燃气轮机透平蜂窝气封磨损的原因及预防

刘建生

(大唐国际绍兴江滨热电有限责任公司， 浙江绍兴 312366)

燃气轮机透平蜂窝气封磨损的原因及预防

刘建生

(大唐国际绍兴江滨热电有限责任公司， 浙江绍兴 312366)

为了避免燃气轮机透平气封磨损引起的通流部分间隙增大所造成不可恢复的热效率损失，对燃气轮机设计工况和启动工况进行了研究，确认气封磨损主要原因是燃气轮机启动中动静部分的膨胀不协调；提出了避免和减少透平气封磨损的措施，对燃气轮机发电企业的设备运行和维护管理具有借鉴意义。

燃气轮机； 透平； 蜂窝气封； 磨损； 预防措施

燃气轮机(简称燃机)发电设备凭借其经济高效、清洁环保等优势，已成为我国电力发展的重要方向之一。近年来，我国燃机的装机容量得到了迅速发展，9E型、9F型等大容量重型燃机成为当前的主流机型。随着燃机投运数量的增多，运行中易发生的问题已逐渐为发电企业所熟悉。和汽轮机一样，燃机作为高转速运转设备，机组动静摩擦、轴系振动是机组运行中的重点检查对象。

动静摩擦是转动设备部件最易发生的机械故障，如果燃机在运行中出现这种故障，必然会损伤设备，使设备失效或降低运行效率；同时也会造成机组振动增加，乃至跳机和设备损坏事故[1]。笔者以一起某天然气发电公司燃机透平气封磨损为例，研究分析了透平气封磨损的原因，提出了相应的防范措施。

1 燃机透平气封磨损

浙江某天然气发电公司2台燃机为M701F型燃气发电机组，顺利通过了168 h试运行。在停运后燃机处于低速盘车状态，第6天对燃机排气道检查时发现，内部存在明显的异常响声。为此，对现场录制的音频文件及对机组运行数据进行了分析，初步判断该异音可能源于燃机转子与蜂窝气封的碰摩；同时对燃机透平进行了窥镜检查，发现第3级持环蜂窝气封存在磨损现象，个别六角体已经出现变形和破损(见图1)，初步确定燃机透平第3、第4级静叶蜂窝气封与转子动叶在低速盘车期间存在碰摩。

为查清燃机内部异音的真正来源，消除设备隐患，决定对燃机透平缸揭缸检查。检查范围主要包括四级透平的转子和持环的气封的M、J、H

部分(见图2)。

图1 透平第3级分割环蜂窝气封存在碰摩

图2 燃机检查范围示意图

通过揭缸检查，可以初步判断燃机内部通流部分在低速盘车期间存在一定程度的动静碰摩现象。透平第1、2级蜂窝气封有轻微磨损，叶顶气封变形量不大。第3、4级动叶顶部蜂窝气封磨损较为严重，端面可见轴向、径向均存在较大的缺损，经测量磨损最大部分达2 mm左右。

透平第3级上、下半气封体蜂动叶顶部窝气封径向有0.5～2.0 mm磨损，顺气流方向看左侧比右侧严重，底部轻微磨损，蜂窝气封体端面已存在明显缺损(见图3)。

图3 透平第3级持环蜂窝气封磨损

透平第4级上、下半气封体动叶顶部蜂窝气封径向有0.5～2.0 mm磨损，轴向有1.5 mm磨损，顺气流方向看左侧比右侧严重，底部磨损较轻微，蜂窝气封体端面已存在明显缺损(见图4)。

图4 透平第4级持环蜂窝气封磨损

2 蜂窝气封磨损原因分析

燃机蜂窝气封是当前应用较为广泛的气封形式，有较好的节能效果。蜂窝气封一般采用铁素体材料，质地偏软，耐磨性较差。燃机透平持环蜂窝气封磨损主要是机组启动和运行中动静部分碰摩引起的。

由于燃机透平对整机的效率性能影响较大，因此在设计时尽可能将轴封、叶顶间隙控制在较小的范围内。机组冷态启动时，透平缸受热相对于转子较慢，导致在启动过程中动叶顶部间隙会逐渐变小，但随着燃机负荷的增加，透平缸体温度升高，动叶顶部间隙将逐渐变大，气封间隙值、转速、负荷变化见图5。

图5 燃机冷态启动透平间隙的变化

燃机机组的启动模式对透平气封间隙有较大的影响。机组在热态或急热态启动时，启动升速率和升负荷率要远高于冷态启动，透平转子的受热速度快于气缸，导致机组在启动后顶部间隙进一步变小，并会达到间隙值的临界点，将明显小于冷态启动时的间隙值。

为了保证燃机运行效率，燃机透平设计工况一般以温态模式作为选择点。处于温态模式下的燃机透平动静部分均会有一定程度的膨胀，动静间隙会变小，在这种情况下，冷态启动一般不会发生动静碰摩，但对于燃机热态或急热态启动，燃机转子温度相对较高，膨胀较大，发生动静碰摩的概率大大增加，其冷态、温态、热态透平动静部分间隙对比见图6。

图6 燃机不同启动模式下的透平间隙变化

3 防范措施

燃机透平是天然气联合循环的最重要组成部分，承担着天然气燃烧产生的热能向机械能转换的任务，燃机蜂窝气封磨损必然会增大通流部分间隙，降低机组运行效率，产生较大的经济损失。如果持环蜂窝气封磨损，修复难度较大，并会产生较大的检修费用。因此必须在运行中采取以下防范措施：

(1) 透平缸体和转子膨胀不协调引起的轴系振动是产生燃机动静部分碰摩的主要原因之一[2]，如果在运行中燃机转子振动突增，不采取降负荷或停机等措施，就会造成蜂窝气封磨损，因此必须加强对燃机轴系振动的管理。

(2) 在燃机停机后按规程要求及时投入壳体冷却空气，防止燃机缸体产生猫背变形，影响持环和转子间动静部分的间隙，造成透平持环蜂窝气封在机组盘车或运行中的碰擦磨损。

(3) 在燃机安装中应严格按照技术标准对气封间隙进行调整，间隙过小会造成运行中碰摩的可能性加大，过大则会影响机组运行效率。

(4) 按运行规程要求控制燃机的升速率和负荷变化率，防止燃机启动和运行过程中气缸和转子部件受热膨胀不均，从而产生热变形，引起机组动静部分碰摩。

(5) 对燃机压气机运行参数进行监视，避免发生旋转失速或喘振引起的较大振动，因压气机旋转失速引起的振动一般较大，在对压气机叶片和持环产生磨损的同时，也会对燃机透平动静间隙产生较大的影响。

4 结语

对于燃气-蒸汽联合循环发电机组而言，燃机是重要的组成部分，合理的透平气封间隙是保证燃机效率和安全运行的必备条件。燃气机组一般用于调峰发电，机组频繁启停造成机组动静部分所处的工况复杂，机组膨胀不协调引起的轴系振动频繁发生，透平气封极易发生磨损，导致透平通流间隙变大，机组效率下降。笔者以某燃气电厂为例，对燃机透平蜂窝气封磨损情况进行了阐述和分析，提出了防止和减小气封磨损的措施，对燃机电厂设备运行和维护具有一定的借鉴意义。

[1] 关瑞中, 刘惠明. PG9351FA型燃气轮机功率下降原因分析及处理[J]. 发电设备, 2013, 27(4): 270-273.

[2] 陆颂元. 大型机组动静碰磨的振动特征及现场应急处理方法[J]. 中国电力, 2003, 36(1): 6-11.

Causes and Prevention of Gas Turbine Honeycomb Seal Wear

Liu Jiansheng

(Datang International Shaoxing Jiangbin Thermal Power Generation Co., Ltd.,Shaoxing 312366, Zhejiang Province, China)

To reduce the unrecoverable thermal efficiency loss of gas turbines caused by the gap enlargement in flow passage due to seal wear, a study was made to the design and start-up conditions of the gas turbine, after which the seal wear was found to be caused by unmatched expansion between the stator and rotor parts. Corresponding countermeasures were proposed to reduce the seal wear, which may serve as a reference for operation, maintenance and management of gas turbine power generation equipment.

gas turbine; turbine; honeycomb seal; wear; preventive measures

2016-04-05；

2016-05-19

刘建生(1976—)，男，高级工程师，主要从事燃气-蒸汽联合循环机组的设备管理工作。

E-mail: tianfangluntan@126.com

TK474.73

A

1671-086X(2017)01-0058-03