M701F-3型燃气轮机二级轮盘间隙温度探讨

杨添名

北京京丰燃气发电有限责任公司 北京 100074

引言

某电厂采用天然气为燃料的410MW级的燃气-蒸汽联合循环机组，燃气轮机采用具有可调入口导叶（IGV）的17级高效轴流压气机，透平部分由4级静叶环和4级反动式叶片组成。该机组2006年投产，至今已平稳运行17年[1]。2021年11月冬季供暖期间，多次出现二级轮盘间隙温度超温报警现象，出现异常时，通过调整TCA风机运行方式的方式使问题得到了解决[2]。后续，又通过对TCA-C风机进行变频改造，使得问题得到彻底解决，轮盘间隙温度没有再次出现超温报警现象，机组运行平稳。

1 设备概述

某电厂采用天然气为燃料的410MW级的燃气-蒸汽联合循环机组，燃机、蒸汽轮机、发电机采用同轴布置，蒸汽轮机布置在燃气轮机冷端及发电机之间。燃气轮机选用为三菱M701F-3型。燃气轮机类型为单轴、重型（工业型），型号M701F-3，额定功率270300kW，额定功率下排气流量2409.lt/h，排气温度587℃ ，排气压力3.30kPa。燃气轮机采用具有可调入口导叶（IGV）的17级高效轴流压气机。燃烧室由环绕机轴布置的20个燃烧小室组成，每个小室有9个燃气喷嘴。在＃8、＃9燃烧室安装有点火装置， #18、＃19燃烧室安装有火焰探测器。燃气轮机透平部分由4级静叶环和4级反动式叶片组成。

M701F-3型燃气轮机冷却空气系统包括燃机叶片冷却空气、燃机固定导叶冷却空气、元器件冷却空气等。分别使用压气机低压、中压、高压抽气作为燃机第4级、燃机第3级、燃机第2级叶片和固定导向叶片的冷却空气。来自压气机出口的抽气通过透平空气冷却器后供应为转子冷却空气。位于燃气轮机排气管道内的振动传感器采用仪用压缩空气进行冷却。

冷却转子和透平动叶的空气来自压气机排气，压气机排气经过TCA并过滤后冷却转子。直接冷却发生在每一级动叶枞树形根部，这种冷却方式向暴露在燃气高温通道的动叶和透平转子轮盘间提供热障。

透平静叶通过几种不同的方式进行冷却。第一级静叶使用压气机排气从燃机内部进行冷却。第二级、第三级、第四级静叶分别使用第14级、第11级、第6级压气机抽气进行冷却。静叶还为冷却空气提供通到级间气封腔室的内部通道。冷却空气被导入由级间气封和转子形成的通道，最后通过相应的气体流道。该冷却空气维持轮盘处于可以接受的环境温度中。第2、3、4级的轮盘腔室温度用热电偶监测，热电偶插入级间迷宫的空气通道中，当轮盘温度超过报警值时，为避免转子轮盘烧损必须通过降负荷以降低轮盘温度。

2 M701F-3型燃气轮机二级轮盘间隙温度高报警异常概述

2021年11-12月期间，北方冬季供暖期伊始。某电厂机组进入冬季供暖运行模式，机组负荷长期保持在350~380MW之间，一般情况下，在机组在晚峰期间带380MW负荷，晚峰后负荷降至350MW。在此期间，多次在晚峰后机组降负荷时，出现TCS系统发出“GT No.2 ROW DISC CAVITY TEMP HI”,即“燃机2级轮盘间隙温度高”报警。

对于轮盘间隙温度数值，M701F-3型燃气轮机具体规定如下：

表1 M701F-3型燃气轮机转子冷却空气温度及轮盘间隙温度报警设定参数

M701F-3型燃气轮机，二级轮盘间隙温度高的报警值为460℃，有左右两个测点，两个测点取平均值，当平均值达到460℃时发报警，当平均值低于455℃时，报警复位。此报警不会触发燃机保护动作。

为了验证二级轮盘间隙温度高报警是否为误发，我们调取燃气轮机历史数据曲线，从历史数据可以明确，报警发出时，二级轮盘间隙温度（左）达到了451℃、（右）达到了470℃、平均值达到了461℃，实际温度确实超过了460℃，达到了报警值。因此可以判定，本机组多次出现的二级轮盘间隙温度高报警不是误发，实际确实存在二级轮盘间隙温度超温现象。

3 二级轮盘间隙温度超温的原因分析及处理措施

3.1 原因分析

根据M701F-3型燃气轮机二级轮盘间隙温度测点位置，燃机透平动、静部分构造，燃机空气和燃气系统运行流程，当出现二级轮盘间隙温度高现象时，主要从以下几方面考虑。

3.1.1 热电偶故障。热电偶故障，体现在数据中即为测点问题，M701F-3型燃气轮机的轮盘间隙温度热电偶从静叶环导管插入，穿过透平缸、静叶环、静叶及气封体，插入气封体蜂窝密封底部[3]。检查热电偶工作极为烦琐，难度较高。但我们通过调取历史数据曲线，发现二级轮盘间隙温度左右两个测点温度，以及计算出的平均值，所有数据都是线性变化，因此，热电偶问题可以排除。

3.1.2 冷却空气系统工作不正常。透平冷却空气冷却器性能恶化；冷却空气管线堵塞。如果该因素成立，轮盘间隙温度及RCA温度应该全面上升，而不是这种偶发上升，经检查冷却空气系统工作正常，平冷却空气冷却器出口温度正常，冷却空气管线无堵塞，因此该因素可以排除。

3.1.3 密封空气系统工作不正常。密封环间隙增大。燃气轮机的密封件磨损, 密封装置故障。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，压力平衡被破坏，热烟气进入密封腔室引起轮盘超温。

根据过往变化，由于冬季高负荷运行，3台TCA风机全部运行，因此转子冷却空气（RCA）温度较低，这有可能会导致密封环间隙增大，这也就间接导致了转子冷却空气会更多地漏入大气，导致进入轮盘间隙冷却的空气流量减少，因此会造成二级轮盘间隙温度上升。

3.1.4 燃烧系统发生故障。受外界温度和IGV开度的影响。查询了发生异常时的温度变化，发现大气温度变化不大，因此可以排除这个原因。众所周知，随着机组负荷下降，IGV开度降低，冷却空气量减小，2级轮盘间隙温度上升，反之，2级轮盘间隙温度下降。

所以我们可以大致推断出，因为IGV开度快速下降，压缩空气量减少，14级抽气量随之下降，导致冷却空气量下降，2级轮盘间隙温度上升。但目前IGV自动控制，人为无法干预，且负荷涨落不可避免，因此该原因也可以排除。

3.1.5 外部管道发生泄漏。经对燃机系统全面检查，并未发现有泄漏现象，因此该原因可以排除。

3.2 处理措施

一般情况下，当出现轮盘间隙温度高报警时，应立刻降负荷直到报警复位，并确定报警发生原因。检查轮盘间隙左右温度热电偶，判断热电偶是否短路、接地或开路，如果温差大，应检查并校正[4]。如果确定是热电偶的问题，更换故障热电偶。检查透平冷却空气冷却器出口温度，如果出口空气温度高于正常值，对其进行检修。检查冷却空气管线是否堵塞，尤其是入口段，如果发生堵塞情况，清理管线。密封环的磨损增大了冷却空气的泄漏，可以考虑增大冷却空气管线向高温的轮盘供气的入口尺寸，增加冷却空气流量。检查IGV工作是否正常，燃烧系统是否正常。当该问题严重影响机组运行时，应及时汇报调度，申请停机处理。

通过我们上述问题原因分析，我们可以确定影响该机组轮盘间隙温度的根本原因是，密封环间隙大，密封不严[5]。直接原因应为转子冷却空气温度在负荷下降时过低，导致密封环间隙增大，这也就间接导致了转子冷却空气会更多地漏入大气，导致进入轮盘间隙冷却的空气流量减少，因此会造成二级轮盘间隙温度上升。

综上所述，由于冬季供暖期机组连续运行，无法停机处理，本着保运行的原则，我们通过调整TCA风机运行方式，手动停运TCA-C风机，发现报警发出后，如果停运TCA-C风机，可以导致RCA温度上升，温度上升，密封环间隙会减小，冷却空气量不会减少，轮盘间隙温度不会触发报警，或者报警触发后，可以快速复位。

由于该机组配置有3台定频TCA风机，冬季高负荷情况下，当转子冷却空气温度达到210℃时，TCA-C风机才会启动，负荷下降时，当转子冷却空气温度达到155℃时，TCA-C风机才会停止。基于目前状况，在后续供暖期结束后，对TCA-C风机进行了技术改造，将此风机改造成变频风机，设定目标温度为200℃，这样就可以保持转子冷却空气温度稳定，避免由于转子冷却空气温度低，造成燃气轮机密封环间隙增大，导致二级轮盘间隙温度超温。

4 结束语

对于M701F-3型燃气轮机，发出轮盘间隙温度高，报警不带有保护动作，但必须加强监视。如果长时间在这种情况下运行，会导致密封环、保持环等金属部件产生组织变化，影响使用寿命，进而会造成燃机机组振动增大，引起机组跳闸。同时，由于轮盘间隙温度高，造成密封间隙增大，机组热效率下降，运行经济性下降，机组负荷受限，也无法参与电网调峰，不利于电网调度。

一些其他电厂的M701F-3型燃气轮机也曾经出现过轮盘间隙温度高的异常现象，但大多出现在南方，都是一些不参与供暖的机组。本文所述机组，此前未出现过此问题，且出现问题前夏季运行良好，秋季检修检查燃机也并未发现设备老化等问题，机组性能良好。因此，出现此次问题后并未考虑改变燃机结构，通过调整运行方式的方法解决了此次异常，后续又通过对TCA-C风机的变频改造，彻底解决了冬季转子冷却空气温度偏低的问题，改造至今未再次出现轮盘间隙温度超温现象。