（广东惠州天然气发电有限公司 广东惠州 516000）
摘要：M701F3型燃机转子冷却空气系统是燃机冷却系统的重要组成部分，转子冷却空气系统产生锈蚀物堵塞透平的冷却孔，使透平冷却环境恶化甚至使叶片超温烧损，严重影响燃机的安全，并导致燃机寿命缩短。本文通过分析我厂转子冷却空气系统锈蚀物产生的原因，探讨有效的防锈措施，对于保障机组的安全经济运行和延长机组使用寿命具有重要作用。
关键词：M701F3燃气轮机；转子冷却空气；叶片损伤；锈蚀物；
一、我厂M701F3燃机转子冷却系统锈蚀情况介绍
（一）我厂某燃机的运行现状
根据三菱的设计以及F型机组多年的运行经验，M701F3型燃气轮机的第一级透平动静叶片的预期使用寿命是50000EOH（1）或者1800次启动，以先到者为准。我厂#3机组于2007年投产，正常运行方式为两班制运行，承担调峰调频任务。#3机组检修时EOH（1）为29554，使用寿命仅为预期寿命的59%，多达50片透平叶片提前报废，造成较大的经济损失。
（二）我厂某次检修燃机锈蚀情况
我厂某次检修，燃机解体后发现一级动叶、转子轮盘及TCA管道都有不同程度的锈蚀物堆积，其中一级动叶有较多叶片前缘发生不同程度的烧损现象，情况严重。
（1）一级动叶内外部锈蚀损坏情况
（3）RCA管内部积水生锈现象（见图4）
二、我厂M701F3燃机转子冷却系统锈蚀原因分析
（一）锈蚀堆积物来源分析
经检测，我厂M701F3燃机转子冷却系统锈蚀堆积物主要成分为Fe2O3（即铁锈）。因T1S（透平一级动叶）为合金材质，所以排除叶片本身生锈可能。再考虑到T1S冷却方式设计，可判断叶顶冷却通道内部大量铁锈堆积物应由外部导入，然铁锈究竟从何而来？
1、由叶片外部冷却孔流入
燃机内部如缸体、压气机静叶持环、透平静叶环、各种螺栓及支撑架等零部件长时间运行，均会产生浮锈。在机组停运吹扫时，浮锈是完全有可能从叶片外部冷却孔冷却吹入内部冷却通道的，但是，因为浮锈均较细微，且由于机组正常运行时叶片内部冷却空气压力要大于燃烧室天然气与空气燃烧后烟气压力以形成冷却气膜，因此，吹入的浮锈也会正常吹出冷却孔。所以，外部浮锈通过叶片冷却孔吹入叶片内部冷却通道以形成堆积物的可能性较低。
2、由TCA系统流入
由TCA系统流程可知，透平冷却空气（TCA）自压气机出口且由燃兼压缸处抽出，通过冷却器及分离器后，变成转子冷却空气（RCA）流进透平转子空腔，并逐级流向透平#1~#4级#1~#3片动叶，自叶根流入，从动叶片的每个独特冷却孔流出。若TCA管道内部出现锈蚀，则完全是有可能通过RCA管及转子轮盘中间轴密封处吹入T1S内部冷却通道的。
3、锈蚀堆积物来源确认
TCA管道自燃兼压缸出口至冷却器管道材质为P22，冷却器后管道为20G。由材质化学成分可知，两种管材如置于潮湿空气中，都是较易生锈的。针对TCA系统管道布置，某次对其内壁进行了逐一检查。
发现：（1）TCA分离器入口前管道清洁度较好，只是覆盖有轻微浅红色氧化层，且未有明显起皮、结渣等现象；分离器主体-百叶窗检查情况良好，未发现破损及脏污堆积现象。
（2）RCA管道明显结有一层灰黑色、约0.20mm厚度的锈垢，锈垢面积约占管道内壁1/4~1/2、且均匀覆盖在分离器后整个管道（如图5、图6所示）。
（3）TCA旁路阀管道检查，发现疏水口位置内壁覆有大量暗红色、松散状锈皮。
由以上分析及检查结果基本可以确定：转子冷却空气系统的锈蚀物由TCA管道而来。
（二）TCA管道锈蚀物形成原因分析
1、为了分析TCA锈蚀物形成原因，相关技术部门做了以下分析试验：
（1）对TCA管道进行检查，着重对于TCA惯性分离器后面管道进行检查，发现TCA惯性分离器后管道存在大量的锈蚀物。
（2）保持TCA旁路阀一定开度，在机组启动过程中检查疏水情况，发现积水现象有所改善。
（3）冷态启动前，打开TCA惯性分离器底部疏水阀和TCA出口管道疏水阀和TCA旁路管道疏水阀，发现TCA惯性分离器底部疏水阀有水流出，旁路管道疏水阀也有少许水出，TCA出口疏水阀几乎没有水。分析得出可能原因是机组停运时间较长后，管道内的空气结露，由于TCA惯性分离器处于最低点，所以水分汇集在分离器底部，在气流的带动下水分就会带入到惯性分离器后面管道中造成后面管道的生锈。
（4）在非热态启机过程中，打开TCA惯性分离器底部疏水阀和TCA出口管道疏水阀和TCA旁路管道疏水阀，观察启动过程中的疏水阀疏水情况。发现在机组转速在1700rpm-1900rpm过程中，有大量水分流出。分析原因是启动过程中，转子冷却空气系统内压力在1700rpm-1900rpm过程中低于空气露点温度，导致空气凝露积水。
（5）在热态启动过程中观察疏水阀的疏水情况，发现热态启动过程中转子冷却空气管道不存在积水现象。
（6）由于转子冷却空气管道的温度在起动的过程中会存在一个先下降后上升的过程，所以TCA的风扇在启动过程待RCA温度大于95度且处于稳定上升的过程中再起动TCA冷却风扇，从而减少RCA温度低于空气露点温度的时间，从而减少凝露。
以上是就本次检修发现的TCA系统出现锈蚀现象所做的分析试验，通过以上分析管道内的锈蚀物产生的原因就是管道出现了积水现象，由于积水不能及时排掉，导致管道生锈被带入到转子冷却系统中。
2、锈蚀物产生的原理分析
（1）压气机离线水洗时，部分积垢物随高速气流流到转子冷却空气系统，水洗结束后，在转子冷却空气的低洼处堆积。若疏水不充分，沉积物和水分就会堆积在管道或者阀门处。
（2）由于厂址位于石化区，空气中酸性较高，靠近海边，空气的湿度比较大。当酸性沉积物遇冷凝水时，将对碳钢和低合金钢等材质管道产生腐蚀。
（3）由于南方天气气温较高，转子冷却空气冷却器旁路阀经常开度很小，甚至全关状态，旁路没有空气流通，不能把沉积物和水分带到惯性过滤器，旁路管道处于封闭状态。这导致了沉积物和水分更加容易在旁路阀处形成堆积和增大。
（4）大气中酸性气体含量相对较高，其中以S的氧化物和N的氧化物为主，加快TCA管道腐蚀。大气有较多悬浮物（据查PM2.5最高也能达到61µg/m³），导致压气机叶片和转子冷却空气管道的沉积物较多，为水分残留和管道腐蚀提供载体，加速管道锈蚀腐蚀。
（5）机组热态起动时，转子冷却空气的温度从高于100℃，经过机组升速，吹扫，点火，暖机升速等阶段，会降到50℃左右。转子冷却空气管道温度从100℃降到50℃，再重新回到100℃的过程大概需要20min，在这过程中，空气会发生结露。
（6）转子冷却空气过滤器采用惯性分离器。此类过滤器只能过滤掉相对较大的固体颗粒，不能过滤掉较小的颗粒。因此容易使微小颗粒进入到透平中，堵塞冷却孔。
（7）管道过滤器采用材质耐腐蚀性能不好，在酸性的环境下导致刚材质出现腐蚀生锈现象。
三、转子冷却空气系统锈蚀应对措施
（一）升级TCA管道材料。我厂对转子冷却空气管道的材质进行改造，将转子冷却空气管道改造成不锈钢材质，从源头上有效的防止锈蚀物的产生。
（二）改进压气机进口滤网减少燃机水洗次数。压气机进口滤网分为一级过滤器和二级过滤器。也叫做中效过滤器和高效过滤器，改进的过滤器的过滤面积有了大幅度的增加，过滤效率有较大提升，减少了燃机水洗的次数，从而减少了水洗对转子冷却空气系统的腐蚀。
（三）适时切换TCA分离器排污阀。机组停运48小时或者离线水洗后，为防止管道内的锈蚀物进入到燃气轮机转子内部堵塞冷却通道，在机组启动前，打开TCA分离器排污切换试验一次阀和TCA分离器排污切换试验二次阀，关闭TCA分离器排污阀，从而将可能产生的锈蚀物直接排到燃气轮机的排气段。
图14—转子冷却空气系统改造示意图
（四）优化TCA疏水系统，适时开启疏水阀排尽积水。为了防止机组停运后和机组启动的过程中因为转子冷却空气管道内温度下降，导致空气结露出现冷凝水积聚，在机组停运和启动过程中打开TCA出口管道的疏水阀和TCA分离器疏水阀，将转子冷却空气管道内可能产生的冷凝水及时的排掉。改造如下图所示
（五）取消TCA旁路阀或者保持旁路流通以防旁路积水锈蚀。
（六）增设TCA干燥机。停机后，往TCA分离器后的管道处通入一股干燥的压缩空气进行吹扫，从而将可以降低转子冷却空气管道停机后的湿度，防止锈蚀物的产生。
（七）定期对转子冷却空气管道进行清扫，及时的将管道里面的锈蚀物和积水等清扫干净，防止沉积物不断的累积。转子轮盘内部清理利用机组M类检修机会，对转子轮盘进行干冰除锈清理。
（八）优化TCA风扇控制逻辑。为防止空气结露，TCA风机在转子冷却空气温度较低时不启动，待高于一定值后才启动，措施执行后空气结露积水明显变少。
四、总结
据调查，广东省境内同期投产的9台M701F3型燃机转子冷却空气系统均有不同程度的堵塞和叶片损伤。根据检修标准，一级动叶在T检期间方需开缸对其进行检查，但该型燃机运行一个M检周期内，却频繁在C检期间即发现一级动叶叶顶前缘烧损，由此不得不扩大检修级别，导致较多人力物力财力损失。很多烧损叶片拆下后使用不到一般设计寿命即报废，严重影响机组的安全经济运行和设备的寿命。
本文通过分析转子冷却空气系统锈蚀物产生的原因，总结出升级管道材质、优化疏水方式、优化TCA风机运行方式、设置干燥机等十项应对措施，对防止冷却空气系统锈蚀及堵塞冷却通道起到重要作用，该措施大部分在我厂得到落实，效果明显，措施有效可行，完全值得推广。
论文作者:柯涛
论文发表刊物:《河南电力》2018年2期
论文发表时间:2018/6/11
标签：转子论文; 管道论文; 锈蚀论文; 空气论文; 机组论文; 旁路论文; 叶片论文; 《河南电力》2018年2期论文;