三菱M701F4燃气轮机轮盘腔室温度超温诊断的研究

宫殿臣 陆亮亮 王建伟

摘要：型号为M701F4的燃气轮机属于进口的燃气轮机设备。对于进口设备的应用还存在很多盲点，不仅要求设备操作人员掌握设备的常规应用问题，同时需要对设备异常的参数进行诊断和处置。对于三菱M701F4型号的燃气轮机来讲，其比较典型的故障表现在轮盘结构的超温现象。本文针对上述超温现象进行了机理研究分析，同时提出相应的诊断及处理措施。

Abstract： The M701F4 gas turbine belongs to imported equipment， There are many blind spots in the application of imported equipment， not only requires the equipment operators to master the conventional application problems of the equipment， but also needs to diagnose and deal with the abnormal parameters of the equipment.to M701F4 gas turbine，the typical problem is the overtemperature of the disc structure. In this paper， the mechanism of overtemperature phenomenon is studied and analyzed， and the corresponding diagnosis and treatment measures are put forward.

关键词：M701F4;燃气轮机;轮盘超温诊断;处理措施

中图分类号：TK477                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）24-0127-02

0  引言

燃气轮机的轮盘结构发生温度升高的现象，主要是指由于燃气轮盘内部的运行模式发生了变化，在整个轮盘运行的循环往复过程中，部分区域出现问题造成的。不同的问题在具体的故障表现上也有所不同，需要结合实际的故障表现作出科学的诊断，并且提出相应的解决办法。

1  轮盘温度过高机理分析

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，并通过出口导叶送到燃兼压缸。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°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。如图1。

如图2所示，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级轮盘温度就会发生变化。机组低负荷运行时，燃气轮机运行温度較低，轮盘不会出现超温情况。

当机组带部分负荷运行时，进口导叶（IGV）尚未打开或开度较小，压气机工作压力低，压气机进口空气及14级抽气流量较小，则p0较小，如果此时相关部位间隙变化、冷却空气泄漏或压气机老化等因素引起压力平衡被破坏，热烟气将进入密封腔室，导致2级轮盘温度升高;当机组升至较高负荷时，IGV开大，压气机工作压力升高，压气机进口空气及14级抽气流量增大，则p0增大，同时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。

燃气轮机的轮盘结构发生温度过高的现象，主要会产生以下几方面的不良影响：第一，会引起热通道内的零部件由于问题的原因出现损坏，或者由于热量的消耗作用，使得零部件本身的使用寿命缩短[1]。第二，轮盘的运行情况受到不良的影响。这一点主要是指在实际的轮机应用过程中，出现了长时间超负荷的问题，负荷额度低于250MW以下的情况在出现频率上又提升，这种情况就会使得机组整体的人运行状态受到阻碍，这也是进一步引起机组运行经济成本升高的主要原因。第三，在系统运行的过程中调峰能力受到的影响，轮盘结构是参与调峰环节的关键步骤，为了取得更好的调峰效果，需要对轮盘的温度进行严格的控制。过高的温度会引起调峰操作的障碍，对于整个电网运行的调度工作都会造成相应的不利影响。

2  关于超温问题的形成原因

轮盘超温的问题，作为轮机运行中的一个典型问题，现象的发生有多方面不同的引发原因，其中包括了来自机械设备本身的原因，还包括了设备内部的运行状态和条件方面的因素，下文将做具体的分析和研究。

2.1 压气机设备问题

压气机设备是轮盘出现超温现象的一个典型的可观设备因素。在长期的运行和应用中，压气机设备可能会出现设备本身的老化问题，这一方面会导致设备的运行和应用受到不利影响，还为设备的正常运行埋下了安全隐患。关于这种类型的设备问题和老化现象，比较典型的处理方法有两种：第一，通过清洗的方式去除设备上的沉积污垢，从而实现设备性能和运行状态的恢复。第二，通过设备区域性零件的更换延长其应用寿命，并且对轮盘结构本身的运行状态提供稳定性的保障。从产生的不良影响的角度上来说，不同的压气机设备如果发生老化现象，其内部的压力比值会同步下降。同时，排气温度会有所上高。这种现象会最终导致轮盘结构内的密封腔室出现压力平衡被破坏的现象。

2.2 透平性老化问题

关于透平性的老化问题，透平性的老化现象，最为典型的表现就在于会使得热通道内的一些零部件和叶片出现被损坏的遐想。这种现象会进一步引起相应的做功水平下降，引起温度的升高。

2.3 滤网结构的问题

关于滤网结构的堵塞现象。这里所探讨的滤网结构，主要是指压气机的进气滤网出现堵塞的问题，这种堵塞会使得进气环节的气压损伤值有所提升，从采购内容降低压气机的排气效果，但从这方面原因的整体影响程度上分析，可知这种因素不属于主观上影响轮机设备正常运行的核心因素。

2.4 阀门泄漏问题

这种问题主要集中在高压阀门的区域。泄露后，同样可能产生轮盘运行环境内部的压力平衡受到破壞，这种情况下轮盘的运行状态实际上是存在异常的，比较典型的表现为温度的升高。

3  解决超温问题的具体措施

在上文的分析中可知各种类型原因引发的超温问题，实际上比较典型的表现集中在整个轮盘和轮机机组的运行环境内部出现压力平衡的异常问题。因此，在寻求解决方案的过程中，往往重点在于解决压力平衡方面的问题。而要解决这一问题，最为有效的方法就是实施扩孔操作。

3.1 针对静叶冷空气的节流孔板进行扩孔操作

这一扩孔操作的目的是为了增大起到冷却空气效果的气体的压力和流量，使得冷却空气本身的体积和容量实现提升。另外，针对燃气轮机的轮盘温控线进行合理的调整，降低排烟环节的温度范围[2]。从而防止燃气轮机在运行中出现初温超温的现象，同时在一定程度上可以彻底解决轮盘腔室温度高问题。

3.2 针对燃气轮机部分负荷段进行燃烧调整

这一方面的工作主要的目的在于，提升部分负荷下的IGV开度，使得已经冷却处理过的空气在压力和流量两项指标上得到同步的增高。这个环节中，包含了燃烧调整的步骤。通过燃烧调整实现对于轮盘温度的控制，主要依托燃烧调整来完成[3]。负荷及燃机效率存在一定程度上影响，因此，对于负荷的控制和调整，也是控制和解决超温问题的一个途径。

3.3 影响扩孔效果的因素分析

扩孔作为解决超温问题的一个核心措施，其在实施的过程中也容易受到多方面因素的影响，必要典型的影响体现在轮盘的降温操作，会使得轮盘的负荷能力有所下降，关于温度指标，最大的下降幅度可以达到90℃[4]。另一方面的影响因素主要是指温控线因素，当温控线下降后，轮机结构内的冷却空气量有所上升，这会使得能够参与燃烧的空气量有所减少，为了保证扩孔效果，应当针对性的伴随扩孔操作进行温控线的调整。另外，扩孔的实际效果，还会在一定程度上受到来自于季节的温度因素的影响。

4  结束语

总的来讲，对于型号为M701F4的燃气轮机而言，轮盘结构的超温现象属于这种进口设备在实际运行中出现的一种常见现象，M701F燃气轮机在设计之初未充分考虑机组频繁起停进行电网调峰，加快了燃气轮机老化、性能劣化的速度和幅度，因此随着运行时间的延长，机组性能将进一步下降，通过扩孔方法有效的控制这种现象的发生，从而提升燃气轮机轮盘结构的应用效果。

参考文献：

[1]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）.

[2]王铭.燃气轮机联合循环机组旁路控制说明[J].科技风，2017（15）：134.

[3]张海燕，安英会.基于流体网络模型的燃气轮机动态性能仿真研究[J].装备制造技术，2017（3）.

[4]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.