9F 级燃气轮机排气扩散段出口非金属 膨胀节问题的分析与改造
9F 级燃气轮机排气扩散段出口非金属膨胀节问题的分析与改造
暨穗璘
( 广州珠江天然气发电有限公司，广州511457)
摘要: 通过对9F 级燃气轮机排气扩散段非金属膨胀节超温的缺陷分析和处理，对9F 燃气轮机发电机组的设备状况进行剖析。结合目前国内9F 级大型燃气轮机发电的运行模式，对日启停运行的设备进行技术改造，以达到机组安全稳定运行的目的。目前技术改造已经实际应用并且现场运行，取得了很好的效果，得到国内同类型发电企业的认可并进一步推广。
关键词: 燃气轮机; 排气扩散段; 非金属膨胀节; 超温; 泄漏; 改造
中图分类号: TK478 文献标识码: B 文章编号: 1009-2889( 2014) 04-0065-03
广州珠江天然气发电有限公司装机为2 ×390 MW 高效单轴联合循环发电机组。其中燃气轮机为美国GE 公司生产的PG9351FA 型，汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的D10 型。整个发电机组为单轴布置，即燃气轮机、汽轮机、发电机为同轴布置。燃气轮机排气扩散段后部直接和余热锅炉连接，将温度约为620 ℃的排放烟气排入余热锅炉，形成压力为9． 42 MPa，温度为562 ℃的高温高压蒸汽，对同轴的汽轮机进行二次做功，整体联合循环效率可达到56． 7%。
目前我国的9F 级燃气-蒸汽联合循环机组多为调峰日启停的运行模式，经过多年的日启停运行，暴露出许多因不适合机组日启停模式出现的设备故障和不合理设计。该厂曾出现燃气轮机排气扩散段与余热锅炉连接处非金属膨胀节表面超温和烟气泄漏的问题，造成燃气轮机排气扩散段罩壳风机88BD不断出现风压低、两台联动或来回切换的异常状况，给电力生产带来诸多的安全隐患。经过查阅设备图纸资料、咨询燃气轮机生产服务商和现场调研后，提出技术改造并实施，成功解决了#1 燃气轮机排气扩散段非金属膨胀节超温和泄漏问题，效果明显，得到企业认可。可供其他有过同类问题燃气轮机发电机组企业参考。
1 事件经过
2011 年2 月3 日，该厂#1 燃气轮机发电机组排气罩壳间排烟风机88BD 多次出现异常切换和联动的情况。随后现场测温发现燃气轮机排气扩散段非金属膨胀节表面超温，膨胀节耐温蒙皮表面最高达280 ℃，同时出现伴随机组负荷变化、88BD 风压偏低的情况。经过现场检查、判断分析，确定为扩散段出口膨胀节保温破损，烟气通过破损处向排气扩散段罩壳间内泄漏，导致罩壳内空气升温， 88BD 风机出力受限，从而造成以上状况。随后停机，安排对非金属膨胀节进行更换，同时在排气扩散段内部填充部分保温材料。燃气轮机启动后，对膨胀节表面进行连续监测，超温现象有所改善，88BD 风机风压正常。
2011 年10 月16 日，88BD 又出现风压低，A、B侧风机来回切换的现象。经过现场检查，发现膨胀节蒙皮处局部超温，同时伴有烟气向罩壳间泄漏的情况。随即，在周末停机时间，对此处膨胀节进行临时检查和处理。
2 原因分析
为了彻底消除这一设备缺陷，公司组织技术力量对此进行攻关。经过查看图纸、咨询设备生产厂和实地调研，收集了大量的资料，作出如下分析: 燃气轮机排气扩散段是燃气轮机排气缸与余热锅炉之间连接的烟气通道，外壳为碳钢结构，内部由保温层和搭接不锈钢护板组成，直径约6． 35 m，烟气最大流速约为89 m/s。因燃气轮机启动和运行时会产生轴向和径向位移，与余热锅炉连接处采用非金属膨胀节设计。
图1 排气扩散段内部结构
图1 可以看出，从非金属膨胀节和排气扩散段内部结构上看，燃气轮机排气扩散段内表面为活动式不锈钢搭接护板结构，为保证通道在高温下能自由膨胀，内部搭接护板之间没有固定，板与板之间有很大的膨胀间隙，只靠定位螺杆串接在一起。内部搭接板与外护板之间填充约150 mm 厚保温材料。每一格护板之间有焊接的固定筋板支架间隔安装( 见图2) ，保温材料分段安装。
图2 排气扩散段非金属膨胀节内部搭接护板固定筋板支架
由于发电机组为日启停机组，内部搭接护板处于长期频繁冷热变换工况。机组在运行过程中，内部搭接护板和筋板支撑容易出现受热变形，在搭接护板之间产生较大的缝隙。随着缝隙增加，高温高速的燃气轮机排气就会进入内部搭接护板下。长期吹扫造成保温材料松动、滑落，造成局部保温材料之间出现很大的空隙。随着保温材料吹散或随气流带走，当保温材料被完全掏空后，高温烟气直接接触膨胀节内表面，导致膨胀节局部超温，金属压板受热变形最终导致烟气泄漏。由于88BD 风机的作用，大量烟气会向着形成负压环境的罩壳内泄漏，导致风机负载变大，风机出力降低。最终出现风压下降、88BD 联动保护动作、88BD 风机短期相互切换等不正常运行现象。
综上所述，造成以上问题的根本原因是膨胀节内部搭接护板由于长期频繁冷热交替产生变形，导致高温高速烟气直接冲刷到非金属膨胀节处造成超温。当非金属膨胀节出现破损时，造成烟气外漏。
3 改造方案
分析以上所列的原因，厂方会同设备生产商和美国GE 公司技术人员进行技术讨论，提出改变非金属膨胀节处内部搭接板和保温材料安装结构的改造方案，从根本上解决问题。非金属膨胀节是燃气轮机排气扩散段与余热锅炉烟气通道的结合部。本次设计改造的主要目的是当内部搭接板出现较大间隙时，内部的保温措施能起到保护非金属膨胀节的作用，防止高温高速的烟气直接接触到非金属膨胀节内表面。首先将原内部筋板支撑全部拆掉，在原固定螺栓的位置与排气扩散段外壳焊接长约220 mm，直径φ = 20 mm 的L 型的螺杆( 如图3) 。将原有的保温棉全部拆除，重新安装四层保温棉，高度为150 mm( 如图4) ，其中靠近内部搭接护板的两层保温棉，分别用耐火布和不锈钢丝网包裹。随后依次安装好内部搭接护板，用螺母将其按照原样拧紧、固定，每个螺母留有足够的膨胀间隙，保证内部搭接护板能自由膨胀。按照上述方案进行实施，同时更换了部分严重变形的搭接护板，更换新的非金属膨胀节和蒙皮。对燃气轮机排气扩散段进行了全面内部检查，紧固或更换了部分损坏的紧固螺栓，消除设备内部其他缺陷，保证设备整体安全可靠。
图3 排气扩散段处新安装L 型螺杆
图4 改造后排气扩散段内部结构
4 实施效果
投运后对非金属膨胀节蒙皮表面进行测温，温度维持在80 ℃左右，88BD 风机运行正常，排气扩散段罩壳间没有高温烟气进入。2011 年11 月燃气轮机完成全部改造，截止到2014 年3 月27 日该机组累计运行29 635 h，累计启动次数1 257 次。改造后该机组已运行超过两年，运行时间超过8 381 h，启动249 次，改造部分再未发生超温和泄漏的现象。
5 结语
通过燃气轮机技术改造，很好地解决了日启停机组排气膨胀节超温和烟气泄漏问题。此项技术改
造也成功地推广到#2 机组上。通过和同类型发电企业的技术交流，了解到此类问题在同类型机组上
比较普遍，将此次成功经验向国内同类型燃气轮机发电企业进行了介绍和技术共享。