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摘要： 排气温度是燃气轮机燃烧控制和主机保护的关键参数之一;因排气温度故障而导致的机组主保护动作会带来不必要的经济损失。由于在首次安裝和历次维护过程中对排气热电偶装复及其周围保温层敷设的细节把关不严谨，自我厂#1燃机投产以来，发生了数起因个别排气热电偶故障危及机组稳定运行的事件，并造成了大量排气热电偶及其预制补偿电缆报废。严格按照排气热电偶设备及排气扩压段保温层安装规范及美国通用公司的相关技术通告要求进行整改才得以解决。本文通过生产现场的故障分析、整改、对比、改进等方面入手来提供几种故障分析方法以及解决方法。
Abstract： Exhaust gas temperature is one of the key parameters of gas turbine combustion control and main engine protection; the main protection action of the unit caused by exhaust gas temperature failure will bring unnecessary economic losses. Due to the lack of strict control over the details of the installation of the exhaust thermocouple and the laying of the surrounding insulation layer during the first installation and previous maintenance， since the start of production of the #1 gas turbine in my own factory， several reasons have occurred due to the failure of individual exhaust thermocouples， which endangered the stability of the unit. Operational incidents， and caused a large number of exhaust thermocouples and their prefabricated compensation cables to be scrapped. The solution can only be solved by strictly following the installation specifications of the exhaust thermocouple equipment and the insulation layer of the exhaust diffuser section and the relevant technical notices of the General Motors Corporation of the United States. This article provides several failure analysis methods and solutions through the failure analysis， rectification， comparison， improvement and other aspects of the production site.
关键词： 燃气轮机;排气热电偶;保温;故障;分析;处理
Key words： gas turbine;exhaust thermocouple;heat preservation;failure;analysis;treatment
中图分类号：TK479+.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0158-04
0 引言
国家电投珠海横琴热电有限公司两台燃气轮机为GE公司生产的PG9351FA机型，采用目前更先进的DLN2.6+技术和MarkVIe控制系统，同时引入数学模型控制机制，具有将更加先进的氮氧化物排放控制策略，并在不同季节具备宽动态自动燃烧调整适应能力。控制策略的智能化对测控设备的可靠性和稳定性提出了更高的要求，公司自2014年投产以来，排气热电偶烧损2～3支/月，专用电缆2～3根/月，1号机组于2019年2月20日至3月20进行了第一次中修，换下排气热电偶10支，专用电缆8根，2号机组于2020年3月16日至2020年4月26日进行了第一次中修，换下排气热电偶16支，专用电缆16根，累计烧损排气热电偶元件59支，专用电缆57根，直接经济损失近88万元;投产不足6年，单一设备非正常消耗巨大，作为现场难题，亟待找出原因，拿出解决方案，及时止损。
1 概况
GE公司生产的PG9351FA型燃气轮机在排气扩压段后通道内，沿着周向布置了31支热电偶。
燃气轮机控制系统通过排气热电偶的测量值进行燃烧分散度监测，该算法使用最大压气机排气温度CTDA、透平排气温度平均值TTXM以及不同机型的控制常数TTKSPL5来计算排气分散度允许范围。 排期分散度=（0.145 TTXM-0.08*CTDA+TTKSPL5）
对于F级及以上机型，TTXSPL在50℉至170℉之间。其中TTKSPL5=60°F。
当燃烧分散度超过特定情况下的允许值一定时间时，通过对应情况下的不同保护机制来实现对燃机热通道的快速保护;当排气热电偶测量温度发生大幅变化或者排气热电偶故障时，保护机制如表1。
1.1 排气扩压段系统
排气扩压段是燃气轮机排气框架和余热锅炉连接的部分，一方面要将燃气轮机排气高效、均匀地扩散到锅炉，另一方面要为排气热电偶提供一个可靠、均匀、稳固的安装框架;虽然结构简单，但长期工作在高温、高应变环境下，其机构可靠性和保温效果就显得尤为重要了。
如图1所示，排气扩压段由内套筒、外套筒和支架组成，31支排气热电偶套管安装在外套筒支架前，延圆周向均匀布置，其中套筒外热电偶套管长146.6mm，保温厚度152.4mm，略高于套管，如图2所示。
1.2 故障概况
两台机组排气热电偶烧损情况见表2。
用统计图表示2015年5月至2020年3月期间排气热电偶的烧损情况，如图3所示。
用统计图表示2015年5月至2020年3月期间不同区域排气热电偶的烧损情况，如图4所示。
从表2，图3和图4中可以看出，排气扩压段左下部、右下部以及下部排气热电偶的烧损情况最严重;其中左下部9支、右下部9支，下部26支。
通过图表统计可以得出的结论是：排气框架下部的热电偶出现损坏的概率要远高于顶部的热电偶。
通过对现场设备检查，发现排气框架下的保温外壳有明显脱离本体的情况，如图5所示。
劣化的保温外壳明显已经将热电偶套管和热电偶航空插头包裹进保温中，导致热电偶航空插头无法散热，通过测温贴纸测试得知，热电偶航空插头处的温度超过300℃，导致设备在远高于其所能承受的使用温度（120℃）下运行，加速了设备损坏。排气框架的保温已经出现了内部空鼓的情况，这也是导致高温辐射超过300℃主要原因之一。通过对热电偶专用电缆烧损情况照片的对比，也不难发现，热电偶电缆在极限高温环境中无法保持其结构稳定性和良好的电气性能。如图6所示，正常的电缆插头内绝缘子完整，高温烧损后的电缆插头，绝缘子完全烧毁，烧穿;插头的插针烧损后脱落出来，尾部的绝缘外皮已经碳化变脆，随时有断裂的风险;烧损后的热电偶元件插座内原有的红色绝缘密封材料全部碳化脱落。新元件内有红色绝缘底座及密封胶圈保护热电偶元件插座有良好的电气性能和抗氧化能力。
1.3 有限延长热电偶使用寿命的方案
基于设备损坏情况初步检查，在不具备大规模保温施工的情况下，只能对局部保温进行有限的恢复，在遵从设备供应商原有设计的基础上进行恢复。
同时引入临时冷却风，降低其环境温度，但这个方法只能有限延长热电偶使用寿命，如图7所示。
2 排气热电偶烧损原因分析
2.1 排气热电偶质量性能的影响
横琴热电使用的排气热电偶均为GE公司原厂供配，其温度响应指标高于200ms，端部均进行了硬化和耐磨损涂层处理，具有优良的温度响应能力，可以在200ms内快速响应温度变化趋势。通过历次检修记录统计，除高温烧损的排气热电偶以外，未出现过因热电偶质量问题导致的异常。因此，热电偶的质量性能与热电偶烧损无直接关系，并非热电偶烧损的诱因。
2.2 保温层安装工艺的影响
GE原始保温层设计为三层，每层2英寸厚，共计6英寸厚。通过对燃机排气扩压段顶部测温，未发现超温部分;结合顶部排气热电偶烧损情况统计结果，可以得出保温层设计厚度可以满足保温要求的结论。但是对底部保温测厚时发现，探针的插入深度已经远远超过了6英寸（150mm），最深处已经达到了300mm，通过检查发现保温棉已经脱离了排气缸体，仅由外部装饰铁皮承载脱落保温棉。对脱落保温的区域进行测温，发现热电偶区域最高可达450℃，保温外皮最高可达150℃，均超过了热电偶和预制电缆的设计使用温度。进一步检查发现，排气扩压段下部区域的保温固定扁铁，扁铁固定扣均有不同程度的脱落，导致保温失去固定，脱离了缸体;并进一步导致高温热辐射泄露。再次对排气热电偶的损坏统计数据分析发现，排气热电偶的损坏数量呈现逐年递增的趋势，损坏的速度也由半年缩减到不足一个月;间接的证明排气扩压段的保温正在逐年劣化，失效。燃气轮机在运行过程中会有一定的振动，特别是排气扩压段结构强度弱，体积大，对振动有一定的放大效果;这种持续的振动导致了排气扩压段底部的保温固定装置逐渐松动，脱落乃至失效。通过对同类型机组调研发现，9F机群的机组都不同程度地出现过排气扩压段底部排气热电偶烧损的情况，GE公司也针对这个情况制定过一份保温治理建议，但建议只是针对排气热电偶安装位置的局部区域，并未提及排氣过压段整体保温的治理;横琴热电按照GE公司保温治理建议处理若干次后收效甚微，故障依然频发。
3 排气热电偶烧损解决方案及实施效果
针对排气扩压段保温脱落的情况，我们特别制定了保温层固定的优化方案。①在保温棉外层增加固定网，工艺效果如图8所示。②排气热电偶套管处的保温棉由前后拼接改为挖洞植入，并在排气热电偶套管两侧的使用钢丝设置两道加强筋，工艺效果如图9所示。③每一层保温顺气流方向使用扁铁固定，并充分使用固定扣增加固定强度，工艺效果如图10所示。④每一层保温纵向使用扁铁固定，进一步提高保温棉的固定强度，工艺效果如图11所示。
⑤排气热电偶套管均采用石棉布缠绕包扎。使用石棉布包裹套管，进一步增加套管附近保温材料的强度和密度，防止保温松脱造成的高温辐射泄漏。
4 结论
截至2020年4月，横琴热电先后完成了1号机组和2号机组燃机排气扩压段保温的优化治理，自2019年3月以来，连续两年未出现过排气热电偶烧损的异常，成功解决了排气热电偶非正常损耗的生产难题，机组的安全可靠性得到了质的提升。
参考文献：
[1]Patel， Niraj， Lokenberg， Kerrie. MarkVIe Control Settings Specification〔Z〕.GENERAL ELECTRIC COMPANY. 2012-11-28.
[2]Technical Information Letter 1879[Z].GENERAL ELECTRIC COMPANY. 2013-05-21.
[3]Technical Information Letter 1765[Z].GENERAL ELECTRIC COMPANY. 2010-10-22.
[4]Exhaust Thermocouple Installation & Maintenance [Z].GENERAL ELECTRIC COMPANY. 2013-04.
[5]ChenYan Yang.INSTALLATION INSTRUCTIONS AND DRAWINGS[Z]C.E. Thurston & Sons， Inc，GENERAL ELECTRIC COMPANY.2012-04-23.
Abstract： Exhaust gas temperature is one of the key parameters of gas turbine combustion control and main engine protection; the main protection action of the unit caused by exhaust gas temperature failure will bring unnecessary economic losses. Due to the lack of strict control over the details of the installation of the exhaust thermocouple and the laying of the surrounding insulation layer during the first installation and previous maintenance， since the start of production of the #1 gas turbine in my own factory， several reasons have occurred due to the failure of individual exhaust thermocouples， which endangered the stability of the unit. Operational incidents， and caused a large number of exhaust thermocouples and their prefabricated compensation cables to be scrapped. The solution can only be solved by strictly following the installation specifications of the exhaust thermocouple equipment and the insulation layer of the exhaust diffuser section and the relevant technical notices of the General Motors Corporation of the United States. This article provides several failure analysis methods and solutions through the failure analysis， rectification， comparison， improvement and other aspects of the production site.
关键词： 燃气轮机;排气热电偶;保温;故障;分析;处理
Key words： gas turbine;exhaust thermocouple;heat preservation;failure;analysis;treatment
中图分类号：TK479+.2 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）18-0158-04
0 引言
国家电投珠海横琴热电有限公司两台燃气轮机为GE公司生产的PG9351FA机型，采用目前更先进的DLN2.6+技术和MarkVIe控制系统，同时引入数学模型控制机制，具有将更加先进的氮氧化物排放控制策略，并在不同季节具备宽动态自动燃烧调整适应能力。控制策略的智能化对测控设备的可靠性和稳定性提出了更高的要求，公司自2014年投产以来，排气热电偶烧损2～3支/月，专用电缆2～3根/月，1号机组于2019年2月20日至3月20进行了第一次中修，换下排气热电偶10支，专用电缆8根，2号机组于2020年3月16日至2020年4月26日进行了第一次中修，换下排气热电偶16支，专用电缆16根，累计烧损排气热电偶元件59支，专用电缆57根，直接经济损失近88万元;投产不足6年，单一设备非正常消耗巨大，作为现场难题，亟待找出原因，拿出解决方案，及时止损。
1 概况
GE公司生产的PG9351FA型燃气轮机在排气扩压段后通道内，沿着周向布置了31支热电偶。
燃气轮机控制系统通过排气热电偶的测量值进行燃烧分散度监测，该算法使用最大压气机排气温度CTDA、透平排气温度平均值TTXM以及不同机型的控制常数TTKSPL5来计算排气分散度允许范围。 排期分散度=（0.145 TTXM-0.08*CTDA+TTKSPL5）
对于F级及以上机型，TTXSPL在50℉至170℉之间。其中TTKSPL5=60°F。
当燃烧分散度超过特定情况下的允许值一定时间时，通过对应情况下的不同保护机制来实现对燃机热通道的快速保护;当排气热电偶测量温度发生大幅变化或者排气热电偶故障时，保护机制如表1。
1.1 排气扩压段系统
排气扩压段是燃气轮机排气框架和余热锅炉连接的部分，一方面要将燃气轮机排气高效、均匀地扩散到锅炉，另一方面要为排气热电偶提供一个可靠、均匀、稳固的安装框架;虽然结构简单，但长期工作在高温、高应变环境下，其机构可靠性和保温效果就显得尤为重要了。
如图1所示，排气扩压段由内套筒、外套筒和支架组成，31支排气热电偶套管安装在外套筒支架前，延圆周向均匀布置，其中套筒外热电偶套管长146.6mm，保温厚度152.4mm，略高于套管，如图2所示。
1.2 故障概况
两台机组排气热电偶烧损情况见表2。
用统计图表示2015年5月至2020年3月期间排气热电偶的烧损情况，如图3所示。
用统计图表示2015年5月至2020年3月期间不同区域排气热电偶的烧损情况，如图4所示。
从表2，图3和图4中可以看出，排气扩压段左下部、右下部以及下部排气热电偶的烧损情况最严重;其中左下部9支、右下部9支，下部26支。
通过图表统计可以得出的结论是：排气框架下部的热电偶出现损坏的概率要远高于顶部的热电偶。
通过对现场设备检查，发现排气框架下的保温外壳有明显脱离本体的情况，如图5所示。
劣化的保温外壳明显已经将热电偶套管和热电偶航空插头包裹进保温中，导致热电偶航空插头无法散热，通过测温贴纸测试得知，热电偶航空插头处的温度超过300℃，导致设备在远高于其所能承受的使用温度（120℃）下运行，加速了设备损坏。排气框架的保温已经出现了内部空鼓的情况，这也是导致高温辐射超过300℃主要原因之一。通过对热电偶专用电缆烧损情况照片的对比，也不难发现，热电偶电缆在极限高温环境中无法保持其结构稳定性和良好的电气性能。如图6所示，正常的电缆插头内绝缘子完整，高温烧损后的电缆插头，绝缘子完全烧毁，烧穿;插头的插针烧损后脱落出来，尾部的绝缘外皮已经碳化变脆，随时有断裂的风险;烧损后的热电偶元件插座内原有的红色绝缘密封材料全部碳化脱落。新元件内有红色绝缘底座及密封胶圈保护热电偶元件插座有良好的电气性能和抗氧化能力。
1.3 有限延长热电偶使用寿命的方案
基于设备损坏情况初步检查，在不具备大规模保温施工的情况下，只能对局部保温进行有限的恢复，在遵从设备供应商原有设计的基础上进行恢复。
同时引入临时冷却风，降低其环境温度，但这个方法只能有限延长热电偶使用寿命，如图7所示。
2 排气热电偶烧损原因分析
2.1 排气热电偶质量性能的影响
横琴热电使用的排气热电偶均为GE公司原厂供配，其温度响应指标高于200ms，端部均进行了硬化和耐磨损涂层处理，具有优良的温度响应能力，可以在200ms内快速响应温度变化趋势。通过历次检修记录统计，除高温烧损的排气热电偶以外，未出现过因热电偶质量问题导致的异常。因此，热电偶的质量性能与热电偶烧损无直接关系，并非热电偶烧损的诱因。
2.2 保温层安装工艺的影响
GE原始保温层设计为三层，每层2英寸厚，共计6英寸厚。通过对燃机排气扩压段顶部测温，未发现超温部分;结合顶部排气热电偶烧损情况统计结果，可以得出保温层设计厚度可以满足保温要求的结论。但是对底部保温测厚时发现，探针的插入深度已经远远超过了6英寸（150mm），最深处已经达到了300mm，通过检查发现保温棉已经脱离了排气缸体，仅由外部装饰铁皮承载脱落保温棉。对脱落保温的区域进行测温，发现热电偶区域最高可达450℃，保温外皮最高可达150℃，均超过了热电偶和预制电缆的设计使用温度。进一步检查发现，排气扩压段下部区域的保温固定扁铁，扁铁固定扣均有不同程度的脱落，导致保温失去固定，脱离了缸体;并进一步导致高温热辐射泄露。再次对排气热电偶的损坏统计数据分析发现，排气热电偶的损坏数量呈现逐年递增的趋势，损坏的速度也由半年缩减到不足一个月;间接的证明排气扩压段的保温正在逐年劣化，失效。燃气轮机在运行过程中会有一定的振动，特别是排气扩压段结构强度弱，体积大，对振动有一定的放大效果;这种持续的振动导致了排气扩压段底部的保温固定装置逐渐松动，脱落乃至失效。通过对同类型机组调研发现，9F机群的机组都不同程度地出现过排气扩压段底部排气热电偶烧损的情况，GE公司也针对这个情况制定过一份保温治理建议，但建议只是针对排气热电偶安装位置的局部区域，并未提及排氣过压段整体保温的治理;横琴热电按照GE公司保温治理建议处理若干次后收效甚微，故障依然频发。
3 排气热电偶烧损解决方案及实施效果
针对排气扩压段保温脱落的情况，我们特别制定了保温层固定的优化方案。①在保温棉外层增加固定网，工艺效果如图8所示。②排气热电偶套管处的保温棉由前后拼接改为挖洞植入，并在排气热电偶套管两侧的使用钢丝设置两道加强筋，工艺效果如图9所示。③每一层保温顺气流方向使用扁铁固定，并充分使用固定扣增加固定强度，工艺效果如图10所示。④每一层保温纵向使用扁铁固定，进一步提高保温棉的固定强度，工艺效果如图11所示。
⑤排气热电偶套管均采用石棉布缠绕包扎。使用石棉布包裹套管，进一步增加套管附近保温材料的强度和密度，防止保温松脱造成的高温辐射泄漏。
4 结论
截至2020年4月，横琴热电先后完成了1号机组和2号机组燃机排气扩压段保温的优化治理，自2019年3月以来，连续两年未出现过排气热电偶烧损的异常，成功解决了排气热电偶非正常损耗的生产难题，机组的安全可靠性得到了质的提升。
参考文献：
[1]Patel， Niraj， Lokenberg， Kerrie. MarkVIe Control Settings Specification〔Z〕.GENERAL ELECTRIC COMPANY. 2012-11-28.
[2]Technical Information Letter 1879[Z].GENERAL ELECTRIC COMPANY. 2013-05-21.
[3]Technical Information Letter 1765[Z].GENERAL ELECTRIC COMPANY. 2010-10-22.
[4]Exhaust Thermocouple Installation & Maintenance [Z].GENERAL ELECTRIC COMPANY. 2013-04.
[5]ChenYan Yang.INSTALLATION INSTRUCTIONS AND DRAWINGS[Z]C.E. Thurston & Sons， Inc，GENERAL ELECTRIC COMPANY.2012-04-23.