孫 魏， 奚新國(guó)， 陰海強(qiáng)， 劉家澍， 曹殿堯

(華能南京燃機(jī)電廠, 南京 210034)

1 系統(tǒng)概述

燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行時(shí)，大氣中的空氣被吸入壓氣機(jī)中壓縮至一定壓力，溫度相應(yīng)升高，然后被送入燃燒室，與噴入的天然氣在一定的壓力下混合燃燒后產(chǎn)生高溫燃?xì)?，流入燃?xì)廨啓C(jī)透平中膨脹作功，做功后的尾氣進(jìn)入余熱鍋爐與蒸汽換熱，最終排入大氣。其中，燃燒后通過透平第一級(jí)噴嘴的燃?xì)鉁囟确Q為燃燒參考溫度，是燃?xì)廨啓C(jī)燃燒方式切換、燃料/空氣配比控制、防透平超溫控制的重要參數(shù)，也是判斷熱通道部件故障損壞的重要依據(jù)。由于在實(shí)際運(yùn)行中無法對(duì)其進(jìn)行直接監(jiān)測(cè)，因此只能通過測(cè)量燃機(jī)排氣溫度的方法來間接測(cè)算[1]。排氣熱電偶是燃?xì)廨啓C(jī)的重要控制和保護(hù)元件，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)及排氣熱電偶安裝位置如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)圖

本廠燃機(jī)為GE公司設(shè)計(jì)的MS9001FA系列PG9351FA重型、單軸燃?xì)廨啓C(jī)，燃燒參考溫度可達(dá)1 327 ℃[2]，在燃機(jī)排氣擴(kuò)壓段圓周上均勻安裝有31個(gè)鉻鎳合金(K型)熱電偶，從逆氣流方向看為順時(shí)針排列，如圖2所示。熱電偶元件結(jié)構(gòu)及安裝示意圖如圖3所示。

圖2 擴(kuò)壓段排氣熱電偶分布圖

圖3 排氣熱電偶元件圖

2 存在問題

2.1 元件端部振動(dòng)磨損現(xiàn)象突出

PG9351FA燃機(jī)排氣溫度元件沿排氣擴(kuò)壓段圓周徑向安裝(如圖1、圖2所示)。燃機(jī)運(yùn)行時(shí)，排氣擴(kuò)壓段的高溫燃?xì)鈱?duì)溫度元件端部產(chǎn)生垂直沖刷，且原設(shè)計(jì)的溫度元件防磨套管內(nèi)壁與元件存在一定間隙，高溫氣流的沖擊和燃機(jī)本體振動(dòng)導(dǎo)致元件端部與套管端部?jī)?nèi)壁產(chǎn)生碰磨，造成元件損壞[3]。

2.2 元件補(bǔ)償導(dǎo)線接線柱易斷裂

如圖3所示，熱電偶元件通過接線柱上的并帽螺栓與補(bǔ)償導(dǎo)線連接。為了防止燃機(jī)本體振動(dòng)導(dǎo)致接線松脫，通常在擰緊并帽時(shí)留有預(yù)緊力，接線柱存在一定冷態(tài)應(yīng)力，加之9F機(jī)組調(diào)峰啟停頻繁，溫度元件安裝位置(機(jī)組排氣擴(kuò)壓段)的金屬溫度在環(huán)境溫度至200 ℃之間頻繁變化，尤其是啟停機(jī)階段，溫度升降劇烈，且伴隨擴(kuò)壓段振動(dòng)，元件接線柱處的應(yīng)力積聚，時(shí)常造成接線柱斷裂。

2.3 原有穿線管有待改進(jìn)

由于31支元件沿排氣擴(kuò)壓段圓周分布，補(bǔ)償導(dǎo)線走線管也沿排氣擴(kuò)壓段圓周狀安裝，補(bǔ)償導(dǎo)線通過走線管統(tǒng)一接至下方接線端子箱。但原設(shè)計(jì)走線管采用封閉式鍍鋅管，由于機(jī)組運(yùn)行中此處振動(dòng)較大，補(bǔ)償導(dǎo)線在彎轉(zhuǎn)處存在碰磨的現(xiàn)象，且更換補(bǔ)償導(dǎo)線較為不便。

2.4 進(jìn)口元件價(jià)格昂貴

原設(shè)計(jì)溫度元件為進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格較高，且配套補(bǔ)償導(dǎo)線也是價(jià)格不菲。2臺(tái)9F機(jī)組年均更換元件約12支，每年購買備件成本約為8萬元，較為昂貴。

3 解決思路和對(duì)策

3.1 采用一體化設(shè)計(jì)的國(guó)產(chǎn)替代元件

綜上分析，減少機(jī)組運(yùn)行中元件的振動(dòng)是降低碰磨損壞率的關(guān)鍵。經(jīng)過對(duì)元件安裝位置和防磨套管的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)繪，為我廠9F燃機(jī)量身定制了一款排氣溫度測(cè)量元件。元件型號(hào)DHT-01，分度號(hào)K，量程0～800 ℃，全程段Ⅰ級(jí)精度，響應(yīng)時(shí)間0.5τ(溫度出現(xiàn)階躍變化時(shí)，熱電偶輸出變化至相當(dāng)于階躍變化的50%所需時(shí)間)<1.2 s，絕緣強(qiáng)度>1 000 MΩ(500 V)。鎧裝材質(zhì)使用Inconel 600，鎳鉻含量高，在高溫下能夠長(zhǎng)時(shí)間使用，能更好地保護(hù)熱電偶元件，使排氣熱電偶的使用壽命達(dá)兩年以上。采用測(cè)溫元件與補(bǔ)償導(dǎo)線一體化設(shè)計(jì)，避免了緊固螺栓對(duì)接線柱的應(yīng)力損傷，也不再須要單獨(dú)采購補(bǔ)償導(dǎo)線。元件結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)如圖4所示。

圖4 國(guó)產(chǎn)化溫度元件結(jié)構(gòu)圖

3.2 元件端部加裝抗振耐磨頭

如圖5所示，在元件套管前端，用鉆頭擴(kuò)孔，將原來用于穿插溫度元件的孔徑擴(kuò)為Φ10 mm，塞入抗振耐磨頭并在端部焊接固定。耐磨頭結(jié)構(gòu)尺寸如圖6所示，長(zhǎng)度16 mm、外徑Φ10 mm的中空?qǐng)A柱體，空腔為“啞鈴”狀，中間段長(zhǎng)度2.5 mm，為箍定溫度元件的部位，元件端部直徑Φ2.5 mm，考慮到元件熱膨脹，將箍定部分的內(nèi)徑設(shè)計(jì)為Φ4.5 mm，為便于安裝，箍定部分端部設(shè)計(jì)有45°導(dǎo)角，即C1。耐磨頭實(shí)物如圖7所示。

圖5 耐磨頭安裝圖

圖6 耐磨頭結(jié)構(gòu)圖

(a) 側(cè)面

3.3 采用開放式電纜橋架

溫度元件補(bǔ)償導(dǎo)線原先敷設(shè)在與擴(kuò)壓段平行的環(huán)狀鍍鋅管內(nèi)，并統(tǒng)一匯至下方的轉(zhuǎn)接端子箱，由于振動(dòng)的影響，在鍍鋅管的轉(zhuǎn)角或接頭處，存在補(bǔ)償導(dǎo)線磨損現(xiàn)象，且更換補(bǔ)償導(dǎo)線非常不便，故取消封閉走線管，改為鏤空(花籃)橋架,極大方便了補(bǔ)償導(dǎo)線的檢查與更換。

3.4 整治溫度元件安裝處保溫

排氣擴(kuò)壓段外圍整體由保溫棉和鐵皮包裹， 但溫度元件安裝處的保溫棉為裸露狀態(tài)，尤其是圓周下部的元件處，存在保溫棉松垮、脫落現(xiàn)象，擴(kuò)壓段熱量外散，元件長(zhǎng)期處于高溫下，加速了元件老損。利用停機(jī)，檢查填補(bǔ)保溫棉，確保元件安裝處無局部高溫[4]。

4 改造后效果分析

國(guó)產(chǎn)化定制一體化溫度元件，自帶補(bǔ)償導(dǎo)線，價(jià)格為原先進(jìn)口件的50%。由于加裝了抗振耐磨頭，平均使用壽命由1年延長(zhǎng)至2年，每年節(jié)約成本75%。由于優(yōu)化后耐磨性能的增強(qiáng)，元件故障率由年均7%下降至3%。

5 結(jié)論

高溫、振動(dòng)環(huán)境下的溫度元件由于應(yīng)力、碰磨，故障率較高，經(jīng)過比對(duì)總結(jié)，找到經(jīng)常性故障的源頭，從元件選型、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、安裝配件、安裝環(huán)境等方面采取針對(duì)性的改進(jìn)措施，可以大幅降低元件故障率，保障燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的安全穩(wěn)定，同時(shí)降低了維護(hù)成本。除了GE公司的同類型機(jī)組，西門子、三菱公司的燃?xì)廨啓C(jī)，其擴(kuò)壓段周向安裝的溫度元件均直面高溫燃?xì)鉀_刷，存在振動(dòng)大、易磨損的問題，均可以參考本文提出的優(yōu)化方案。