燃气轮机尾筒密封件首轮国产化制造与挂机实验

王庆韧，贺杰

(广东惠州天然气发电有限公司，广东 惠州 516082)

广东惠州天然气发电有限公司一期工程3×390 MW级燃气-蒸汽联合循环机组采用两班制运行的纯发电模式，二期工程3×460 MW级机组采用连续运行的热电联产模式，总发电容量2 550 MW，是中国大陆同时期内最大的燃气轮机发电厂。由于燃气轮机技术被国外垄断，国内技术话语权极度缺失，导致热端部件采购及修理维护费用高昂[1-2]；因此，国内产业界对燃气轮机进行了多次国产化尝试。但是，十多年过去了，其成效仍处于期待中，电厂仍在承受高成本之苦。

为尽快改变这种局面，电厂必须主动作为。按照既定的战略规划《大型燃气-蒸汽联合循环发电机组商运技术经济运筹与有序创新顶层设计研究及实践》[2-3]以及《惠(粤)电燃气轮机核心热部件延寿及修理制造关键技术国产化深层规划与可行性研究报告》[4]，电厂多年来进行了一系列国产化探索，并取得了一定进展和成效：从运维策略优化[3]到检修作业本地化[5]；从逐步代替外方技术支持代表(technical assistance，TA)到独立开展振动[6]及动平衡研究、实现本地化燃烧调整[7-13]；从热部件延寿修理非原厂化到制造技术半国产化[14]、国产化尝试[15]。其中，燃气轮机尾筒密封件延寿修理、制造国产化就是典型案例，也是按照从静止件到转动件原则来有序推进国产化制造的最早案例。

国内对F级重型燃气轮机尾筒密封件国产化研究始于本项目。在此之前的国产化研究早期多集中于外围设备及压气机装置，取得过实际应用业绩[16-17]；后期多集中于系统集成及核心热部件(如燃烧器及透平动、静叶)制造国产化及其工厂试验，仅个别文献涉及燃烧器延寿修理，却鲜有实际运行业绩[18]。

本项目专注于国内主流厂家暂时无暇顾及或者未予重视，但不可或缺的众多关键小型热部件研究，特别是尾筒密封件的国产化制造技术研究，致力于尝试一条速度较为激进的国产化技术路径。

本文简单介绍了尾筒密封件原型结构，简要论述开展国产化制造的必要性，提出国产化制造技术路线，分析国产化制造技术难点，阐述了国产化样品的结构设计开发、试制与挂机试验，并对试验结果进行了分析、讨论。在概括主要创新点的同时，着重总结了经验、教训及其带来的启示，提出粗略的建议，为第2轮延寿修理国产化技术研究、第3轮制造国产化技术研究提供借鉴，也为“两机专项”提供参考。

1 燃气轮机尾筒密封件延寿修理与制造国产化的必要性

1.1 尾筒密封件原型结构及安装位置

M701F3型燃气轮机由燃烧室、透平、压气机等主要部件组成，每个燃烧室设置20个燃烧器，每个燃烧器包括内筒、尾筒及燃料喷嘴3个主要组件。在尾筒与透平第1级静叶处设计了1组尾筒密封件(含内侧出口密封与外侧出口密封)，燃烧器结构及尾筒密封件位置如图1所示[13,16-17]，尾筒密封件结构及安装在尾筒上位置如图2所示。

图1 燃烧器结构及尾筒密封件位置Fig.1 Structure of combustor and setting of transition piece outlet seal

图2 尾筒密封件结构及安装在尾筒上位置Fig.2 Structure of transition piece outlet seal and connection with the transition piece

1.2 尾筒密封件延寿修理、制造国产化的必要性

在多年的运行维护工作中，每次计划检修时都会发现尾筒出口密封件烧损严重，需要整体更换。近几年虽然略有好转，有极少片尾筒密封件也可再修复使用，但整体趋势没有根本改变。尾筒密封件价格较高，每套尾筒密封件(20组，40片)采购价格约140万～150万元；每年检修机组较多，仅一期工程3台机每年至少有2台机组检修[2]。因此，开展尾筒密封件国产化研究很有必要。

2 尾筒密封件国产化制造技术路线

尾筒密封件国产化制造技术路线有如下3个方面：

技术开发方式。通过考察，确定与国内实力较为雄厚的企业合作开展军民融合技术研发[19]。

技术开发路线。为保险起见，先合作开展技术研究，经初步技术评估后，进行小批量试制(试制样品以1～3组为佳)，经比较判定基本合格后进行成组挂机实验(以转子为中心，对称地安装)；若成功，则开展成套试制(1套)、成套挂机实验；若成套挂机实验成功，则定型生产、大规模推广应用。

技术开发进度。2013年开始联合研制，2016年10月1日挂机实验结束。

3 尾筒密封件国产化制造技术难点

3.1 技术条件要求高

运行中尾筒出口密封处有很高的温度并承受着热膨胀、热对中、热应力、热冲击和热腐蚀等一系列问题；因此，尾筒密封件至少需要满足以下技术条件：

a)耐高温。对于M701F3燃气轮机，天然气与空气在内筒中燃烧的温度约为1 350～1 450 ℃，燃烧后烟气流至尾筒与第1级静叶连接处时，烟气温度仍高达1 150～1 250 ℃。燃气轮机供应商为此开发了专用材料并享受知识产权保护，即使在国内生产也要签署保密协议；因此，首先要保证国产化研制品可正常工作在1 250 ℃或以上的高温环境(氛围)中。

b)长寿命。应满足电厂安全稳定运行要求(如长检修周期、低检修费用等)。

c)与第1级静叶及尾筒的安装配合尺寸，既要达到密封要求(烟气泄漏会导致能量损耗、效率降低)，又不能妨碍3个部件(尾筒、尾筒密封件及第1级静叶)的相对自由膨胀(妨碍膨胀则易使3个部件或其一受到损伤)。退一步讲，万一发生碰磨，也要做到优先磨损尾筒密封件以保护更重要部件(尾筒、第1级静叶都很昂贵)。

3.2 技术实现难度高

基体材料的选取是最大难点。根据国内外经验，保证基体材料能耐1 250 ℃或以上的高温环境(氛围)的路径有三：一是选用合适的金属材料，包括材料成份、理化特性、抗疲劳及热变形等；二是实现较好的冷却效果，包括冷却孔的结构、尺寸与冷却空气配置；三是应用或开发出优良的涂层技术，增强耐高温能力。因国内用于发电的大型燃气轮机技术显著落后于国际巨头，加之电厂受技术能力、人力资源及生产任务所限，所以当前只能通过军民技术融合的方式寻求突破。

主体结构制造工艺成形是另一难点。初步研究表明，除了冷却孔加工及密封刷丝等后续制作之外，主体结构制造工艺采用整体精锻或整体精铸方式，可使尾筒密封件内、外表面光洁度非常好，结构致密度、均匀度较好，比较耐腐蚀、耐磨损。在国内，除了燃气轮机厂家指定并签署保密协议的外资企业之外，研制初期未找到具备这样能力的加工、制造设备与企业(国内近几年已有大尺寸部件的加工设备和能力，如压气机叶片、透平叶片等[20-21])，因此需要研发新的制造工艺技术。

4 尾筒密封件国产化制造技术研发

4.1 结构设计

经过对原型件的深入对比研究，决定采用国内的军工材料代替进口材料。

根据航空发动机制造经验，采用了化整体为拆分、然后焊接组合并打磨光滑的工艺方法来代替原型件之整体精锻或整体精铸方式。

首轮国产化制造的尾筒密封件内/外环整体结构拆分成6部分单件(见表1)，其材料、工艺、质量控制、零件及组件名称、编号参照军工产品标准执行，如图3、图4所示。

图3 外侧出口密封组件(外环)示意图Fig.3 Layout of outside transition piece outlet seals

图4 内侧出口密封(内环)组件示意图Fig.4 Layout of inside transition piece outlet seals

4.2 试制工艺及标准

上述零部件试制工艺及标准见表2。其中：GB/T 14995为中华人民共和国国家标准《高温合金热轧板》；GJB 3020—1997、GJB 1952—1994分别为中华人民共和国国家军用标准《航空用高温合金环坯规范》《航空用高温合金冷轧薄板规范》；HB 5800—1999、HB/Z 61—1998、HB/Z 60—1996、HB 5489—1991分别为中华人民共和国国家航空工业标准《一般公差及公差与配合》《渗透检验》《X射线照相检验》《航空非金属材料红外光谱质量控制》；WS9 7053—1996《GH605合金热轧板材、冷轧薄板和带材》以及Q/3B开头的标准为企业标准。

4.3 样品组合成形

经组合焊接、打磨光滑、密封(刷)丝焊接到位、加工冷却孔、去毛刺成形等工序，完成了3组样品的试制(密封丝尚未焊接)，如图5所示。

图5 尾筒密封件样品与原型对比Fig.5 Contrast between the sample and the prototype of transition piece outlet seal

这些样品必须满足严格的技术要求：在外观尺寸、装配尺寸上要与原型件基本一致，并在气孔出口处加大倒角，以防止疲劳工作时尖边引起裂纹；在产品结构上保持与原型件一样的结构特点，并在排丝密度上有所提高，约增加5～10根/mm2，密封性能更好；从工艺方法和材料特性上，主体采用锻件机加工制造技术，不仅保证产品尺寸一致性和装配精度，还能增强产品的整体强度；同原型件一致的焊接方法和对上、下固定板的材料改进，能够满足该产品之基材耐温800 ℃的使用要求。

5 试制样品到货验收

5.1 验收方法

以厂家原型尾筒密封件为参照物，基于合作方自主检测来评估；以合作方技术标准为依据(可适度调整)，基于经验进行外观评价与到货质量验收。

表1 国产化制造的尾筒密封件构成Tab.1 Composition of transition piece outlet seals by domestic manufacture process

表2 国产化制造的尾筒密封件工艺及执行标准Tab.2 Domestic manufacture process and standards for transition piece outlet seals

5.2 验收意见

对到货样品(如图6所示)，组织检查验收，验收情况如下：

图6 到货样品Fig.6 Delivered sample

包装完整，拆开包装后未发现密封组件有明显刮伤、碰磨痕迹，刷子部位有专门防护薄膜包裹，样品运输防护总体合格。

材质报告、金相试验报告检查均无问题。

目视检查外观，未见明显加工缺陷；测量部分尺寸，未见明显偏离；随机打点检测，硬度合格；探伤报告，未发现问题；质量有所增加(主要因为封严环主体由铸件改为锻件后材料密度增加)，相差数值符合锻、铸件材料更换质量比。

与尾筒进行预组装，发现有2组成品配合尺寸严重不合格，1组验收合格。

6 试制样品挂机实验

经过研究决策，将验收合格的1组样品进行挂机实验。

6.1 挂机实验要求

最低限度：挂机实验期间不发生由该尾筒密封件引起的设备事故及人身伤害事件。

合格指标：挂机实验达到1个检修周期安全运行目标，即等效运行8 000 h或启停次数300，约相当于两班制运行方式下长寿命运行18个月。

最佳目标：安全运行1个检修周期后，损伤程度很低，甚至有望再安全运行1个检修周期。

以上是判定挂机实验是否成功、衡量首轮国产化制造是否成功的最直接、最有效方法。

6.2 挂机实验准备

设备风险评估。施工是静止件的安装且安装工艺不复杂，所以不会增加安装施工风险；因尾筒密封件安装在燃气轮机的燃兼压缸内，也不会增加人身安全风险。最大风险可能是：尺寸偏差使密封间隙增加、高温烟气量泄漏增加，在最极端时发生燃烧振动幅值上升、叶片通道温度(blade path temperature，BPT)偏差扩大、氮氧化物排放增加、设备损伤加剧，造成部分负荷运行。这些都是创新必然要承担的代价，需要采取措施，抑制这些问题发生。此外，还可能发生尾筒与第1级静叶嵌合部位发生异常磨损，影响膨胀；极端情形下，损伤的碎片进入透平侧，则可能会导致透平部分发生损伤，影响机组安全运行。综合考察机组以往的实际运行和检查修理情况，可知这种风险很小，原因是：虽然原型尾筒密封件也发生过各种各样损伤(如裂纹、烧蚀、碎块脱落等)，甚至不可再继续使用，但都没有给机组(包括尾筒密封件之上、下游设备)带来任何极其严重的后果。

设备风险控制。有效进行施工技术组织，确定样品在燃烧室中的安装位置以方便拆卸，抽调技术较强人员参加安装施工以保证质量与安全。分工协作，预控运维风险，提前规划运维安全特别监控措施与检查、维修计划，制订应急处理预案。

对外关系协调。挂机实验决定后，尾筒密封件国产化制造行迹随即曝光，招致燃气轮机厂家迅雷、激烈的反弹，尾筒回装工作被无限期暂停。经过连续几个回合的谈判，形成了自说自话、各负其责、心照不宣的共生、共抗、共存态势。由于检修作业很早之前就实现了本地化，技术人员也具备了国外TA的水平，电厂把握了主动性，使检修承包商按“我”所想行事，尾筒回装工作很快得以恢复。

风险损失对冲。预研可能的损失及损失对冲措施，协调财产保险运作，其中保险责任是否必须变更，是又一个需要沟通的重点问题。好在谈判中发现保险相关条款似乎涵盖了此项内容，并且最不利的预测下人身与财产损失也很小；所以，财产风险实际并未成为大的阻碍。

6.3 挂机实验施工

将样品与原型尾筒密封件进行尺寸对比，其长度、宽度、弧度等尺寸基本吻合。将样品在燃兼压缸外试装也较顺畅，与原型件安装基本无差异。

根据尾筒密封件组装要领，完成尾筒在燃兼压缸内的完全组装后，对尾筒密封件进行装配尺寸测量检查，其与透平第1级静叶、相邻的密封件之间配合良好，且测量的数据都符合安装要求。

6.4 挂机实验初步考验

顺利通过机组检修后首次冷态启动及燃烧调整试验等环节的考验，继续维持挂机实验运行。

6.5 运行异常之特别监控案例

在特别监控过程中，仅发生过1次运行参数异常现象：当时机组降负荷至260 MW，报“GT NO.1 BLADE PATH TEMP VARIATION LARGE OVER”报警(燃气轮机1号BPT偏差过大)，最大达-37 ℃，20号BPT温度偏差最大为-28 ℃，约10 s后报警自动复归。其他BPT温度正常，燃烧压力波动监控画面有16号燃烧器“LOW”补偿报警。

另外，机组降负荷过程中，负荷瞬时下降约有10 MW，并随即升回。50 min后，分散式控制系统(distributed control system，DCS)报10号BPT、1号BPT偏差大报警(10号BPT偏差最大为-42 ℃，1号BPT偏差为-38 ℃)，压力波动监控画面上再报16号燃烧器“LOW”补偿报警。

经排查发现，当天天然气中CH4含量(体积分数)最高上升至约97.3%，偏离燃烧调整设定的基准，其他并无异常现象(数据)。电厂燃烧调整小组会商结论是：天然气CH4含量较平常偏高造成了BPT偏差大，与尾筒密封件无关。

6.6 挂机实验定期检查结果

依据定期检查预案，利用节假日调停时机，对挂机实验运行的国产尾筒密封件进行了第1次拆除检查。结果发现，国产尾筒密封件样品冷却孔处裂纹严重(如图7所示)，中间冷却孔处几乎完全裂开，其背部较腹部裂纹更长、更深，但其他原型件几无缺陷。

图7 尾筒密封件裂纹Fig.7 Cracks on transition piece outlet seals

根据多年检修经验和技术判定标准，此样品若继续挂机运行将存在较大安全隐患，故更换、安装了原型件。

6.7 挂机实验结果分析与讨论

本次尾筒密封件首轮国产化制造与挂机实验，尽管领先国内电厂在大型燃气轮机技术上迈出了国产化制造的第1步，实现了首次挂机实验及运行实践；但是，产品寿命未达到运行1个检修周期的预期。对电厂来说，这样短的部件寿命离实用性还差得很远，值得深思：

a)从挂机实验后检查结果来看，虽然国内冷却孔加工工艺已具有相当的水平，但本次试制的样品中冷却孔周围出现过多裂纹，说明过渡不够圆滑、定位不够精准、加工手段离国际先进水平还有很大的差距。

b)从部件成形工艺来看，分散组合显然不如整体成形。但对于整体铸造、整体锻造、整体精锻等整体成形工艺，哪种较为合适、如何达到品质控制，显然是非常重要的技术问题。

c)从材料上来看，存在诸多疑问，例如：航空发动机材料，甚至国内所说的燃气轮机材料[22]是否可以用于发电用重型燃气轮机，是否需要不同的热处理技术，是否需要仿照透平叶片增加或改善涂层[23]，等等。显然，航空发动机与重型燃气轮机在材料技术上存在相当大的差异，前者注重推力，后者注重寿命[24]，这对于重型燃气轮机的透平叶片、燃烧器及其喷嘴等热部件尤其重要，特别是材料的热变形[16]。这预示着军民技术融合之路还很漫长而艰难。

d)本次尾筒密封件首轮国产化制造样品，仅凭技术人员的经验与感觉来验收，虽然严肃认真，但终究无法探知复杂结构的内部是否有制造性缺陷；因此，开发相应的超声探伤技术，也应提上日程，这对“两机专项”具有重要的提醒作用，即很多技术研究都要齐头并进、统筹推动。

本次尾筒密封件首轮国产化制造与挂机实验结果，给国内燃气轮机创新(包括“两机专项”)带来了重大启示与思考；

a)充分暴露了电厂与国内合作方在燃气轮机制造技术上的短板：一是技术路线上延用航空发动机设计制造与试验思路，对重型燃气轮机与航空发动机之间的技术差异未有深刻体验，这是本次实验结果未完全达到预期的主要原因(前几年E级燃气轮机国产化设计制造的R0110型在深圳某电厂试产中止，也有这种技术路线的原因)；二是设计制造过程与实践应用结合不够，理想与理论色彩较浓，失败概率偏大；三是技术创新从来都不是一帆风顺的，燃气轮机国产化之路也并非坦荡，所以最应吸取的教训是戒急用忍。

b)不进则退。这些年来，与国际先进燃气轮机相比，技术差距进一步扩大，如日本三菱研制了1 700 ℃燃气轮机，出品了增强型JAC燃气轮机，等等。其中重要的原因可能有以下几方面：一是前些年国内燃气轮机创新走了一条弯路，先是市场并未换来技术，后是产业链各方各家在技术方向上无法形成合力，在商业运作上未形成利益分享格局，痛心地延搁了数年的追赶光阴。二是当前燃气轮机产业链各环节对“依托能源工程”[25]、建设“示范工程”[26]的理解各有不同，发展前景仍不明朗，尤其在“政、产、学、研、用”各层面、各环节中，作为最底层、最终“用”环节的电厂，对创新的需求最强烈，具有强大的创新牵引力以及实验、实践能力，但在国内燃气轮机产业链创新活动中未获足够的重视。三是燃气轮机由众多复杂部件构成，每一个部件对燃气轮机长寿命安全运行都有着严重影响，实现燃气轮机国产化，需要将各种部件协调一致地实现国产化，否则个别部件就成“梗阻”。为了改变这种局面，在进行国家层面的燃气轮机创新时应对此加以关注。

c)对于本次尾筒密封件首轮国产化制造与挂机实验，事先、事中皆未声张，减缓了对外、对内的心理冲击，恰当的低调策略使过程推展相对顺利，避免了尴尬后果，使正面意义得以维持；因此，挂机实验成功前的每一步研究成果虽可喜可嘉，但建议不必大张旗鼓地宣传、夸大。挂机实验成功并长寿命安全运行才是检验产品研发是否成功的试金石。

7 总结

7.1 主要创新点

a)针对F级重型燃气轮机，特别是M701F3型燃气轮机，率先在国内电厂开创了燃气轮机热部件国产化联合研发与制造进程，首先从尾筒密封件开始，并且完全由国内产学研结合完成，提前一年践行了发改能源〔2017〕920号文件精神[25]。

b)在国内第一家进行了F级燃气轮机国产化制造部件的挂机实验，且是在正常运行机组上进行挂机实验，在采取特别监控措施的基础上做到了科研、生产两兼顾，实现了最低限度的技术指标：自国产尾筒密封件挂机试运至定期检查时，机组安全运行5个月，等效运行2 064 h，启停次数81。

c)在F级重型燃气轮机国产化方面，开启了国内首次军民融合技术开发的尝试，取得了一系列颇有价值的经验、教训与体会，可为“两机专项”等重型燃气轮机国产化提供借鉴与参考。这也是本次尾筒密封件国产化及挂机实验所取得的最大附加成果。

7.2 浅略建议点

a)对电厂而言，其在燃气轮机修理、制造上的技术能力先天不足，必须依靠产业链上游各环节；所以仍需保持耐心，加强联系，积极争取并创造有利时机与因素，进一步促进“政、产、学、研、用”有机结合。对下一步的国产化制造，仍需稳步推展，保持进取心和持久力，如尾筒密封件第2轮国产化制造尝试，谨慎的措施之一是将其放在修理国产化取得一定成效后再择机扩大成果。

b)对产业链而言，由于燃气轮机国产化进程中存在很大的意外风险(尤其是挂机实验过程中)，是电厂不能承受之重；因此，建议及早让电厂介入整个创新进程中，将风险把控于前，最大限度地减少失败几率，加速国产化进程。

c)从政策支持层面来说，尽管国家已经出台了若干意见[25-26]，但由于挂机实验是检验技术成功与否的必不可少环节，也是最终、唯一的有效手段；因此，建议在国家层面上出台必要的、具有可操作性的创新激励与责任豁免实施细则，以使挂机实验能够得到电厂足够的响应与有力支持。

7.3 结束语

F级重型燃气轮机尾筒密封件首轮国产化制造技术研究与挂机实验，是国内首次尝试，不仅获得了一定运行实绩，而且得到了许多有价值的体验与启示。在当前国家着力推进燃气轮机国产化的形势下，后者更显重要，或给国家层面的燃气轮机创新提供借鉴。