Alstom GT26 燃機(jī)OTC系統(tǒng)研究及相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：在燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)中，壓氣機(jī)的抽氣是一個(gè)重要的系統(tǒng)。無論是壓氣機(jī)啟停時(shí)的喘振防止，還是機(jī)組運(yùn)行中的透平各級(jí)葉片冷卻氣的供給，都是通過壓氣機(jī)的抽氣系統(tǒng)來完成的。合理有效的抽氣系統(tǒng)是保證整個(gè)機(jī)組安全、穩(wěn)定地運(yùn)行和啟停所必不可少的條件。Alstom GT26燃機(jī)壓氣機(jī)抽氣系統(tǒng)配備了兩套OTC冷卻系統(tǒng)，一套高壓OTC系統(tǒng)，一套低壓OTC系統(tǒng)。本文研究了Alstom GT26 OTC系統(tǒng)的設(shè)備組成、結(jié)構(gòu)形式、工作原理，并結(jié)合實(shí)際工程研究了OTC相關(guān)附屬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞： Alstom GT26燃?xì)廨啓C(jī)；高壓OTC系統(tǒng)；低壓OTC系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.21.052

1 OTC系統(tǒng)介紹

在燃?xì)廨啓C(jī)中，壓氣機(jī)的抽氣系統(tǒng)是一個(gè)重要的系統(tǒng)。無論是壓氣機(jī)啟停時(shí)的喘振防止，還是機(jī)組運(yùn)行中的透平各級(jí)葉片冷卻氣的供給，都是通過壓氣機(jī)的抽氣系統(tǒng)來完成的。合理有效的抽氣系統(tǒng)是保證整個(gè)機(jī)組安全、穩(wěn)定地運(yùn)行和啟停所必不可少的條件[1]。

Alstom GT26燃機(jī)壓氣機(jī)抽氣系統(tǒng)配備了兩套OTC冷卻系統(tǒng)，一套高壓OTC系統(tǒng)，一套低壓OTC系統(tǒng)。從壓氣機(jī)抽出的高溫壓縮空氣通過OTC系統(tǒng)冷卻，然后送入透平冷卻透平葉片。壓縮空氣在OTC中放出的熱量可參與聯(lián)合循環(huán)時(shí)的汽水循環(huán)，達(dá)到增加機(jī)組出力，提高機(jī)組性能的目的。

Alstom GT26密封及冷卻空氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備組成見圖1。

高壓和低壓OTC可以回收從壓氣機(jī)抽氣帶來的所有熱量以提高全廠聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力和機(jī)組效率。由于熱空氣和汽水在OTC中的換熱是在高溫、高壓條件下進(jìn)行，吸收的熱量轉(zhuǎn)換成汽輪機(jī)發(fā)電效率可高達(dá)46%，具有很高的熱效率。

2 高壓OTC系統(tǒng)

冷卻燃?xì)廨啓C(jī)高壓透平葉片的冷卻空氣從燃機(jī)壓氣機(jī)最后一級(jí)后抽出，在高壓OTC中被冷卻。在機(jī)組聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行時(shí)，來自余熱鍋爐（HRSG）高壓省煤器后的給水進(jìn)入高壓OTC，回收熱空氣放出的熱量進(jìn)入汽水循環(huán)系統(tǒng)。高壓OTC屬于逆流式換熱器，在機(jī)組啟動(dòng)前，OTC水側(cè)需達(dá)到一定液位以防止OTC管束過熱，氣側(cè)包含凝結(jié)水收集設(shè)備，空氣中的凝結(jié)水被收集到OTC最低點(diǎn)并連接到汽水循環(huán)疏水系統(tǒng)。在機(jī)組停機(jī)時(shí)，OTC氣側(cè)底部可能會(huì)產(chǎn)生少量凝結(jié)水，此時(shí)，OTC底部的自動(dòng)加熱系統(tǒng)會(huì)投入使用。加熱系統(tǒng)包括加熱電纜、熱電偶等儀表設(shè)備，可以防止停機(jī)時(shí)OTC氣側(cè)凝結(jié)水積聚。

在高壓OTC中，給水被加熱、蒸發(fā)、過熱，產(chǎn)生的過熱蒸汽與余熱鍋爐第一級(jí)過熱器后的主蒸汽混合，然后進(jìn)入余熱鍋爐第二級(jí)過熱器，之后通過主蒸汽管道進(jìn)入汽輪機(jī)做功。與此同時(shí)，OTC中的熱空氣被冷卻到合適的溫度，用來冷卻燃機(jī)透平葉片。在余熱鍋爐高壓省煤器和燃機(jī)高壓OTC之間的連接管道上設(shè)置調(diào)節(jié)閥，可以通過調(diào)節(jié)給水流量來控制OTC出口冷卻空氣的溫度在合適范圍。

3 低壓OTC系統(tǒng)

低壓冷卻空氣從合適的燃機(jī)壓氣機(jī)級(jí)間抽出，在低壓OTC中被冷卻，然后送入到燃機(jī)透平低壓冷卻系統(tǒng)。與高壓OTC的工作原理相同，來自余熱鍋爐省煤器后的高壓給水被加熱、蒸發(fā)、冷卻，產(chǎn)生的蒸汽被送回到余熱鍋爐與汽輪機(jī)汽水循環(huán)系統(tǒng)做功。與高壓OTC類似，低壓OTC也是逆流式換熱器，在機(jī)組啟動(dòng)前，OTC水側(cè)需達(dá)到一定液位以防止OTC管束過熱，氣側(cè)包含凝結(jié)水收集設(shè)備，空氣中的凝結(jié)水被收集到OTC最低點(diǎn)并連接到汽水循環(huán)疏水系統(tǒng)。在機(jī)組停機(jī)時(shí)，OTC氣側(cè)底部可能會(huì)產(chǎn)生少量凝結(jié)水，此時(shí)，OTC底部的自動(dòng)加熱系統(tǒng)會(huì)投入使用。加熱系統(tǒng)包括加熱電纜、熱電偶等儀表設(shè)備，可以防止停機(jī)時(shí)OTC氣側(cè)凝結(jié)水積聚。在低壓OTC中冷卻后的空氣被送入到透平葉片套筒、SEV燃燒室、EV擴(kuò)散管和透平殼體內(nèi)。一部分用來冷卻透平葉片套筒、透平進(jìn)口段和第一級(jí)透平葉片，剩余的部分用來冷卻轉(zhuǎn)子套筒、透平軸套、第二級(jí)透平葉片[4，5]。之后空氣隨燃?xì)廨啓C(jī)排氣進(jìn)入余熱鍋爐。

典型的聯(lián)合循環(huán)OTC系統(tǒng)流程圖見圖2. 來自余熱鍋爐高壓省煤器后的給水通過母管引出，在靠近燃機(jī)處分成兩個(gè)分支分別連接到高低壓OTC，每個(gè)分支均裝設(shè)隔離閥及控制閥，通過調(diào)節(jié)通過OTC的給水流量來控制OTC出口壓縮空氣的溫度。從高低壓OTC產(chǎn)生的過熱蒸汽匯成蒸汽母管回到余熱鍋爐主蒸汽系統(tǒng)，蒸汽母管上裝設(shè)有安全閥防止過熱蒸汽超壓。

4 OTC系統(tǒng)簡單循環(huán)運(yùn)行

如前所述，Alstom GT26機(jī)組聯(lián)合循環(huán)時(shí)可以通過OTC系統(tǒng)回收壓氣機(jī)高溫壓縮空氣的熱量至汽水循環(huán)系統(tǒng)做功，以提高機(jī)組性能和效率。但在機(jī)組簡單循環(huán)時(shí)，由于余熱鍋爐和汽輪機(jī)系統(tǒng)不運(yùn)行，OTC無法利用余熱鍋爐來的給水進(jìn)行冷卻，因此，GT26機(jī)組如果有簡單循環(huán)運(yùn)行工況，需要配備專門的OTC冷卻系統(tǒng)。一般GT26機(jī)組簡單循環(huán)運(yùn)行方式有以下兩種：

（1）OTC系統(tǒng)的高壓過蒸汽通過旁路煙囪排放：由于簡單循環(huán)時(shí)余熱鍋爐和汽輪機(jī)系統(tǒng)不運(yùn)行，給水泵也停止運(yùn)行，無法為OTC提供冷卻水來源，此時(shí)需要設(shè)置單獨(dú)的OTC給水泵。為了防止OTC設(shè)備發(fā)生氧化腐蝕，還需要設(shè)置單獨(dú)的OTC除氧器。經(jīng)過除氧器的給水達(dá)到要求的氧含量，通過給水泵分別送入到高壓、低壓OTC，在高、低壓OTC產(chǎn)生的過熱蒸汽，一部分經(jīng)過減溫減壓進(jìn)入到除氧器，為給水提供除氧加熱蒸汽，剩余的部分連接到旁路煙囪蒸汽接口，通過旁路煙囪排放。此系統(tǒng)為開式循環(huán)，需要連續(xù)的除鹽水補(bǔ)水。

（2）OTC系統(tǒng)的高壓過蒸汽通過冷凝器回收：由簡單循環(huán)時(shí)OTC系統(tǒng)的熱平衡圖可知，對(duì)于一套Alstom GT26 二拖一機(jī)組，兩臺(tái)燃機(jī)簡單循環(huán)時(shí)OTC系統(tǒng)的高壓蒸汽排放量為17.655kg/s （63.558t/h），僅OTC系統(tǒng)的除鹽水補(bǔ)水量就高達(dá)63.558t/h，且除鹽水全部排入大氣損失掉，機(jī)組運(yùn)行成本很高。因此，在有條件的情況下應(yīng)盡可能通過冷凝器回收過熱蒸汽。

冷凝器可以采用空冷凝汽器（Fin fan cooler）或者水冷表面式凝汽器。在干旱缺水地區(qū)采用空冷凝汽器（Fin fan cooler）回收凝結(jié)水，在水量豐富的地區(qū)可采用水冷表面式凝汽器，也可采用空冷凝汽器（Fin fan cooler）。

與普通的汽輪機(jī)空冷島（ACC）不同，由于進(jìn)入OTC空冷凝汽器的過熱蒸汽溫度為236.7℃，壓力為7bara，參數(shù)遠(yuǎn)高于普通的汽輪機(jī)空冷島（進(jìn)入空冷島的蒸汽為飽和蒸汽，壓力為真空）。因此，OTC凝汽器需要特殊設(shè)計(jì)，一般蒸汽側(cè)設(shè)計(jì)溫度為300℃，設(shè)計(jì)壓力為1MPa.a，換熱管束采用碳鋼材質(zhì)，采用鋁制翅片來增強(qiáng)換熱效果。空氣側(cè)熱空氣出口可以高達(dá)127℃，可以有效提高換熱效率，節(jié)省風(fēng)機(jī)數(shù)量，從而降低全廠電耗。兩臺(tái)燃機(jī)可以共用一套空冷凝汽器，配備6臺(tái)45KW冷卻風(fēng)機(jī)，冷卻風(fēng)量820kg/s。冷卻后的凝結(jié)水溫度為140℃，除鹽水補(bǔ)水量僅為0.2kg/s（0.72t/h）。空冷凝汽器外形圖見圖7. 綜上所述，使用OTC空冷凝汽器回收凝結(jié)水初始投資低，可以有效降低機(jī)組簡單循環(huán)時(shí)除鹽水耗量和全廠電耗，推薦使用此種方法回收凝結(jié)水。

5 結(jié)論

（1）OTC系統(tǒng)為Alstom GT26機(jī)組特有設(shè)備，GT26配備了一臺(tái)高壓OTC、一臺(tái)低壓OTC設(shè)備，用來冷卻壓氣機(jī)抽氣。

（2）OTC系統(tǒng)在聯(lián)合循環(huán)時(shí)產(chǎn)生的蒸汽可以參與全廠汽水循環(huán)，可以有效提高機(jī)組性能，提高全廠效率。

（3）OTC簡單循環(huán)運(yùn)行時(shí)可以將產(chǎn)生的蒸汽排放至旁路煙囪，也可以通過凝汽器回收凝結(jié)水。

（4）OTC空冷凝汽器為翅片式冷卻器，初始投資低，運(yùn)行效率高，可以有效降低廠用電及除鹽水耗量，在有條件的情況下，應(yīng)盡可能使用空冷凝汽器回收除鹽水。

參考文獻(xiàn)：

[1]李建君.軸流式壓氣機(jī)的抽氣方式及抽氣配管設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究[D].學(xué)位論文，2008.

[2]Alstom standard document，Technical information Gas turbine and auxiliaries.

[3]Alstom standard document，GT26-OTC cooling air cooler（Typical）Interface information for combined cycle& simple cycle operation.

[4]Matthias Hiddeman Peter Marx Operating Experience With the Latest Upgrade of Alstoms Sequential Combustion GT26 Gas Turbine，Proceedings of ASME Turbo Expo，2010：14-18.

[5]Rainer Kurtz ADVANCED RECONDITIONING TECHNOLOGIES FOR TUBINE BLADING AT ALSTOM，Proceedings of ASME Turbo Expo 2008：9-13.

作者簡介：許紅（1985-），男，山東濟(jì)寧人，研究生，工程師，主要從事燃煤、聯(lián)合循環(huán)、光熱電站研究及設(shè)計(jì)。