S109FA機(jī)組配套汽輪機(jī)修后效率降低原因分析

關(guān)瑞中

（福建晉江天然氣發(fā)電有限公司，福建晉江 362251）

0 引言

S109FA單軸燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組由美國(guó)GE公司設(shè)計(jì)，哈爾濱動(dòng)力股份有限公司生產(chǎn)。汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的158型（GE設(shè)計(jì)的D10型改進(jìn)型）蒸汽輪機(jī)，分為高中壓缸和低壓缸2部分，高中壓共用1根轉(zhuǎn)子和1個(gè)缸體，高壓端與燃?xì)廨啓C(jī)連接，中壓端與低壓轉(zhuǎn)子連接，低壓轉(zhuǎn)子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連接。

某電廠安裝有4臺(tái)（/套）美國(guó)GE公司設(shè)計(jì)的S109FA單軸燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組，配套蒸汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的158型（GE設(shè)計(jì)的D10型改進(jìn)型）：形式為三壓、一次中間再熱、單軸、雙缸雙排汽、冷凝式汽輪機(jī)；級(jí)數(shù)為高壓12級(jí)、中壓9級(jí)、低壓6*2級(jí)；高壓缸進(jìn)汽壓力9.65 MPa、溫度565℃，中壓缸進(jìn)汽壓力2.18 MPa、溫度565℃，低壓缸進(jìn)汽壓力0.3 MPa、溫度300℃。

1#機(jī)組于2016年6月進(jìn)行B級(jí)檢修工作，主要檢修項(xiàng)目：更換燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件；汽機(jī)高中壓缸及低壓缸揭缸解體大修；高壓過熱器及再熱蒸汽減溫器內(nèi)外套管更換；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子解體維修等。檢修后機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)，出現(xiàn)了汽輪機(jī)效率下降的現(xiàn)象。經(jīng)過對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地檢查，明確了汽輪機(jī)效率下降的原因，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了處理，恢復(fù)了機(jī)組的正常運(yùn)行。

1 事件經(jīng)過

機(jī)組檢修工作于2016年9月1日結(jié)束，具備整套啟動(dòng)條件。9月2日，機(jī)組啟動(dòng)并網(wǎng)帶負(fù)荷并進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行。機(jī)組運(yùn)行方式為兩班制運(yùn)行（每天起停一次），在機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)高壓主蒸汽（P1）壓力高出修前壓力0.95 MPa（修前壓力9.69 MPa，修后壓力10.64 MPa），而且汽機(jī)高中壓缸效率下降了3.54%（修前82.25%；修后78.71%）。為避免機(jī)組超壓運(yùn)行，在負(fù)荷350 MW、機(jī)側(cè)主蒸汽壓力達(dá)10.5 MPa時(shí)，將主蒸汽旁路調(diào)節(jié)閥開至7%；機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)為避免高旁開啟，手動(dòng)預(yù)選負(fù)荷347 MW；機(jī)組投運(yùn)AGC（Automatic Generation Control，自動(dòng)發(fā)電控制）時(shí)將負(fù)荷上限下調(diào)為345 MW，機(jī)組高負(fù)荷運(yùn)行出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。組修后高壓主蒸汽壓力存在超壓現(xiàn)象，壓力變化趨勢(shì)如圖1所示。

圖1 1#機(jī)組修后歷次高壓主蒸汽壓力趨勢(shì)

針對(duì)這一現(xiàn)象，對(duì)系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行檢查，包括高壓主汽閥濾網(wǎng)及再熱主氣閥1/2濾網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)濾網(wǎng)前有焊渣、金屬切削、焊絲等雜物；孔探檢查汽機(jī)高壓缸第七級(jí)靜葉片，發(fā)現(xiàn)葉片上有金屬顆粒（圖2）。因此，需要對(duì)高中壓缸解體進(jìn)行徹底檢查和處理。

汽機(jī)高中壓缸揭檢查及解體檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)部分隔板出汽邊變形，根據(jù)變形程度最終決定在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行矯正修復(fù)。當(dāng)年10月修復(fù)工作完畢，機(jī)組啟動(dòng)并帶至基本負(fù)荷，主汽壓力恢復(fù)至正常值，機(jī)組進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行階段。

圖2 高壓第7級(jí)靜葉上的金屬顆粒

2 原因分析

2.1 機(jī)組運(yùn)行參數(shù)變化情況

汽輪機(jī)檢修前效率變化情況：滿負(fù)荷工況高壓缸效率約80%、負(fù)荷280 MW高壓缸效率約87%，280 MW至滿負(fù)荷升負(fù)荷過程高壓缸效率基本保持一致。

汽輪機(jī)檢修后效率變化情況：滿負(fù)荷工況高壓缸效率約78.5%、負(fù)荷280 MW高壓缸效率約85%，280 MW至滿負(fù)荷升負(fù)荷過程高壓缸效率變化約6.5%。

2.2 原因分析

機(jī)組在啟動(dòng)過程中，汽輪機(jī)高壓旁路閥先開啟，過熱蒸汽經(jīng)旁路進(jìn)入凝汽器。待汽輪機(jī)具備進(jìn)汽條件時(shí)開啟高壓主汽閥、關(guān)閉高壓旁路閥，此后在開啟高過減溫器減溫水控制閥來控制蒸汽溫度。機(jī)組運(yùn)行期間，汽輪機(jī)高壓過熱蒸汽壓力及高中壓缸效率見表1。

表1 1#機(jī)組修后高壓蒸汽壓力變化趨勢(shì)情況

根據(jù)運(yùn)行參數(shù)的變化和表1中數(shù)據(jù)的分析，問題出在高中壓蒸汽系統(tǒng)和汽輪機(jī)本體，而重點(diǎn)應(yīng)放在本次檢修的設(shè)備上，主要有高中壓缸解體大修、高中壓主汽閥解體大修、高過及再熱減溫器內(nèi)外套筒更換等工作。首先對(duì)各汽水系統(tǒng)的檢查，再檢查高中低壓主蒸汽閥及濾網(wǎng)，然后對(duì)高過及再熱減溫器檢修檢查；最后對(duì)高中壓缸進(jìn)行檢查，包括孔探檢查和揭缸解體檢查。

對(duì)汽水系統(tǒng)的檢查包括凝汽器熱井、凝結(jié)水泵入口濾網(wǎng)、凝結(jié)水除鐵器、鍋爐低壓汽包、中壓汽包、高壓汽包，根據(jù)系統(tǒng)檢查結(jié)果顯示，沒有發(fā)現(xiàn)金屬顆粒的蹤跡，說明在機(jī)組啟動(dòng)階段（汽機(jī)未進(jìn)汽、蒸汽走旁路的情況下），沒有金屬顆粒進(jìn)入蒸汽管道中。由于本次檢修減溫器內(nèi)外套筒進(jìn)行了更換、加工時(shí)進(jìn)行了噴砂處理，如果噴砂用鐵砂存留在內(nèi)外套管之間的夾縫內(nèi)，就會(huì)隨著汽流進(jìn)入蒸汽管道中，通過高壓旁路閥進(jìn)入凝汽器（水系統(tǒng)之中）。這說明減溫器內(nèi)外套管之間的夾縫沒有金屬顆粒存留。

高中低壓主蒸汽閥及濾網(wǎng)的檢查，閥門開度為100%，現(xiàn)場(chǎng)與DCS（Distrbuted Control Systems，分散控制系統(tǒng)）顯示一致，閥門開度正常；檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓及再熱主汽閥濾網(wǎng)前有焊渣、金屬切削、焊絲等雜物。

對(duì)高過及再熱減溫器檢查，包括內(nèi)外套筒夾縫、減溫水噴嘴等部位，通過孔探檢查內(nèi)外套筒之間清潔無異物，表面干凈；拆卸減溫水噴嘴檢查，發(fā)現(xiàn)1個(gè)高過減溫器減溫水噴嘴上夾有金屬顆粒（圖 3）。

根據(jù)系統(tǒng)檢查結(jié)果顯示，在高過減溫器減溫水噴嘴上和減溫水環(huán)管中都有發(fā)現(xiàn)金屬顆粒的蹤跡，而投減溫水時(shí)汽機(jī)高壓旁路閥處于關(guān)閉狀態(tài)，高壓主氣閥處于開啟狀態(tài)，高過減溫器減溫水環(huán)管中存留的金屬顆粒隨減溫水進(jìn)入主蒸汽管道中，隨汽流進(jìn)入汽輪機(jī)，造成汽機(jī)隔板靜葉的變形損壞。

進(jìn)一步對(duì)汽輪機(jī)高中壓缸進(jìn)行孔探檢查，發(fā)現(xiàn)汽機(jī)高壓缸第七級(jí)靜葉片上有金屬顆粒（圖2）。減溫水噴嘴上的金屬顆粒與汽機(jī)剛體內(nèi)的金屬顆粒一致，說明汽機(jī)內(nèi)部的金屬顆粒來源于高過減溫器減溫水。

對(duì)汽機(jī)高中壓缸進(jìn)行揭缸解體檢查，進(jìn)一步驗(yàn)證了上述觀點(diǎn)。高壓隔板第一～第四級(jí)靜葉有嚴(yán)重被異物打擊變形的情況（圖4），其他級(jí)靜葉也有不同程度的損傷，動(dòng)葉片上也有被異物打擊的痕跡。

圖3 高過減溫器噴嘴

圖4 變形的高壓隔板一級(jí)靜葉

綜合以上對(duì)系統(tǒng)及汽輪機(jī)本體的檢查分析，造成汽機(jī)高壓主汽壓力超壓及汽機(jī)效率下降的原因如下：

（1）汽輪機(jī)高壓第一～第四級(jí)隔板靜葉出汽邊變形，導(dǎo)致汽流通流面積減小使汽輪機(jī)效率下降。

（2）高壓過熱蒸汽減溫器加工時(shí)殘留在減溫水環(huán)管中噴砂用的金屬顆粒，在運(yùn)行過程中進(jìn)入汽輪機(jī)高壓缸造成高壓第一～第四級(jí)隔板靜葉出汽邊變形。

（3）機(jī)組在啟動(dòng)后，汽輪機(jī)高壓進(jìn)汽過程中，需要投入高過減溫器減溫水對(duì)高壓蒸汽進(jìn)行降溫，此時(shí)，存留在減溫器減溫水環(huán)管中的金屬顆粒進(jìn)入高壓主蒸汽管道，隨汽流進(jìn)入汽輪機(jī)。汽機(jī)隔板靜葉在金屬顆粒的高速?zèng)_擊下變形，導(dǎo)致通流面積減小，出現(xiàn)高壓主汽超壓、汽機(jī)效率下降的現(xiàn)象。

3 汽輪機(jī)隔板靜葉變形的現(xiàn)場(chǎng)處理

隔板葉片的處理分為3種：①隔板葉片出汽邊損失較大的高壓第1，2級(jí)隔板上半中分面葉片根部及頂部缺肉部位進(jìn)行補(bǔ)焊處理，焊后打磨并進(jìn)行著色探傷；②對(duì)其他隔板葉片出汽邊損失較小的部位進(jìn)行校型處理；③對(duì)異物打擊較輕的動(dòng)葉片保持現(xiàn)有狀態(tài)，不進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處理。

3.1 現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)焊處理[1]

高壓第一、第二級(jí)隔板導(dǎo)葉進(jìn)出汽邊損傷補(bǔ)焊，補(bǔ)焊工藝如下：

（1）清理。打磨待補(bǔ)焊隔板上半中分面葉根、葉頂缺肉處呈金屬光澤，打磨后按《滲透探傷檢查方法及評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)（PT）》（Penetrant Testing，PT，滲透檢測(cè)又稱滲透探傷）進(jìn)行著色檢查，如果沒有缺陷，采用酒精或丙酮清理，補(bǔ)焊區(qū)域及周圍20 mm范圍不允許有油污等影響焊接的質(zhì)量污物存在；如果發(fā)現(xiàn)缺陷，打磨去除后重新檢查及清理。

（2）焊接。采用手工鎢極氬弧焊進(jìn)行補(bǔ)焊，焊前對(duì)補(bǔ)焊部位預(yù)熱（50～150）℃，焊絲為 ERNiCr-3，規(guī)格Φ2 mm，直流正接，電流（90～140）A。導(dǎo)葉出汽邊進(jìn)行補(bǔ)焊，需在出汽邊待補(bǔ)焊位置下部墊紫銅板，之后采用氬弧焊補(bǔ)出葉片型線，待后續(xù)修磨。

（3）清磨。按設(shè)計(jì)要求對(duì)焊接處進(jìn)行打磨清理，與母材圓滑過渡，滿足PT（Penetrant Testing，滲透檢測(cè)）探傷要求。

（4）鉗修。鉗工修磨進(jìn)出汽邊補(bǔ)焊處至與導(dǎo)葉型線相符。

（5）檢查。對(duì)補(bǔ)焊處進(jìn)行PT著色檢查，執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求不得有裂紋、未熔合、氣孔、夾鎢等缺陷存在。如果發(fā)現(xiàn)有超標(biāo)缺陷，按上述工藝進(jìn)行返修。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)校型處理

對(duì)于其他級(jí)出汽邊變形較輕的隔板葉片，使用銅錘對(duì)葉片進(jìn)行校型，校正后打磨圓滑過渡并按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行著色探傷。

3.3 處理后的效果

（1）整機(jī)性能及效率。隔板葉片處理后聯(lián)合循環(huán)效率、壓氣機(jī)效率、燃機(jī)效率不變，高壓缸效率比檢修后恢復(fù)約1.2%，比檢修前降低約2%。

（2）主蒸汽壓力。處理后高壓主蒸汽壓力較檢修后壓力下降約0.5 MPa，與檢修前同等工況一致。

4 結(jié)論

（1）在機(jī)組檢修過程中要嚴(yán)把檢修質(zhì)量關(guān)，建立質(zhì)量控制體系和控制流程，保證體系的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。特別是檢修現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)部和外修加工設(shè)備內(nèi)部清潔度的清理、檢查和驗(yàn)收工作尤為重要。

（2）準(zhǔn)備隔板備件，最終恢復(fù)機(jī)組性能。由于第一、第二級(jí)隔板葉片損壞較嚴(yán)重，矯正變形部分葉片不能全部恢復(fù)機(jī)組性能。所以要準(zhǔn)備這2級(jí)隔板的備件，在條件允許時(shí)更換上去，最終恢復(fù)機(jī)組性能。

通過以上分析，確認(rèn)汽輪機(jī)效率下降原因，通過現(xiàn)場(chǎng)對(duì)隔板葉片的補(bǔ)焊和校形處理，恢復(fù)了機(jī)組正常運(yùn)行。機(jī)組投運(yùn)后，效率雖然未能全部恢復(fù)，但各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)及運(yùn)行參數(shù)正常，能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)組效率得到全部恢復(fù)，還要進(jìn)行徹底修復(fù)或更換隔板。

［1］哈爾濱汽輪機(jī)廠有限責(zé)任公司.汽輪機(jī)工藝規(guī)程［Z］.