M 701F4燃氣輪機新型空氣冷卻器及其系統介紹和優化方案比較

梁珊珊，董奎，楊小軍，陶健，艾松

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

M 701F4燃氣輪機新型空氣冷卻器及其系統介紹和優化方案比較

梁珊珊，董奎，楊小軍，陶健，艾松

(東方汽輪機有限公司，四川德陽，618000)

通過對新、舊型空氣冷卻器的比較，得出采用新型空氣冷卻器的優勢和重要性。通過對該新型冷卻器系統配置的分析，對目前電廠業主和鍋爐廠家提出的優化方案進行比較，得到冷卻空氣冷卻器水側系統較為可行的優化方案。

M 701F4燃氣輪機，新型空氣冷卻器，系統配置，控制理念，優化方案

0 引言

M701F4型燃氣輪機是三菱將成熟的M501G型燃氣輪機中先進的技術運用到M701F3型燃氣輪機，從而提高了燃氣輪機的出力和降低了機組的熱耗。在眾多的技術改進點中，燃機轉子及動葉冷卻系統中的空氣冷卻器 （簡稱TCA）對性能的提升起到了不可小覷的作用，本文主要介紹M701F4采用的新型TCA的設計原理和系統特點，并就其控制理念進行簡單的介紹。

1 新型TCA（氣水換熱）與老型TCA（氣氣換熱）的比較

燃氣輪機的熱力循環為典型的Brayton循環，燃機的效率隨著透平第一級靜葉入口溫度的增加而升高。所以燃氣輪機制造商一直致力于提高透平入口溫度。但是，該溫度往往受到透平葉片材料的限制。通常會通過2種方式解決透平葉片金屬持續承受高溫的問題：（1）在透平一二級葉片表面噴涂TBC熱障涂層，通過涂層，將透平葉片金屬表面溫度降低到較低的水平； （2）分別從壓氣機抽氣到透平靜葉進行冷卻，同時抽取壓氣機排氣到TCA進行冷卻后，返回到燃機透平對轉子和動葉片進行冷卻。圖1為采用冷卻技術后燃氣溫度和葉片金屬壁面溫度的分布情況。

圖1 燃氣溫度和葉片金屬溫度的分布

在M701F3型燃機中，三菱采用空冷式的TCA，通過空氣自然對流和安裝在TCA冷卻器下方的風扇引起的空氣強制對流，將熱量傳給燃氣加熱器，在加熱天然氣的同時，將壓氣機排氣冷卻到230℃。該換熱器的傳熱介質是氣體，傳熱系數低。因此老型TCA的換熱效率較低，雖然該系統簡單可靠，但不能充分回收TCA冷卻空氣的余熱，對整個聯合循環機組的性能提升有限。M701F4型機組的新型TCA為管殼式給水換熱器，利用高壓給水泵出口給水對壓氣機排氣進行冷卻，換熱介質為水，傳熱系數大，換熱效率高。透平冷卻空氣的余熱被鍋爐給水充分吸收，使余熱鍋爐產汽量上升，從而提高了聯合循環機組性能。

對于典型的采用F4燃機的聯合循環機組，通過比較采用空冷式TCA冷卻器和水冷式TCA冷卻器的機組性能后發現，采用水冷式冷卻器后聯合循環機組出力增加1.5 MW，燃料消耗量保持不變，機組效率提高0.19%，機組熱耗降低19 kJ/ kWh。

由上可見，M701F4型燃機采用的管殼式水冷TCA，對提高聯合循環機組的效率有較大貢獻。圖2表示了采用不同形式TCA冷卻器時的熱量分配關系。

圖2 空冷式和水冷式TCA FGH熱量分配

2 新型TCA設計原理及要點

M701F4燃氣輪機的TCA為管殼式換熱器，利用高壓給水泵出口的水對從壓氣機出口抽取的空氣進行冷卻。其換熱計算公式如下：

Q=K×F×Δt

式中：

Q―熱負荷；

K―傳熱系數；

F―換熱面積；

Δt―傳熱溫差 （一般用對數平均溫差）。

對數溫差Δt=（（Ti-to）-（To-ti））/ln（（Ti-to）/（Toti））

式中：

Ti―熱流體進口溫度，K；

To―熱流體出口溫度，K；

ti―冷流體進口溫度，K；

to―冷流體出口溫度，K。

雖然換熱計算比較簡單，但是TCA設計需要考慮的因素比較多。

首先，要保證TCA氣側空氣出口溫度為230℃，以免燃機熱通道部件受到損壞。此項通過在任何工況下給予足夠的高壓給水量來保證。

其次，由于TCA出口水與高壓省煤器出口給水先混合后再進入高壓汽包，該處溫度需接近高壓汽包內蒸汽飽和溫度，以免造成節點溫差過大而影響余熱鍋爐產汽量和效率。但同時，TCA出口水側水溫太高，容易在TCA出口管道中發生汽化，損壞管道和閥門，嚴重威脅TCA設備安全和機組正常穩定運行。而如果要避免汽化，需將TCA出口管線中的壓力穩定在比TCA出口水溫高出一定溫度對應的飽和壓力以上。在TCA出口水溫的選取上，按照比高壓汽包溫度低一定溫度的原則來確定TCA出口的水溫。

由于在不同大氣條件下，燃機壓氣機的抽氣溫度不同，鍋爐高壓給水泵的出口水溫也會發生變化，所以在TCA設計時需要充分考慮機組的變工況運行，其中包括極端最低溫度工況、燃機最大出力工況、性能保證工況和極端最高溫度工況等。特別值得注意的是，對于2on1（2臺燃機帶1臺汽機）的運行工況，需要注意當單臺燃機帶汽機運行時，TCA出口水溫會出現高點。

3 TCA水側系統及控制理念

為了得到TCA帶來的聯合循環機組性能提升和保證系統安全可靠運行，TCA水側的系統設計非常重要。圖3為三菱M701F4燃機TCA水側的典型系統設計。

圖3 TCA水側系統示意圖

從圖3可以看出，從高壓給水泵出口出來的高壓給水分為2路，一路通過高壓省煤器進入高壓汽包，一路到TCA對轉子冷卻空氣進行冷卻后再進入到高壓汽包。

燃機啟動期間 （從燃機點火到全速空載），TCA冷卻空氣出口溫度應小于100℃，因此，在這個階段TCA冷卻器的入口水溫應小于60℃。由于啟動階段 （尤其是熱態啟動階段）高壓給水的溫度一般都是100℃以上，只有通過在凝結水泵后設置旁路閥，降低高壓給水溫度，以達到燃機運行的要求。

TCA水側入口前設置并聯的2個入口閥，其中較小管徑的閥門 （25A）作為主進口閥的旁路，起到平衡主進口閥前后壓差的作用。

TCA出口的冷卻空氣溫度對燃機的安全運行非常重要。在燃機啟動和90%負荷以下，通過控制TCA的水量來控制TCA氣側溫度；到燃機90%～100%負荷，通過控制TCA出口氣側溫度控制TCA入口的水流量。

在燃機啟動初期和低負荷運行時，TCA出口水溫較高壓汽包低，不能直接排入高壓汽包，而是通過FCV-1排入凝汽器，此時TCA給水流量的控制依靠凝汽器側閥門FCV-1；當燃機負荷達到一定值時，即可關閉閥門FCV-1，打開TCA出口去高壓汽包的閥門FCV-2，此時TCA水量的控制由高壓汽包前閥門FCV-2進行。在運行過程中，FCV-1作為FCV-2的緊急備用，如果由于汽包水位調節或其他原因，FCV-2全開也滿足不了TCA的用水量，FCV-1就迅速打開，以保證TCA有足夠的冷卻水量，防止燃機葉片超溫。所以，FCV-1必須具備快開功能。

在高壓省煤器出口、高壓汽包進口。設置控制閥LCV，該閥門用于汽包水位的控制，同時，為了避免TCA水側出口溫度高產生的汽化，該閥門還有一定的憋壓作用。

在高壓省煤器前面，還設置了一個調節閥，該閥門的主要目的是匹配TCA管線和省煤器管線的壓阻，以便合理分配2條支路的流量。

4 TCA水側系統優化設計方案

F4型燃氣輪機的TCA水側系統標準配置，提高了燃氣輪機聯合循環機組的性能。但是如果采用此系統，鍋爐高壓給水泵需定壓運行以免TCA水側出口管道內發生汽蝕，無法使用變頻泵，因此，國內電廠業主和鍋爐廠家希望該系統可以得到優化。下文就各種優化方案進行介紹。

優化方案一：增加TCA水側流量，降低TCA出口水溫，從而降低高壓泵出口壓力。

此方案實現最為簡單，以山西某項目為例，設計工況下，TCA出口水溫為301.2℃，若將TCA出口水溫降低到280℃，TCA水側流量增加4.4%，TCA換熱面積減少95m2。高壓給水泵出口壓力可以下調到13 MPa左右。但是，正如之前描述，由于TCA出口水先與高壓省煤器出口給水混合后再進入高壓汽包，該處的溫度需接近高壓汽包內蒸汽飽和溫度，否則會造成節點溫差過大而影響余熱鍋爐產汽量和效率。以浙江某項目為例，余熱鍋爐如按TCA的出口水溫度比高壓汽包的溫度低35℃，余熱鍋爐可以通過調節受熱面滿足常規設計中汽機進口參數的要求，但需增加受熱面1×104m2，煙氣阻力增加約6 mm水柱；余熱鍋爐如按TCA的出口水溫度比高壓汽包的溫度低40℃，余熱鍋爐可以通過調節受熱面滿足常規設計中汽機進口參數的要求，但需增加受熱面1.6×104m2，煙氣阻力增加約10 mm水柱。由此可看出，降低TCA出口水溫，雖然可以降低高壓泵出口壓力到14.5 MPa，但是會造成鍋爐換熱面積的大幅度增加，如不增加鍋爐換熱面積，那么汽機的出力將受到嚴重影響，從而影響到聯合循環機組的效率。所以此方案經濟性不高。

優化方案二：為降低省煤器設計壓力，某鍋爐廠建議TCA出口水直接進入高壓汽包。

圖4 某鍋爐廠優化方案

由圖4可見，TCA出口水與高壓省煤器出口水相對獨立，分別進入高壓汽包。省煤器前閥門將壓力降低，可降低省煤器制造成本，取消省煤器后水位控制閥，采用由省煤器前閥門控制高壓汽包水位。此系統的弊端在于：（1）TCA水側出口閥門后管道易產生汽蝕，從而增加了TCA水側出口流量控制閥FCV-2的易損率，對TCA設備的安全性埋下隱患； （2）高壓省煤器前的控制閥不僅起到減壓作用，還控制調節汽包水位，控制起來有一定難度； （3）鍋爐汽包進水兩路，但僅對省煤器那路進行水位控制，而沒有對TCA管線進行控制，所以在汽包水位控制時不會那么精準。

優化方案三：變頻泵的特性曲線隨著負荷（流量）的降低出口壓力逐步升高，而隨著負荷降低，TCA出口水溫也升高，可以根據此特性對高壓給水泵進行選型。

以某項目為例，TCA出口水溫匯總如表1所示。

表1 不同工況下TCA出口水溫度

表1中顏色文字示出了各工況下TCA出口的最高水溫，在此基礎上增加要求的一定余量，并折算其對應的飽和壓力，進而計算出給水泵出口的壓力，如表2所示。

表2 不同工況下高壓給水泵壓力要求

從表2可以看出，TCA系統對給水壓力的要求是隨著負荷的降低，給水壓力升高，在50%負荷達到峰值16.3 MPa，在30%負荷有所降低。現將以滿足50%負荷的16.3MPa作為高壓給水泵的選型基礎，根據泵的特性曲線對其他各負荷的給水壓力進行折算，詳如表3所示。

表3 不同工況下TCA出口水溫余量

經初步核算，該方案可有效降低高壓給水系統的功耗。

該方案是目前最為合理的方案，雖然節能效果不如直接增加TCA水量的方案，但是不會影響到鍋爐換熱面的造價和聯合循環機組的出力。

5 結論

由以上分析可以看出，M701F4型燃機所采用的氣水換熱式TCA冷卻器，可以為聯合循環機組貢獻1.5 MW的出力，同時機組效率提高0.19%，是M701F4燃機在同類產品中出力、效率等性能指標名列前茅的重要技術因素之一。而如果再使用優化方案三，以部分負荷時的壓力作為高壓給水泵的選型基準，在運行時根據TCA實際出口水溫對給水泵進行變頻調節，可以降低給水泵運行時的能耗。

[1]焦樹建.燃氣-蒸汽聯合循環[M].北京:機械工業出版社, 2000

東汽要聞

土耳其機組順利通過96 h試運行

當地時間7月21日，土耳其依其達斯·比嘎電站2號機―――600 MW超臨界燃煤機組 （D600RN2）順利通過96 h試運行考核，目前各項運行指標良好。據悉，該機組為東汽首次出口土耳其的機組，此次成功投運將為今后公司開拓歐洲市場打下良好基礎。由于該機組安裝時間較長，給現場安裝及調試工作帶來了很多不便和挑戰。但是在公司領導的關心支持下，在現場安裝、服務人員的積極努力和配合下，機組最終沖轉成功，并網帶滿負荷，順利結束了96 h試運行考核，整個過程汽機運行穩定，各項運行指標良好。

Introduction and Com parison of Optim ization for New Type Air Cooler and Its System of M 701F4 Gas Turbine

Liang Shanshan，Dong Kui，Yang Xiaojun，Tao Jian，Ai Song
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The new type air cooler is particularly important for the performance advantage of M701F4 gas turbine by comparing the old type air cooler with the new one.By analyzing the new type cooler system configuration and comparingmodification suggestions from end users and HRSGmanufacturers,amore feasible optim ization scheme is found.

M701F4 gas turbine,new type air cooler,system configuration,control concept,optimization

TK284

：A

：1674-9987（2014）03-0017-05

梁珊珊 （1977-），女，工學學士，工程師，1998年畢業于西安交通大學熱動力工程專業，現主要從事燃機項目BOP設計工作。