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Finding and fixing leakage within combined HP-IP steamturbines: Part II08/15/2007 | Warren Hopson, PE, Southern Company Generation

For Westinghouse (Figure 1) and Allis-Chalmers combined high-pressure/intermediate-pressure (HP-IP)turbines, there are more design (and potential nondesign) leakages to the IP turbine than in General Electricmachines. That’s because the former units require balancing the thrust loading of the reaction blading.Leakage can enter the IP turbine inlet, IP turbine exhaust, low-pressure (LP) crossover pipes, and occurbetween split IP1/IP2 turbines. Its result can be an apparent increase or decrease of IP turbine efficiency,depending on the source.

1. In the spotlight. A typical Westinghouse 500-MW BB44 HP-IP steam turbine. Courtesy: Southern CompanyGeneration

Southern Company Generation (SCG) has found that trending of the apparent IP efficiency using the Booth-Kautzmann temperature split tests (discussed last issue in Part I) is very useful for resolving internal leakageproblems on our Westinghouse and Allis-Chalmers turbines. It should be noted that the true IP blade pathefficiency of these units is difficult to measure.

For later (BB44) Westinghouse turbines, the sources of design leakage (Figure 2) include:

Main steam inlet bell seals (the leakage bypasses the HP-IP turbine; more recent units indicate zeroleakage on the design heat balance).HP-IP-LP dummy balance seals (Figure 3).HP exhaust piston seal rings.IP inlet (hot reheat) piston seal rings.

2. Go to the source. Design and nondesign leakage areas on the lower inner shell of a Westinghouse BB44.Courtesy: Southern Company Generation

3. To be smart, test these. The HP, IP, and LP dummy seals of a typical Westinghouse BB44. Courtesy:Southern Company Generation

Depending on the unit design, HP dummy seal leakage can affect HP turbine efficiency as it flows throughthe equilibrium pipes to the HP exhaust. If the IP dummy ring is severely distorted, it is possible for the IP

dummy leakage to be a mix of HP dummy leakage and HP exhaust steam flowing in the reverse directionthrough the equilibrium pipes.

Among the sources of nondesign leakage are:

The HP inner shell horizontal joint (distorted shell or loose bolting).Broken internal equilibrium balancing pipes.A broken first-stage drain or pressure-sensing line between the inner and outer shell.Piston seal rings on the IP turbine mid-point extraction pipe.A missing mid-span balancing port plug in the inner shell.Cracks in the main steam inlet pipes at the trepan radius.

Relating efficiency to leakage

For the BB44 design, two values of apparent IP efficiency should be measured. The IP efficiency measuredfrom the hot reheat to the IP exhaust at the blading only takes into account the leakage effect of the IPdummy. The IP efficiency measured from the hot reheat to the LP crossover includes the effects of all HP toIP leakages. The temperature split tests are also used to estimate the IP dummy leakage and the total HP toIP leakage.

Although the test wells provided by the turbine manufacturer at the IP blading exhaust on the upper andlower (difficult-to-access) shells are in stratified locations, they are still useful for trending. Because thedeaerator and boiler feedpump usually extract at these points, the temperature of the extraction line alsoshould be measured. On one Southern Company unit that had been retrofitted with a new design IP dummyring, we also installed two new test wells in the upper outer cylinder just upstream of the hot reheat inletpipes. The results of testing using these wells still indicated some stratification of IP exhaust temperature.

A broken or cracked bell seal on a BB44 turbine can be diagnosed by trending the difference between thedeaerator/boiler feedpump turbine extraction temperature and the LP crossover pipe temperature. If theformer is several degrees lower than the latter and the two crossover pipes are at a different temperature, abell seal or inlet pipe could be cracked.

For units with electrohydraulically controlled governor valves that are individually operated, themanufacturer’s bell seal diagnostic test is useful to perform. Each of the eight governor valves is closed (andre-opened) and the above temperatures are trended. (Exercise caution when doing so on the normal initialopening governor valve, including temporarily disabling the unit trip function.) A change in the temperaturedifferences will be observed on a leaking bell seal when the corresponding governor valve is closed; thisreduces but does not eliminate the leakage, which is reverse flow from the first stage, rather than mainsteam. If the testing indicates that an upper bell seal is the problem, it can be fixed relatively quickly becauseonly the upper half of the outer cylinder must be removed. But if the testing indicates a problem with alower bell seal, fixing it will not be easy because it will require removing all HP-IP turbine components.

Diagnosing other models

For Westinghouse turbines with an IP1-HP-IP2 arrangement (Figure 4), there are also two values ofmeasurable IP apparent efficiency. The IP1 efficiency is measured from the hot reheat to the IP1 exhaustusing vendor-supplied casing pressure and temperature connections in the lower test wells that aresomewhat difficult to access on-line. (On some units, there is an extraction location on the IP1 exhaust thatcan be used for pressure/temperature measurements.)

4. Horse of a different color. A Westinghouse 180-MW IP1-HP-IP2 turbine. Courtesy: Southern CompanyGeneration

IP1 efficiency values account for the effect of leakage of HP exhaust steam leakage to the IP1 inlet throughthe IP dummy seals. The total IP efficiency, measured from the hot reheat to the LP crossover pipe, includesthe effects of leakage through the IP and LP dummies, the bell seals, the HP exhaust piston rings, the hotreheat inlet piston rings, the governor valve stems, and the seal at the end of the governor shaft. Possiblesources of nondesign leakage include broken equilibrium pipes, a leaking HP-IP1 inner shell horizontal joint,broken first-stage drain and pressure-sensing lines, and cracks in main steam inlet pipes.

Until recently, the only unusual problem that SCG has experienced on the IP1-HP-IP2 type of turbine was avery high IP dummy leakage on one unit, but not on a sister unit. The problem was diagnosed as "extra"cooling holes found in the IP dummy ring, and it was fixed by reducing in size (welding up) the holes, as theexisting IP dummy seals would provide sufficient IP inlet bucket cooling steam. A post-outage test revealedthat taking this action substantially reduced both IP dummy leakage and total HP to IP leakage. Includingthe effect of reduced reheat spray flow, the unit heat rate improvement was about 40 Btu/kWh.

Smaller (100-MW and less) Westinghouse turbines have piston seal rings on the main steam inlet pipes. Onthese units, excessive leakage will reduce HP turbine efficiency as some or all of the HP blading is bypassed.Total HP-to-IP leakage is not affected by this leakage through the piston seal rings.

On SCG’s 100-MW Westinghouse turbines, the LP dummy flow (external pipes) to the IP exhaust can bemeasured using the vendor-supplied flow measurement/restriction orifice plates. On one occasion, the rotorof one unit was visibly thrusting, causing measured LP dummy flow to cycle. The results of temperature splittesting were inconclusive due to the swings in leakage. Eventually, the turbine required an inspection tocheck for wear of its thrust bearing. The root cause of the thrusting was determined to be worn-out IPdummy seals, which were no longer in a hi-lo configuration (Figure 5).

5. Seals don’t lie. A 100-MW Westinghouse turbine with severely worn IP dummy seals that causednoticeable thrusting of its rotor. Courtesy: Southern Company Generation

Later Westinghouse units have a mid-span balance port that can be used for borescope inspections to checkfor loose HP inner shell bolts and broken equilibrium pipes. On BB44 units, this can also be accomplished byremoving an LP crossover pipe.

Allis-Chalmers reheat turbines also are susceptible to several sources of design and nondesign internalleakages. Figure 6 highlights these sources for 75-MW Allis-Chalmers units, of which SCG has three. Thesources of design leakage to the IP turbine include the IP dummy, the reheat diaphragm packing, and the LPdummy. Excessive leakage through the IP dummy and reheat diaphragm packing into the IP turbine inlet

would produce an increase in measured IP efficiency. By contrast, excessive leakage through the LP dummyinto the LP cross-around pipes would cause a decrease in measured IP efficiency. Sources of nondesignleakage include the reheat diaphragm packing housing joint and the horizontal joint.

6. Other sources of internal leakage. The HP, IP, LP, and reheat diaphragm packing of an Allis-Chalmers 75-MW turbine (L) and the HP-IP-LP dummy seals location (R). Courtesy: Southern Company Generation

Nondesign leakages—through the two sets of main steam inlet piston seal rings or the HP inner shellhorizontal joint, or due to a broken first-stage pressure-sensing line/drain on the inner cylinder—affect theperformance/efficiency of the HP turbine, but not leakage into the IP turbine. SCG has used the Booth-Kautzmann temperature split test to trend the leakage rate before and after a turbine outage on Allis-Chalmers units. We also have temporarily opened the reheat diaphragm (similar to the GE N2 packingblowdown test) and balance piston unloading valves to calculate the reheat diaphragm packing leakage andIP dummy leakage, respectively, based on the change in measured IP efficiency.

Recipe for repairs

Reducing excessive internal leakage in Westinghouse and Allis-Chalmers turbines may require taking any orall of the following steps:

Replacing any HP-IP-LP dummy and reheat diaphragm packing seals with excessive clearance orbroken teeth.Replacing bell seals or piston seal rings that are cracked or broken (Figure 7) or have excessiveclearance/taper or erosion. The inner cylinder nozzle chambers or inlet pipes may requirerefurbishment if they are eroded or worn. Any unused bell seal retainer nut lock screw holes should bewelded up as they can be a source of main steam leakage. Some piston seal ring designs (Figure 8) canproduce excessive leakage if installed improperly, upside-down (one side is flat, and the other hasalternating high and low sides).Checking inlet sleeves for cracks in the trepan radius using the turbine manufacturer’s test method. InWestinghouse BB44s that are routinely found to have cracked bell seals, distorted inlet sleeves couldbe the problem (a consequence of age); the manufacturer offers a method for straightening the inletsleeve that SCG has used successfully.Changing the usually distorted IP dummy ring on BB44s to an improved design offered by themanufacturer. There’s another good reason to do this: BB44 IP dummy ring bolts broken by thedistortion can enter the IP turbine and damage its blading.Repairing any broken equilibrium pipes or first-stage drain/pressure sensing lines. Sometimes, aequilibrium pipe can be eroded by a broken bell seal steam jet.Closing up or reducing in size any "extra" IP dummy ring cooling holes on IP1-HP-IP2 turbines. (Beforedoing this, consult with the manufacturer.)

Inspecting the studs/shell threads of the HP inner shell horizontal joint for possible weld build-upcaused by machining of the joint surface. The resulting leakage can actually flow up through the shellholes (Figure 9). The stud nuts should be "sounded" with a hammer to determine if any are loose priorto disassembly. For both studs and through-bolts, it is very important to know what they are made ofbecause the material determines how much they can be tightened.

7. Yet another source. Cracked and broken main steam inlet bell seals on a Westinghouse BB44. Courtesy:Southern Company Generation

8. One-way street. The alternating (high- and low-side) piston seal rings of a 50-MW Westinghouse reheatturbine. Note that the rings are installed correctly, with the hi-lo side opposite the outer shell. Courtesy:Southern Company Generation

9. Loosey-goosey. Loose HP inner cylinder bolting on both sides of this BB44 turbine caused excessive HP toIP leakage, severely penalizing the unit’s heat rate. Courtesy: Southern Company Generation

After a repair outage, the turbine must be retested to ensure that the work was successful. In SCG’sexperience with Westinghouse turbines, less than 6% of hot reheat flow leakage (the design level is 4%) canbe achieved with good overall work. Although SCG’s experience with Allis-Chalmers turbines is limited tothree units, results indicate that less than 6% of hot reheat flow leakage (design is 3%) can be achieved.

Case study #1: Excessive HP to IP leakage in a 500-MW Westinghouse combinedHP-IP drum turbine

In this extreme case, a bad bell seal was determined to be the cause of excessive leakage that raised theunit’s heat rate. The turbine began producing an unusually loud noise following a temperature excursion. Atemperature split test indicated that the measured IP efficiency to the LP crossover had decreased 5%, with asignificant increase in the LP crossover pressure. Main steam flow had increased 6% although corrected loadhad only increased 3.2%. The test also revealed that total HP to IP leakage had increased from 6% of hotreheat flow to 13.5%. The temperature rise from the IP exhaust (deaerator/boiler feedpump turbineextraction) to the LP crossover suggested a possible leak through the bell seal or equilibrium pipe.

SCG engineers then decided to conduct the manufacturer’s bell seal leakage performance test. Analysis ofthat data indicated that closing the No. 7 and 8 valves, which feed a common nozzle block, produced thebiggest change in temperature.

Since the No. 7 and 8 valves on this unit are upper inlet valves (narrowing the scope of the problem), thedecision was made to remove the upper half of the outer cylinder. Doing so revealed a broken bell seal onthe No. 8 governor valve inlet sleeve (Figure 10). Fortunately, the broken portion of the seal could beextracted from the inner shell, minimizing the duration of the outage.

10. Untrained seal. A broken bell seal on the sleeve of the No. 8 governor valve of a 500-MW WestinghouseBB44 steam turbine. Courtesy: Southern Company Generation

Case study #2: Excessive HP to IP leakage in a 500-MW supercriticalWestinghouse combined HP-IP turbine

This case is more typical of excessive leakage that goes undetected. Pre-outage temperature split testing ofthis unit in 1992 indicated a very high level of IP dummy leakage (7.6% of hot reheat flow) and similarly hightotal HP to IP leakage of 7.4% of hot reheat flow (design is 5.4%). Since it is impossible for the IP dummyleakage to be higher than the total leakage, the absolute accuracy of the IP dummy leakage was called intoquestion. A steam path audit calculated IP dummy leakage of 3% through a distorted ring. Distorted IPdummy rings are a generic aging problem for the BB44 design.

The distortion of the IP dummy ring was "fixed" during the 1992 outage by installing new seals and boringthem out off-center. Outage inspections also revealed that a broken first-stage drain pipe and worn HPdummy seals were contributing to the high leakage. The bell seals were in good condition.

Unfortunately, post-outage testing, in 1993, produced worse numbers for IP dummy leakage (13.4%) andtotal HP to IP leakage (14%). The unit experienced some thrust balance problems after start-up that mayhave contributed to the higher leakage. Computer models indicated that the leakage raised the unit’s heatrate by anywhere from 32 Btu/kWh to 109 Btu/kWh, depending on its source (first stage or cold reheat). Theunit was retested in late 1993 and then again in late 1996. Both tests indicated that both the IP dummyleakage and total HP to IP leakage had decreased somewhat over time, which could not be explained.

Since the distorted IP dummy ring was a known problem, the plant purchased a "modernized" BB44M IPdummy ring from Westinghouse and installed it during a 1999 outage.

Inspections during the 1999 outage revealed some severely worn IP dummy seals (Figure 11) and some withrows missing. The HP dummy seals were also in poor condition, with numerous teeth broken off by axialmovement. The LP dummy seals also were worn, and two leaking bell seals were found as well. However, a

pre-outage test had not been conducted. If it had been, the total HP to IP leakage would have been muchhigher than reported by the last readings, in 1996. The dummy seals and worn bell seals were replaced whenthe IP dummy ring was upgraded.

11. Age takes its toll. A 500-MW supercritical Westinghouse BB44 turbine with a distorted and damaged IPdummy ring seal. Courtesy: Southern Company Generation

The 1999 post-outage test revealed tremendous improvements in IP dummy leakage (1%) and total HP to IPleakage (5.4%) to values near design. A test repeated one year later indicated that both leakage rates hadremained near design. Without a doubt, the new IP dummy ring had worked as advertised. The apparentvalues of IP efficiency, which had been high due to the IP dummy leakage, returned to more normal values.Unfortunately, during the 2004 outage, the replacement IP dummy ring was found to be distorted. Recenttesting indicated that the IP dummy leakage rate (4.4%) and total leakage level (7.0%), though not quite asgood as the 1999 results, are overwhelmingly better than those found by the 1993 tests.

Case study #3: Excessive HP to IP leakage in a 180-MW Westinghouse combinedIP1-HP-IP2 turbine

This case also is typical of excessive IP dummy leakage that goes undetected. For many years, temperaturesplit testing of this unit indicated very high levels of IP dummy leakage (5% of hot reheat flow) and total HPto IP leakage (8.6% of hot reheat flow). Measured values of IP1 and total IP efficiency were always higherthan design, indicating significant leakage into the IP1 turbine inlet. The seal clearances of the IP dummyand the horizontal joint of the IP dummy ring, and the fit of the IP dummy ring into the outer cylinder hadalways been found acceptable. Finally, the mystery was resolved during a 2005 outage inspection. Three1.25-inch holes were unexpectedly found in the IP dummy ring: one on top and two in the lower quadrants(Figure 12).

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12. Size matters. "Extra" IP dummy ring holes (arrows) for cooling steam on a 180-MW Westinghouse IP1-HP-IP2 turbine. Narrowing them reduced HP to IP leakage rates. Courtesy: Southern Company Generation

A review of the turbine cross section and of detailed IP dummy drawings revealed that the holes weresupposed to be there. Flow calculations indicated that these holes for cooling steam were the source of theexcess IP dummy leakage (a significant 40,000 lb/hr). After discussions with Westinghouse, SCG decided toreduce the size of the holes to 0.4375 inch by welding and drilling. Post-outage testing confirmed that thework lowered the measured IP turbine efficiency by lowering its HP to IP leakage rates (to 1% for the IPdummy, and to 5.4% for total leakage). On a similar, smaller unit at this plant, the holes in the IP dummy ringwere completely welded up in the 2007 outage because a sister unit at another plant did not have the extracooling holes.

Author’s note: At press time, SCG was investigating a sudden rise in thrust bearing temperature in a 125-MW IP1-

HP-IP2 turbine. Further review of the incident indicated sudden increases in measured IP2 efficiencies (one to a

heater extraction and one to the LP crossover), along with lower reheat pressures and higher pressures in the IP2

turbine. The problem was determined to be a broken equilibrium pipe between the IP1 exhaust and the IP2 inlet.

Unit full load is restricted until an outage can be taken to correct the problem.

—Warren Hopson, PE (whhopson@southernco.com (mailto:whhopson@southernco.com)) is a SouthernCompany Generation principal engineer for generating plant performance.

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