朱仲翔
华能北京热电有限责任公司 北京市 010000
摘要: 本文介绍了三菱M701F4型燃气轮机的工作原理，针对燃气轮机透平2级轮盘腔室温度超温的原因进行了机理性的研究分析，并根据已有的经验，提出了相应的诊断与改善建议。
关键词: 间隙; 压力平衡; 负荷偏差
1.设备概述：
某电厂二期机组为由三菱M701F4型燃机组成的燃气-蒸汽联合循环二拖一供热机组，三菱M701F4型燃机主要由压气机、燃烧室和透平组成，空气由燃气轮机的进气装置引入压气机压缩，然后进入环绕在燃机主轴上的分管式燃烧室，通过增压、加热后的天然气与进入燃烧室的压缩空气进行预混燃烧，燃烧后的高温烟气进入透平做功。冷却转子和透平动叶的空气来自轴流式压气机的部分排气，压气机排气经过水冷式冷却器并过滤后用来冷却每一级透平动叶和转子轮盘。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经燃机内部进行冷却，第二级、第三级、第四级静叶分别使用压气机第14级、第11级、第6级抽气进行冷却。
2.事件经过：
此电厂二期两台燃机均在2011年11月投产，2020年11月22日，机组群二拖一运行，问题燃机负荷由195MW涨至212MW过程中，#2轮盘腔室左侧温度由444℃涨至460℃触发报警，随着负荷上升温度下降。超温报警主要发生在燃机负荷210MW左右，机组高负荷下2级轮盘腔室温度较为稳定，满负荷时最高稳定在430°C 左右。
3．原理分析：
在排除了热电偶故障的原因后，针对2级轮盘腔室超温的情况，根本原因是2级轮盘腔室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。如图1所示：
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图 1
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 级轮盘腔室温度就会发生变化。
机组带低负荷时，燃气轮机运行温度较低，2级轮盘一般不会出现超温现象; 当机组带部分负荷(210 MW左右) 运行时，IGV开度较小或未全开，压气机进口空气及 14 级抽气流量较小，则 p0 较小，如果此时由于压气机老化、热通道内相关部位之间间隙发生变化、冷却空气泄漏等因素会引起三者之间的压力平衡被破坏，高温烟气将进入密封腔室内，导致2级轮盘温度升高; 当机组升至较高负荷时，IGV开大，压气机进口空气及14级抽气流量增大 ，则 p0 增大，同时伴随机组高温部件热膨胀增加，动、静部分之间的间隙变小，压力平衡会重新建立，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。
4.原因分析
1）透平内部组件老化问题：
本台燃机自投产至今已经运行10年，长时间的运行和频繁启停机调峰使得热通道内的零部件和叶片出现破损和老化程度加快，转子与密封保持环间隙、静叶与挡气板间隙可能增大，这就使得透平内部分高温气体进入轮盘腔室从而导致超温。密封保持环的变形和损伤（螺栓和弹簧）、挡气板磨损、透平静叶的损伤都会导致密封保持与静叶间隙增加，从而导致冷却空气泄漏，进而导致轮盘腔室温度高。（见图2）
2）压气机工作异常：
a、压气机IGV工作异常，或进气滤网堵塞，进气量明显偏少，致使冷却空气抽气量随之减少，导致冷却空气不足，进气量的减少还有可能破坏燃烧室内燃空比的匹配值，进而使得温度场分配不均匀导致燃烧室压力波动；
b、压气机设备发生老化，内部压比值下降，排气温度上升，从而导致轮盘腔室内的密封腔室的压力平衡被破坏。
3）抽气阀或抽气管道问题：
a、压气机抽气阀出现内漏，导致部分冷却空气流向燃机排气段。
b、压气机抽气管法兰泄漏，导致冷却空气不足。
c、抽气管节流孔板堵塞，导致冷却空气不足。
5、具体处理措施：
1、此电厂二期工程为二拖一联合循环机组，正常二拖一运行工况，在AGC、CCS投入情况下，两台燃机的负荷偏差为0，当升降负荷的时候，采用手动设置两台燃机负荷偏差的方法使问题燃机负荷尽快通过210MW，一般将二拖一工况下负荷的升降速率设为25MW/min，随着机组群负荷升降到位再慢慢将两台燃机负荷偏差设置回来，负荷偏差设定期间还应注意两台燃机排气温度变化，不同排气温度会导致汽轮机两侧高、中压主汽温度存在偏差，若遇AGC指令长时间停留在某负荷区间而又不得不保持一定负荷偏置的时候，这往往需要及时投入锅炉侧减温水来减少汽轮机侧两侧主汽温度偏差，以保证两侧主汽温差在合理范围内，从而保证机组安全。
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： 2级静叶冷却空气从压气机14级抽气过来后分上、下2根管进入透平2级静叶环，在今年初的机组检修时发现，上下两侧冷却空气截流孔板直径不一致，上侧直径为121mm，下侧为117mm，将下侧节流孔板扩孔至直径121mm，扩孔操作一定程度上增大了2级轮盘腔室冷却空气的压力和流量，对燃气轮机燃烧影响比较小，可忽略不计。
3、若是压气机老化问题影响的，可通过压气机水洗的方法去除压气机叶片上的沉积污垢，或通过设备区域性的进行零部件更换延长其使用寿命。
4、若是抽气阀或抽气管道问题，立即联系检修进行停机处理或更换。
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6、运行效果
通过半年多运行时间证明，扩孔的效果比较好，#2轮盘腔室温度一直稳定在安全范围内，且机组效率并未出现明显下降，但实际还需要经历冬季低温的考验才能更加确定，因为冬季环境温度低，压气机抽气级与透平之间的压差会变小，冷却空气流量进一步降低（见图3），当类似机组出现同样问题但短期内又无检修机会时，可参考以上措施进行处理。
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7、结语
对于三菱公司M701F级燃气轮机轮盘腔室超温的现象普遍存在于同级别其他电厂，随着机组运行时间的增加，及频繁启停机调峰操作，造成对燃气轮机本身各部件特别是热通道部件的老化速度加快，机组的性能和效率也会进一步下降。通过扩孔的方式能有效控制燃机轮盘腔室温度高的现象，使燃气轮机的轮盘结构的应用效果得到提升，从而有效的保护热通道部件的安全，保证并提升了机组的性能和效率。
参考文献：
1、王凤月.燃气轮机故障诊断技术综述展望[J].内燃机与配 件，2017(19):63.
2、邱玮坤.雷达图在分析 M701F4 燃气轮机 BPT 偏差大报警 事件中应用[J].燃气轮机技术，2018(2).
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