃兼压缸。压缩空气根据功能主要分成3部分：一部分与天然气一道进入燃烧器并参与燃烧；一部分被抽出，变成透平冷却空气(TCA)；一部分分别从6级、11级、14级静叶环抽出，通过抽气管道及其节流孔板流经对应静叶环、静叶及气封体，作为冷却空气来冷却4级、3级、2级静叶环。

以压气机14级静叶为一个平面，2级静叶冷却空气以间隔120°角分3根管从中抽出，经母管汇合后分上、下2根管进入透平2级静叶环，通过静叶组件专门冷却孔冷却静叶环、遮热环、静叶、气封体等零部件。冷却空气从气封体贯穿孔流出后，一部分流向2级静叶与1级动叶密封刷处，以隔离热气源，另一部分流向气封体蜂窝气封，并最终流向2级静叶与2级动叶叶根处，以隔离热气源。

3 透平2级转子轮盘温度高故障概述

3.1 转子轮盘温度测点简介

转子轮盘温度(DCT)是一个监测燃气轮机是否正常运行的重要参数，DCT大于460 ℃则超温报警。DCT热电偶从静叶环专门导管插入，贯穿透平缸、静叶环、静叶及气封体，热电偶顶端距离转子约5 mm左右。安装完毕的热电偶穿过导管并几乎直达气封体蜂窝密封底部。在热电偶正常工作情况下，当2级DCT出现高温报警时，则往往意味着透平风烟系统出现异常。

3.2 故障1

某M701F燃气轮机并网后，在升负荷过程中发生了2级DCT高温报警故障。从CCLoad 205 MW(GT Load 120 MW)开始，2级DCT(右侧)从445 ℃急剧上升到477 ℃，此时CCLoad 243 MW(GT Load 159 MW)，负荷继续升高，2级DCT基本保持在480 ℃左右。 在CCLoad 350 MW(GT Load 220 MW)时，2级DCT升至486 ℃。降低负荷至CCLoad 269 MW(GT Load 144 MW)时，2级DCT相应下降，重新升高负荷后，2级DCT最高升至491 ℃。负荷上升过程中，转子冷却空气(RCA)温度从160 ℃升高到210 ℃，并无异常。

3.3 故障2

某机组负荷维持在250 MW左右基本不变时，2级轮盘温度在40 min内缓慢升至报警值(最高到470 ℃)，退出机组自动发电量控制(AGC)，将负荷降至215 MW，2级轮盘温度(左侧)基本稳定在448 ℃左右。负荷上升过程中，RCA温度从160 ℃升高到219 ℃，并无异常。

3.3 故障总结

(1)DCT随负荷大小而相应升高或降低。

(2)经观察，DCT在负荷200 MW升至280 MW的过程中经常出现上升较快的现象。

(3)DCT有时在某些特定负荷区域偏高但其余区间正常。

4 DCT偏高危害

DCT偏高且机组长期超温运行，会导致严重后果。

(1)密封保持环长期在460 ℃以上高温运行，材质金相组织会发生变化，蠕变速度加快，加上机组每天启、停引起的热胀冷缩，材质稳定性更加恶化，保持环端面及外圆很容易出现刚性变形，进而严重影响保持环的使用寿命。

(2)密封保持环温度过高会引起蜂窝气封、刷子气封等出现相应程度的膨胀，与转子配合的间隙将减小，因此很容易与转子轮盘碰磨，如此更加影响保持环的密封效果。如果温度进一步升高，则将形成恶性循环，任其发展将会加剧密封保持环整体失效。一旦密封保持环失效，热气直接冲刷转子轮盘，转子受热膨胀，动叶与分割环间隙随之减小，甚至出现碰磨，机组振动也随之增大，严重时可能会引起跳机、转子弯曲及动叶片与转子碰磨等极端事故。

(3)密封保持环受热变形后与静叶叶根间隙变大，热气损失增加，透平做功减少，效率下降。

(4)DCT偏高，机组负荷受限，偏离机组最佳运行工况点，整台机组燃料增加、效率下降，从而造成较大损失。

5 2级DCT高原因分析

根据DCT监测位置、燃气轮机静叶环结构、转子结构以及透平风烟系统流程，当2级轮盘出现高温报警时，建议从以下几方面进行检查。

(1)2级DCT热电偶探头工作是否异常，测量结果是否准确。

(2)燃烧调整是否出现下述问题：空气与天然气空燃比匹配差，燃烧不平稳，尾筒排气温度局部偏高，温度场分配不均匀，偏离设计要求，燃烧产物流过静叶后局部温度偏高引起气封体温度异常。如燃烧室未出现压力波动或动叶径温度计(BPT)排烟温度偏差大等报警，燃烧振动也无异常，该原因可以首先排除。

(3)冷却空气参数发生变化。

1)压气机入口温度(大气温度)偏高。

2)压气机IGV开度不够，进气量偏少，或压气机局部发生大范围泄漏，冷却空气抽气量随之减少。

3)压气机工作异常，OGV排气压力不够或温度偏高。

(4)TCA冷却空气异常，导致转子温度偏高，主要原因有3点。

1)TCA抽气管道法兰泄漏。

2)TCA滤网堵塞、疏水阀泄漏。

3)抽气阀出现内漏，导致部分冷却空气直接流向燃机排气缸。

(5)静叶环冷却空气异常。

1)压气机抽气管法兰泄漏。

2)抽气管节流孔板堵塞。

(6)气封体出现异常。

1)气封体与转子之间产生间隙。气封体与转子之间产生间隙主要是由于安装时，静叶环找中出错或气封体及静叶环出现物理变形。

2)气封体零部件配合间隙超标。如图1所示，J8，J9，J10间隙都超出相应的允许值，引起冷却空气泄漏，从而直接引起冷热气流压力失衡，最终导致DCT偏高。间隙超标主要原因包括密封刷与转子轮盘出现磨损，气封体挡气板出现变形或磨损，螺钉出现弯曲或变形，气封体后流侧与静叶根出现磨损。

图1 气封体零部件配合间隙超标

(7)静叶环异常。静叶环的冷却通道出现损伤，如堵塞、破裂等；静叶环由于冷却效果不良引起温度上升，进而引起气封体温度升高。

6 2级DCT偏高临时处理方案

根据广东惠州天然气发电有限公司多年9F级燃气轮机运行经验及每次T检情况分析，2级DCT偏高往往由上述第(6)条原因造成，但要从根本上处理该缺陷则需要进行开缸处理，工作量大且工期长，成本非常高。建议采用加大冷却空气风量来临时消除该缺陷。

(1)手动增加IGV开度，使进气量增加，但该方法会直接破坏燃烧情况，燃气轮机效率明显下降，而且压气机3级、4级抽气都会受到影响，加上具体增加多少开度很难计算，因此该方法非常不安全、不可取。

(2)扩大2级抽气管节流孔板，使2级静叶环冷却空气量增加。这是目前某厂所采用的临时处理方法，该方法主要有以下优点。

1)该方法只需将节流孔板通流面积适当增加，处理简单，拆装方便。

2)2级DCT冷却空气采用的是14级抽气，不影响6级、11级的抽气效果。

3)增加了2级DCT冷却空气量，压气机OGV排气随之减少，但试验证明对燃气轮机燃烧影响比较轻微，可忽略不计。

4)节流孔板扩孔增加量具体增加多少才可以既保证DCT下降到安全范围，又降低燃气轮机效率，三菱公司有较完整的计算方法，依据此方法计算出节流孔板扩孔增加量，可保证机组安全运行。

7 运行效果

广东惠州天然气发电有限公司在出现2级DCT偏高后，将2级抽气节流孔板节流孔的直径尺寸由最初的117.36 mm增加到122.36 mm，通过1年多运行时间证明，DCT一直稳定在安全范围内，且机组效率并未出现明显下降，事实证明该临时方案可行、安全，当类似机组出现同样问题但短期内又无检修机会时，可参考该方案临时进行处理。