成 勛， 黃偉棟

(1. 上海電力股份有限公司 羅涇燃機(jī)發(fā)電廠， 上海 200949；2. 上海漕涇熱電有限責(zé)任公司， 上海 201507)

近年來，隨著綠色低碳戰(zhàn)略的推進(jìn)以及電力市場(chǎng)化改革的深化，給發(fā)電企業(yè)提出了新的要求，進(jìn)一步促使發(fā)電企業(yè)利用創(chuàng)新技術(shù)降低生產(chǎn)成本，提升電廠盈利能力。

GE的先進(jìn)熱通道(AGP)升級(jí)解決方案將創(chuàng)新性設(shè)計(jì)和先進(jìn)材料相結(jié)合，同時(shí)引入在航空、密封技術(shù)等領(lǐng)域的技術(shù)手段，通過改進(jìn)熱通道的冷卻和密封，提升透平進(jìn)口初溫，改善機(jī)組效率。

截至2017年11月，在運(yùn)的實(shí)施AGP升級(jí)改造項(xiàng)目的9F機(jī)組達(dá)到25臺(tái)，累計(jì)運(yùn)行小時(shí)數(shù)達(dá)15.7萬h，均實(shí)現(xiàn)了更低的燃料消耗和更長(zhǎng)的熱通道維修間隔，大幅提升燃?xì)廨啓C(jī)熱部件的壽命。

1 AGP升級(jí)改造項(xiàng)目

某電廠有2臺(tái)GE 9F.03型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境條件下的出力可達(dá)254 MW，配有余熱鍋爐和裝機(jī)容量為92 MW的抽汽式汽輪發(fā)電機(jī)，組成“一拖一”布置的聯(lián)合循環(huán)。機(jī)組于2005年投產(chǎn)，可燃用天然氣和輕油兩種燃料，于2014年和2015年先后完成2臺(tái)機(jī)組的DLN 2.6+燃燒技術(shù)改造后，僅可使用天然氣作為燃料。

近年來，機(jī)組年運(yùn)行小時(shí)數(shù)穩(wěn)定在7 000 h左右，負(fù)荷率約為90%。機(jī)組在經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷的運(yùn)行后，除輔助設(shè)備逐漸老化外，燃?xì)廨啓C(jī)本體也存在相應(yīng)的性能衰減。

2017年，鑒于機(jī)組經(jīng)濟(jì)性和可用性的整體考慮，結(jié)合高溫燃?xì)馔ǖ罊z修(HGPI)，該電廠組織實(shí)施了燃?xì)廨啓C(jī)AGP的升級(jí)改造[1-2]，改造范圍包括：

(1) 整套三級(jí)透平AGP部件。

(2) 對(duì)原有DLN2.6+部件進(jìn)行檢修間隔適應(yīng)性升級(jí)。

(3) 輔助系統(tǒng)升級(jí)：新增缸體間隙控制模塊、第9級(jí)及第13級(jí)抽氣流量控制模塊。

9F.03型燃?xì)廨啓C(jī)的AGP技術(shù)是基于7F型燃?xì)廨啓C(jī)的AGP技術(shù)，同時(shí)借鑒了9F.05型燃?xì)廨啓C(jī)的實(shí)踐驗(yàn)證轉(zhuǎn)換而來。AGP部件較傳統(tǒng)熱通道部件有了較大的改動(dòng)，包括第一級(jí)噴嘴(S1N)、第一級(jí)動(dòng)葉(S1B)、第一級(jí)護(hù)環(huán)(S1S)、第二級(jí)噴嘴(S2N)、第二級(jí)動(dòng)葉(S2B)、第二級(jí)護(hù)環(huán)(S2S)、第三級(jí)噴嘴(S3N)、第三級(jí)動(dòng)葉(S3B)、第三級(jí)護(hù)環(huán)(S3S)，圖1為各部件所在位置示意圖。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件位置示意圖

AGP部件的改動(dòng)主要體現(xiàn)在整體結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、隔熱涂層、葉片的葉型、冷卻及密封的改進(jìn)(見表1)。

表1 AGP部件的特性

1.1 透平噴嘴

透平噴嘴的作用是加快高溫氣體流速，同時(shí)引導(dǎo)氣體流向。S1N直接面對(duì)燃燒室出來的高溫、高速燃?xì)?，是透平部件中承受溫度最高、熱沖擊最大的零件。由于這些高溫、高速燃?xì)獾臏囟冉咏蛘叱^了靜葉及其周圍構(gòu)件金屬的熔點(diǎn)，噴嘴內(nèi)部和周圍必須有充分的冷卻氣流，這樣冷熱交加的環(huán)境要求噴嘴能夠承受熱應(yīng)力而不引起裂紋。同時(shí)，透平噴嘴由于兩端固定，在承受熱脹冷縮時(shí)必須保持不變形[3]。

新型S1N材料為鎳基高溫合金(EQ GTD-111)，該合金在斷裂應(yīng)力相同時(shí)所承受的溫度較之前材料提高約100 K，抗氧化性能、蠕變強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、抗熱腐蝕性、組織穩(wěn)定性均有較大提升。不僅如此，新型的S1N整體結(jié)構(gòu)由先前的兩片葉片一組的結(jié)構(gòu)改為單葉結(jié)構(gòu)(見圖2)，在提升冷卻效率的同時(shí)，降低了應(yīng)力載荷。同時(shí)在全葉身采用了垂直裂紋結(jié)構(gòu)的熱障涂層(DVC TBC)[4]。涂層上具有一定密度的垂直裂紋，可釋放熱沖擊過程中形成的熱應(yīng)力，延長(zhǎng)DVC TBC的使用壽命。

圖2 S1N示意圖

EQ R-108是GE公司為滿足S2N對(duì)蠕變強(qiáng)度有更高要求而采用的新型鎳基高溫合金。與GTD-262相比，R-108最大的改進(jìn)是蠕變性能提高了50%，持久強(qiáng)度也有提升。

新型的S3N采用的是GTD-262材料，相較先前的GTD-241從抗蠕變性能上又有一定提升。

各級(jí)噴嘴均采用等軸凝固工藝。

1.2 透平動(dòng)葉

透平動(dòng)葉是燃?xì)廨啓C(jī)最關(guān)鍵的構(gòu)件之一，是承受高溫、大應(yīng)力的重要零件。雖然承受的溫度相對(duì)于噴嘴靜葉較低，但它須要承受高離心力、振動(dòng)應(yīng)力和高溫燃?xì)獾母咚贈(zèng)_蝕[3]。AGP項(xiàng)目升級(jí)后，S1B前的燃?xì)鉁囟葘⑦_(dá)到1 343 ℃，更接近原金屬材料的熔點(diǎn)[5]，因此為了使葉片在高溫、高速旋轉(zhuǎn)條件下保持一定的強(qiáng)度，對(duì)動(dòng)葉材質(zhì)也進(jìn)行了更新和升級(jí)。同時(shí)配以新型冷卻技術(shù)和涂層保護(hù)，確保了動(dòng)葉能夠經(jīng)受住更高的初溫。

新型的透平S1B在整體結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了葉身減重、密封上采用了C形榫槽密封條；S2B的葉頂齒封改為雙層齒封，為此將葉基進(jìn)行減重，以滿足葉片整體質(zhì)量平衡。

圖3是透平動(dòng)葉結(jié)構(gòu)改進(jìn)部位示意圖。

圖3 透平動(dòng)葉結(jié)構(gòu)改進(jìn)部位

新型S1B材料為定向凝固的(DS) R-108合金，較先前DS GTD-111的使用溫度提升3.2%，持久強(qiáng)度、高溫強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、耐腐蝕度均有提升。S3B材料使用R-108代替原GTD-111。

圖4是透平動(dòng)葉和噴嘴材料斷裂應(yīng)力性能比較曲線。

圖4 透平動(dòng)葉和噴嘴材料斷裂應(yīng)力性能比較

同時(shí)，新型動(dòng)葉采用了三維氣動(dòng)設(shè)計(jì)，葉片的各個(gè)截面均按照最佳的沖角設(shè)計(jì)，使之折轉(zhuǎn)角度更大，氣動(dòng)損失更小，通流能力更強(qiáng)。S2B、S3B采用帶雙切齒的葉頂密封結(jié)構(gòu)，減少了葉頂與護(hù)環(huán)間隙，提升熱通道效率。

1.3 透平護(hù)環(huán)

透平護(hù)環(huán)位于燃?xì)廨啓C(jī)透平兩級(jí)噴嘴之間動(dòng)葉頂部的位置。護(hù)環(huán)的作用是減少葉頂間隙，并在高溫燃?xì)馀c溫度相對(duì)較低的缸體之間進(jìn)行隔熱，以達(dá)到減少透平氣缸所受的熱膨脹和熱應(yīng)力[6]。

新型S1S采用可磨涂層的表面結(jié)構(gòu)，不再采用上一代平滑的表面設(shè)計(jì)，而是帶有特殊的紋路。透平動(dòng)葉與護(hù)環(huán)的接觸面將僅限于凸出的表面花紋，在減少了涂層磨損量的同時(shí)，也避免了因?yàn)閮烧叩慕佑|對(duì)動(dòng)葉造成損傷。另外，這種涂層設(shè)計(jì)可減少動(dòng)葉與護(hù)環(huán)間隙；同時(shí)，也使在動(dòng)葉劃過護(hù)環(huán)的過程中，在護(hù)環(huán)間隙產(chǎn)生氣動(dòng)阻力，減少二次流的損失[6]。圖5是S1B與S1S示意圖。

圖5 S1B與S1S示意圖

此外，新型S1S在整體結(jié)構(gòu)上還增大了噴嘴掛鉤導(dǎo)角，以減少應(yīng)力，降低風(fēng)險(xiǎn)。圖6是S1S結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 S1S結(jié)構(gòu)示意圖

為配合S2B、S3B葉頂帶雙切齒的葉頂密封，其護(hù)環(huán)也采用了帶雙切齒蜂窩密峰結(jié)構(gòu)，以減小動(dòng)葉頂部的漏氣損失，提高效率。圖7是S2B與S2S示意圖。

圖7 S2B與S2S示意圖

1.4 DLN 2.6+部件適應(yīng)性升級(jí)

燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)的三大核心部件之一，是整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)承受溫度最高的部件，其工作環(huán)境非常惡劣。在燃?xì)廨啓C(jī)工作時(shí)為了使火焰筒和過渡段保持筒體的強(qiáng)度，其周圍必須有強(qiáng)大的冷卻氣體回流，同時(shí)筒體內(nèi)壁采用熱障涂層(TBC)加以保護(hù)， 使得火焰筒和過渡段處于安全的使用溫度范圍內(nèi)。為具有良好的傳熱和冷卻性能，燃燒筒和過渡段筒體必須薄，而且筒壁上須要留出大大小小許多的孔洞和縫隙。為承受必需的載荷，筒體又必須具有足夠高的剛度和強(qiáng)度。

通常，9F.03型燃?xì)廨啓C(jī)配備的DLN 2.6+燃燒室檢修間隔為24 000 h，此次也對(duì)DLN 2.6+相關(guān)部件進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)，主要包括材料和冷卻性能方面，以匹配AGP升級(jí)后的32 000 h的檢修間隔和更高的燃燒初溫(AGP改造后S1B前的燃?xì)鉁囟燃s提升27 K)。

升級(jí)中,除了燃料噴嘴端蓋(CAP)、導(dǎo)流襯套、燃燒室的前/后缸繼續(xù)使用以外，其他零部件都進(jìn)行了更換。

在更換的零部件中，CAP的冷卻方式修改為軸向冷卻，并對(duì)彈性密封進(jìn)行升級(jí)；對(duì)燃料噴嘴的空氣進(jìn)口流量調(diào)節(jié)器部件的材質(zhì)和進(jìn)氣孔進(jìn)行升級(jí)；過渡段尾部框架外表面增加TBC；同時(shí)更換了新型火花塞和聯(lián)焰管。圖8、圖9是燃料噴嘴空氣進(jìn)口流量調(diào)節(jié)器(IFC)部件升級(jí)示意圖。

圖8 燃料噴嘴示意圖

圖9 燃料噴嘴IFC升級(jí)部件示意圖

1.5 氣缸溫度控制單元

氣缸溫度控制(CTM)單元是在透平氣缸處布置吹掃空氣以降低和控制第一級(jí)處的氣缸溫度，縮小S1B與S1S之間的間隙，降低葉頂漏氣量，提高通流效率；同時(shí)，CTM單元還具有降低缸體橢圓度的作用。一般，該模塊在機(jī)組負(fù)荷率高于60%時(shí)投用。根據(jù)設(shè)計(jì)，在基本負(fù)荷時(shí)，CTM單元對(duì)機(jī)組效率的提升約為0.3百分點(diǎn)。

該模塊主要由風(fēng)機(jī)模塊、氣缸冷卻空氣噴嘴和測(cè)溫?zé)犭娕既糠纸M成。

1.5.1 風(fēng)機(jī)模塊

模塊置于燃?xì)廨啓C(jī)隔音罩旁，配置了1臺(tái)離心風(fēng)機(jī)、進(jìn)氣過濾器、出口風(fēng)量調(diào)節(jié)擋板及相關(guān)測(cè)溫元件。

1.5.2 缸體冷卻空氣噴嘴

在透平氣缸第一級(jí)的周向布置了8組冷卻空氣噴嘴，在缸體上打孔后，將熱電偶穿入專用接頭并固定在缸體表面。每個(gè)冷卻空氣噴嘴包括進(jìn)氣管、噴嘴組件和調(diào)平螺栓。在噴嘴組件的內(nèi)側(cè)表面，均勻布滿了冷卻空氣小孔，以保證冷卻空氣在吹向缸體表面時(shí)的均勻性。噴嘴組件呈與缸體外沿形狀相匹配的弧形，配合調(diào)平螺栓，確保噴嘴與缸體之間的間隙均勻，且處在可控的范圍內(nèi)。

圖10是氣缸冷卻噴嘴安裝位置示意圖。

圖10 氣缸冷卻空氣噴嘴安裝位置示意圖

圖11是冷卻空氣噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖。

圖11 冷卻空氣噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖

1.5.3 缸體熱電偶

在透平氣缸上新安裝了深度不同的16支熱電偶，其中12支插入深度較深(接近S1S處溫度)，4支插入深度較淺(接近缸體表面溫度)。

這些元件用來監(jiān)測(cè)缸體溫度和CTM投入時(shí)的缸體溫度梯度。配合相關(guān)的Mark VIe邏輯，以達(dá)到控制S1S與動(dòng)葉葉頂間隙的目的。

自2008年以來，已有超過50臺(tái)GE 9F 機(jī)組和75臺(tái)7F機(jī)組裝備了CTM單元，且使用至今，沒有發(fā)現(xiàn)透平氣缸裂紋或變形的情況。CTM已經(jīng)成為配合AGP升級(jí)改造的成熟技術(shù)。

1.6 壓氣機(jī)9/13級(jí)抽氣流量控制單元

來自9F.05型燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)的壓氣機(jī)第9級(jí)及第13級(jí)抽氣流量控制(EFM)單元主要是在壓氣機(jī)第9級(jí)和第13級(jí)抽氣管路上各安裝4個(gè)流量調(diào)節(jié)閥和壓力變送器，以精確控制進(jìn)入透平S2N、S3N的冷卻空氣流量，達(dá)到在部分負(fù)荷下提升燃?xì)廨啓C(jī)的效率和改善滿足排放限值的最低負(fù)荷能力的作用。

改造前，來自壓氣機(jī)第9級(jí)和第13級(jí)的冷卻空氣流量是根據(jù)極限工況設(shè)計(jì)，并安裝匹配的流量孔板以達(dá)到設(shè)計(jì)效果，冷卻空氣流量不能實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。改造后，在燃?xì)廨啓C(jī)大部分負(fù)荷工況下，EFM單元將根據(jù)實(shí)時(shí)的負(fù)荷和通往噴嘴處的壓力數(shù)值，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)流量調(diào)節(jié)閥開度，在保證透平噴嘴冷卻量充足的前提下，減少從壓氣機(jī)抽出的冷卻空氣流量，達(dá)到提升燃?xì)廨啓C(jī)效率的目的[7]。

圖12、圖13分別是改造前后EFM單元系統(tǒng)示意圖。

圖12 改造前EFM單元系統(tǒng)示意圖

圖13 改造后EFM單元系統(tǒng)示意圖

在機(jī)組啟動(dòng)點(diǎn)火前，第9級(jí)和第13級(jí)調(diào)節(jié)閥保持最小開度位置(開度約35%)，點(diǎn)火成功后的低負(fù)荷階段，調(diào)節(jié)閥開至最大，由此增加了透平冷卻空氣的流量，壓氣機(jī)排至燃燒室的空氣流量減少。由此提升了燃燒溫度，實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)在更低負(fù)荷下控制一氧化碳和確保低氮氧化物排放下的燃燒穩(wěn)定性[8]，改善了滿足排放限值的最低負(fù)荷的范圍。

2 AGP升級(jí)改造的效果

2.1 性能提升

改造前后機(jī)組在部分負(fù)荷(80%負(fù)荷以上)與基本負(fù)荷(100%負(fù)荷)工況下均進(jìn)行了性能試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果折算為標(biāo)準(zhǔn)條件下的數(shù)值。試驗(yàn)結(jié)果表明：改造后燃?xì)廨啓C(jī)基本負(fù)荷的出力提升；各負(fù)荷率(負(fù)荷率=負(fù)荷值/基本負(fù)荷)下的熱耗率均下降。

燃?xì)廨啓C(jī)基本負(fù)荷的出力提高了15 200 kW，增幅達(dá)5.8%。

改造前后各負(fù)荷率下的熱耗率變化情況見圖14；表2為熱耗率改善的具體數(shù)據(jù)。

圖14 改造前后各負(fù)荷工況下的熱耗率

負(fù)荷率/%熱耗率差值/(kJ·kW-1·h-1) 熱耗率下降百分比/%100262.132.6795223.272.2690259.902.6085319.023.1280347.643.37

根據(jù)2016年該燃?xì)廨啓C(jī)在各負(fù)荷段的發(fā)電量分布情況估算，機(jī)組改造后年可節(jié)約的標(biāo)煤量超過13 500 t。

與該臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)時(shí)的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比，AGP改造后，基本負(fù)荷下的熱耗率減少了268.33 kJ/(kW·h),下降2.73%?？梢夾GP改造對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的提升是比較可觀的。

2.2 檢修間隔和部件壽命延長(zhǎng)

機(jī)組本體檢修間隔延長(zhǎng)的情況見表3。

表3 熱通道改造前后檢修間隔對(duì)比

燃?xì)廨啓C(jī)熱通道部件壽命延長(zhǎng)情況見表4。

表4 熱通道部件改造前后壽命對(duì)比

3 結(jié)語

9F.03型燃?xì)廨啓C(jī)經(jīng)過AGP部件升級(jí)改造，使用了AGP部件、CTM單元及EFM單元等輔助模塊，有效提高了機(jī)組的可用率和安全性，提高了機(jī)組的出力和效率，延長(zhǎng)了機(jī)組的檢修間隔和部件的使用年限。不僅降低了發(fā)電成本，同時(shí)也增加了燃?xì)廨啓C(jī)的最大出力，切實(shí)達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。