李梁永，王　波（.華電江東熱電有限公司，浙江杭州30000；.杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州300）

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透平冷卻空氣冷卻系統(tǒng)及其對燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)的影響分析

李梁永1，王波2
（1.華電江東熱電有限公司，浙江杭州310000；2.杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司，浙江杭州310021）

摘要：對通用、西門子和三菱F級燃?xì)廨啓C(jī)透平冷卻方式的比較，三菱M701F4燃?xì)廨啓C(jī)透平的冷卻方式更為特殊復(fù)雜，通過透平冷卻空氣冷卻系統(tǒng)（TCA系統(tǒng)）進(jìn)一步冷卻，然后再送往透平做冷卻空氣用。本文對TCA系統(tǒng)進(jìn)行介紹并分析對燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電效率和余熱鍋爐系統(tǒng)影響。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)；TCA；聯(lián)合循環(huán)

0　引言

在F級燃?xì)廨啓C(jī)中，GE的PG9351FA和Siemens的V94.3A燃?xì)廨啓C(jī)透平的冷卻方式基本相同，都是根據(jù)各級冷卻通道的阻力和最后摻入主氣流處的壓力選擇壓氣機(jī)中不同壓力的抽氣點(diǎn)進(jìn)行抽氣，抽出的高壓空氣作為冷卻空氣直接送往透平不同部位，通過沖擊冷卻、對流冷卻或氣膜冷卻等形式對透平葉片、輪盤、內(nèi)外環(huán)等暴露于高溫燃?xì)庵械牟考M(jìn)行冷卻保護(hù)。整個(gè)冷卻空氣系統(tǒng)包含于燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)部，與其余系統(tǒng)如燃料系統(tǒng)、余熱鍋爐系統(tǒng)等不發(fā)生聯(lián)系，相互之間也不互相影響。[1，2]

相對來說，三菱的M701F4燃?xì)廨啓C(jī)透平的冷卻空氣系統(tǒng)更為復(fù)雜，除了在壓氣機(jī)不同壓力點(diǎn)抽氣之外，與GE的PG9351FA和Siemens的V94.3A不同之處在于，從壓氣機(jī)出口抽出的冷卻空氣并不直接送往透平，而是先通過透平冷卻空氣冷卻系統(tǒng)（即TCA系統(tǒng)）進(jìn)一步冷卻，然后再送往透平做冷卻空氣用。TCA系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)是來自高壓給水泵的給水，給水吸收壓縮空氣的熱量后正常負(fù)荷時(shí)送往高壓汽包，低負(fù)荷時(shí)則送往凝汽器。[3，4]

1　TCA系統(tǒng)對燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率的影響

1.1 TCA系統(tǒng)對燃?xì)廨啓C(jī)影響

應(yīng)用TCA系統(tǒng)減少了從壓氣機(jī)的抽氣量，提高了燃?xì)廨啓C(jī)出力。由于用溫度較低的給水與壓氣機(jī)末級出口的空氣換熱，進(jìn)一步降低了冷卻空氣的溫度，在透平冷卻要求不變的情況下就可以減少透平中的冷卻空氣用量，也就是減小了從壓氣機(jī)的抽氣量，這樣就有更多的空氣參與燃燒，生成更多的高溫燃?xì)?，并減少了壓氣機(jī)的抽氣帶來的熱力損失和冷卻空氣與主流燃?xì)獾膿交鞊p失，從而提高燃?xì)廨啓C(jī)出力。[5]

1.2 TCA系統(tǒng)對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率影響

應(yīng)用TCA系統(tǒng)可回收部分冷卻空氣熱量，提高聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的發(fā)電效率。在TCA冷卻器中，高壓給水泵給水與壓氣機(jī)末級抽氣換熱，在降低抽氣溫度的同時(shí)，給水提高了溫度，然后進(jìn)入高壓汽包。在這個(gè)過程中，給水回收了部分抽氣熱量，提高了整個(gè)聯(lián)合循環(huán)的熱效率，進(jìn)而提高了聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電效率。表1為GE、Siemens和三菱聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的出力、熱耗和循環(huán)效率對比。采用TCA系統(tǒng)后，三菱M701F4的聯(lián)合循環(huán)效率達(dá)到了59.5%，高于PG9351 FB（58%）和SGT5-4000F4 （58.4%），也高于用燃料氣加熱器的M701F3（57%）。

與早期用冷天然氣冷卻壓氣機(jī)末級抽氣相比，用高壓給水作為冷卻介質(zhì)可以減小TCA冷卻器尺寸。由于水的熱容量比天然氣高得多，汽-水換熱器的換熱效率也比氣-氣換熱器高，因此用較少的給水就能將壓氣機(jī)來的冷卻空氣進(jìn)一步冷卻至燃?xì)廨啓C(jī)透平冷卻要求的溫度，有利于減小TCA冷卻器的尺寸。

表1　不同聯(lián)合循環(huán)機(jī)組參數(shù)對比

2　TCA系統(tǒng)對余熱鍋爐系統(tǒng)的影響

2.1 TCA系統(tǒng)對余熱鍋爐成本影響

TCA系統(tǒng)增加了余熱鍋爐系統(tǒng)的設(shè)備投資成本。圖1和圖2分別是增加TCA系統(tǒng)前后余熱鍋爐相關(guān)部分的流程圖對比。增加TCA系統(tǒng)后，余熱鍋爐系統(tǒng)增加了相應(yīng)的管道、閥門、泵和流量、壓力、溫度等測量儀器，也增加了整個(gè)余熱鍋爐系統(tǒng)的投資成本。按三菱M701F4的典型TCA配置，統(tǒng)計(jì)了增加的閥門、管道和支吊架等部件，需增加投資成本約65萬元，見表2。

TCA系統(tǒng)防汽化保護(hù)需求使余熱鍋爐高壓省煤器的設(shè)計(jì)壓力提高，增加了高壓省煤器的鋼材耗量。在三菱的設(shè)計(jì)中，為了保證TCA冷卻器的安全運(yùn)行，需要防止冷卻水在TCA冷卻器中受熱汽化，損壞冷卻器本身和水側(cè)閥門、管道。TCA冷卻器出口冷卻水最大計(jì)算溫度為335℃，考慮到特殊工況，加上15℃的設(shè)計(jì)裕量，因此按TCA冷卻器出口冷卻水溫350℃設(shè)計(jì)，與此溫度對應(yīng)的飽和壓力約為16.5MPa，而且燃機(jī)運(yùn)行過程中要求TCA供水壓力基本不變，但按主汽壓力和管道閥門流阻計(jì)算，相應(yīng)的鍋爐高壓給水實(shí)際需要的壓力約為14MPa左右。為了達(dá)到TCA冷卻器的供水壓力，需要選用揚(yáng)程更高的給水泵才能滿足要求，這樣就會(huì)使余熱鍋爐高壓省煤器受熱面的設(shè)計(jì)壓力升高，為保證強(qiáng)度，必須增加受熱面管子的壁厚，也就增加了高壓省煤器的鋼材耗量，增加了余熱鍋爐的造價(jià)。

2.2 TCA系統(tǒng)對余熱鍋爐系統(tǒng)控制影響

TCA系統(tǒng)增加了余熱鍋爐控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，給余熱鍋爐系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制帶來了困難。TCA的冷卻水來源于高壓給水泵出水，與高壓省煤器并聯(lián)配置，冷卻水一路到凝汽器，一路到高壓汽包給水調(diào)閥入口，最終進(jìn)入高壓汽包。TCA系統(tǒng)的冷卻水流量主要由燃?xì)廨啓C(jī)控制系統(tǒng)（GTC）控制，但與DCS也有關(guān)聯(lián)，控制變量包括高壓汽包進(jìn)水調(diào)閥、高壓給水泵調(diào)閥、TCA進(jìn)出口調(diào)閥、高壓省煤器進(jìn)水調(diào)閥等，TCA冷卻水至汽包的調(diào)閥控制方式?jīng)]有實(shí)現(xiàn)對流量的閉環(huán)控制，僅根據(jù)設(shè)定流量、冷卻水溫度、調(diào)閥前后的壓差和調(diào)閥特性計(jì)算出調(diào)閥的開度指令，最后由閥門定位器進(jìn)行閥位定位，TCA冷卻水流量、高壓省煤器工質(zhì)流量、高壓汽包水位之間相互影響，其控制比沒有TCA的聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)復(fù)雜了很多，對調(diào)節(jié)和控制策略提出了更高的要求。其中TCA冷卻水在不同負(fù)荷情況下的切換控制、高壓汽包的水位控制尤為復(fù)雜。

2.3 TCA系統(tǒng)對給水泵影響

TCA系統(tǒng)防汽化保護(hù)需求使高壓給水泵不能變頻運(yùn)行，增加了余熱鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行成本。如前所述，為防止汽化，TCA冷卻器供水壓力約為16.5MPa，而且燃機(jī)運(yùn)行過程中要求TCA供水壓力基本不變，但按主汽壓力和相應(yīng)的管道閥門流阻計(jì)算，鍋爐高壓給水實(shí)際需要的壓力約為14MPa左右，且隨著機(jī)組負(fù)荷下降。由于TCA供水壓力基本不變，影響了負(fù)荷變動(dòng)時(shí)高壓給水泵使用變頻技術(shù)節(jié)能，增加了余熱鍋爐系統(tǒng)的運(yùn)行成本。

設(shè)計(jì)年利用小時(shí)為3500h，每年啟動(dòng)包括冷啟動(dòng)，溫啟動(dòng)和熱啟動(dòng)等共計(jì)403次。假設(shè)每次啟動(dòng)需要1h，停機(jī)需要1h，每次啟停共計(jì)2h，啟停過程中假設(shè)處于50%的負(fù)荷運(yùn)行。每度電0.5元計(jì)算，相對100%負(fù)荷機(jī)組在1a運(yùn)行時(shí)間約可節(jié)約的費(fèi)用為（1865-1345）kW ×2×403h×1a×0.5=209560元

表2　增加TCA系統(tǒng)后余熱鍋爐系統(tǒng)增加的部件和成本

3　結(jié)語

綜上所述，三菱M701F4的TCA系統(tǒng)可減少壓氣機(jī)末級出口抽氣量，提高燃?xì)廨啓C(jī)出力和聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組的效率，但同時(shí)帶來了余熱鍋爐系統(tǒng)投資成本和運(yùn)行成本的增加，也使得余熱鍋爐系統(tǒng)的調(diào)節(jié)和控制更加復(fù)雜。為保證整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要深入摸索TCA系統(tǒng)的特性，調(diào)整控制策略，優(yōu)化控制方案，同時(shí)對TCA系統(tǒng)做出合理的改進(jìn)，減少整個(gè)系統(tǒng)的投資成本和運(yùn)行成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴萍，林楓.燃?xì)廨啓C(jī)葉片葉片氣膜冷卻研究進(jìn)展[J].熱能動(dòng)力工程，2009，24（1）：1～6.

[2]張魏，金文.燃?xì)廨啓C(jī)冷卻技術(shù)綜述[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2008，（1）：24～27.

[3]張全付.西門子V94.3A型燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室及透平冷卻技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015，（1）：34，35.

[4]林鐵.GE-9FA燃?xì)廨啓C(jī)透平葉片冷卻技術(shù)分析[J].機(jī)械工程師，2013，（8）：279，280.

[5]毛丹.三菱M701F燃?xì)廨啓C(jī)葉片冷卻技術(shù)分析[J].重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2010，15（4）：1～4.

修回日期：2016-01-18

Analysis of Turbine Cooling Air System and Influence on the Combined Cycle of Gas Turbine

LI Liang-yong1，WANG Bo2
（1. Hudian Jiangdong Thermal-Electric Co.，Ltd，Hangzhou 310000，China；2. Hangzhou Boiler Group Co.，Ltd，Hangzhou 310021，China）

Abstract：Compared to General Electric，SIEMENS and MITSUBISHI F level gas turbine cooling system，MITSUBISHI M701F4 gas turbine cooling system is more complicated. After being cooled in TCA system，the air is sent to the turbine and as cooling air. The TCA system is introduced and analyzed. The influence to gas turbine combined cycle unit generation efficiency and waste heat boiler system is analyzed.

Key words：gas turbine；TCA；Combined cycle

收稿日期：2015-10-19

作者簡介：李梁永（1975-），男，杭州人，本科，主要從事電廠機(jī)械技術(shù)管理工作。

中圖分類號：TK471

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）01-0044-03

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.010