Alstom GT26 燃機OTC系統研究及相關系統設計

許　紅

（青島鴻瑞電力工程咨詢有限公司,山東 青島 266100）

Alstom GT26 燃機OTC系統研究及相關系統設計

許紅

（青島鴻瑞電力工程咨詢有限公司,山東 青島 266100）

在燃氣輪機系統中，壓氣機的抽氣是一個重要的系統。無論是壓氣機啟停時的喘振防止，還是機組運行中的透平各級葉片冷卻氣的供給，都是通過壓氣機的抽氣系統來完成的。合理有效的抽氣系統是保證整個機組安全、穩定地運行和啟停所必不可少的條件。Alstom GT26燃機壓氣機抽氣系統配備了兩套OTC冷卻系統，一套高壓OTC系統，一套低壓OTC系統。本文研究了Alstom GT26 OTC系統的設備組成、結構形式、工作原理，并結合實際工程研究了OTC相關附屬系統的設計方法。

Alstom GT26燃氣輪機;高壓OTC系統;低壓OTC系統;系統設計

1　OTC系統介紹

在燃氣輪機中，壓氣機的抽氣系統是一個重要的系統。無論是壓氣機啟停時的喘振防止，還是機組運行中的透平各級葉片冷卻氣的供給，都是通過壓氣機的抽氣系統來完成的。合理有效的抽氣系統是保證整個機組安全、穩定地運行和啟停所必不可少的條件[1]。

AlstomGT26燃機壓氣機抽氣系統配備了兩套OTC冷卻系統，一套高壓OTC系統，一套低壓OTC系統。從壓氣機抽出的高溫壓縮空氣通過OTC系統冷卻，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合循環時的汽水循環，達到增加機組出力，提高機組性能的目的。

AlstomGT26密封及冷卻空氣系統結構、設備組成見圖1。

圖1　Alstom GT26密封及冷卻空氣系統[2]

高壓和低壓OTC可以回收從壓氣機抽氣帶來的所有熱量以提高全廠聯合循環機組出力和機組效率。由于熱空氣和汽水在OTC中的換熱是在高溫、高壓條件下進行，吸收的熱量轉換成汽輪機發電效率可高達46%，具有很高的熱效率。

2　高壓OTC系統

冷卻燃氣輪機高壓透平葉片的冷卻空氣從燃機壓氣機最后一級后抽出，在高壓OTC中被冷卻。在機組聯合循環運行時，來自余熱鍋爐（HRSG）高壓省煤器后的給水進入高壓OTC，回收熱空氣放出的熱量進入汽水循環系統。高壓OTC屬于逆流式換熱器，在機組啟動前，OTC水側需達到一定液位以防止OTC管束過熱，氣側包含凝結水收集設備，空氣中的凝結水被收集到OTC最低點并連接到汽水循環疏水系統。在機組停機時，OTC氣側底部可能會產生少量凝結水，此時，OTC底部的自動加熱系統會投入使用。加熱系統包括加熱電纜、熱電偶等儀表設備，可以防止停機時OTC氣側凝結水積聚。

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

3　低壓OTC系統

低壓冷卻空氣從合適的燃機壓氣機級間抽出，在低壓OTC中被冷卻，然后送入到燃機透平低壓冷卻系統。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、冷卻，產生的蒸汽被送回到余熱鍋爐與汽輪機汽水循環系統做功。與高壓OTC類似，低壓OTC也是逆流式換熱器，在機組啟動前，OTC水側需達到一定液位以防止OTC管束過熱，氣側包含凝結水收集設備，空氣中的凝結水被收集到OTC最低點并連接到汽水循環疏水系統。在機組停機時，OTC氣側底部可能會產生少量凝結水，此時，OTC底部的自動加熱系統會投入使用。加熱系統包括加熱電纜、熱電偶等儀表設備，可以防止停機時OTC氣側凝結水積聚。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擴散管和透平殼體內。一部分用來冷卻透平葉片套筒、透平進口段和第一級透平葉片，剩余的部分用來冷卻轉子套筒、透平軸套、第二級透平葉片[4,5]。之后空氣隨燃氣輪機排氣進入余熱鍋爐。

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

4　OTC系統簡單循環運行

如前所述，AlstomGT26機組聯合循環時可以通過OTC系統回收壓氣機高溫壓縮空氣的熱量至汽水循環系統做功，以提高機組性能和效率。但在機組簡單循環時，由于余熱鍋爐和汽輪機系統不運行，OTC無法利用余熱鍋爐來的給水進行冷卻，因此，GT26機組如果有簡單循環運行工況，需要配備專門的OTC冷卻系統。一般GT26機組簡單循環運行方式有以下兩種：

（1）OTC系統的高壓過蒸汽通過旁路煙囪排放：由于簡單循環時余熱鍋爐和汽輪機系統不運行，給水泵也停止運行，無法為OTC提供冷卻水來源，此時需要設置單獨的OTC給水泵。為了防止OTC設備發生氧化腐蝕，還需要設置單獨的OTC除氧器。經過除氧器的給水達到要求的氧含量，通過給水泵分別送入到高壓、低壓OTC，在高、低壓OTC產生的過熱蒸汽，一部分經過減溫減壓進入到除氧器，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。此系統為開式循環，需要連續的除鹽水補水。

（2）OTC系統的高壓過蒸汽通過冷凝器回收：由簡單循環時OTC系統的熱平衡圖可知，對于一套AlstomGT26二拖一機組，兩臺燃機簡單循環時OTC系統的高壓蒸汽排放量為17.655kg/s(63.558t/h)，僅OTC系統的除鹽水補水量就高達63.558t/h，且除鹽水全部排入大氣損失掉，機組運行成本很高。因此，在有條件的情況下應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（Finfancooler）或者水冷表面式凝汽器。在干旱缺水地區采用空冷凝汽器（Finfancooler）回收凝結水，在水量豐富的地區可采用水冷表面式凝汽器，也可采用空冷凝汽器（Fin fancooler）。

與普通的汽輪機空冷島（ACC）不同，由于進入OTC空冷凝汽器的過熱蒸汽溫度為236.7℃，壓力為7bara，參數遠高于普通的汽輪機空冷島（進入空冷島的蒸汽為飽和蒸汽，壓力為真空）。因此，OTC凝汽器需要特殊設計，一般蒸汽側設計溫度為300℃，設計壓力為1MPa.a，換熱管束采用碳鋼材質，采用鋁制翅片來增強換熱效果。空氣側熱空氣出口可以高達127℃，可以有效提高換熱效率，節省風機數量，從而降低全廠電耗。兩臺燃機可以共用一套空冷凝汽器，配備6臺45KW冷卻風機，冷卻風量820kg/s。冷卻后的凝結水溫度為140℃，除鹽水補水量僅為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水初始投資低，可以有效降低機組簡單循環時除鹽水耗量和全廠電耗，推薦使用此種方法回收凝結水。

圖2　聯合循環OTC系統示意圖

5　結論

（1）OTC系統為AlstomGT26機組特有設備，GT26配備了一臺高壓OTC、一臺低壓OTC設備，用來冷卻壓氣機抽氣。

（2）OTC系統在聯合循環時產生的蒸汽可以參與全廠汽水循環，可以有效提高機組性能，提高全廠效率。

（3）OTC簡單循環運行時可以將產生的蒸汽排放至旁路煙囪，也可以通過凝汽器回收凝結水。

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

[1]李建君.軸流式壓氣機的抽氣方式及抽氣配管設計系統的研究[D].學位論文,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 Alstom’s 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.

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

許紅（1985-）,男,山東濟寧人,研究生,工程師,主要從事燃煤、聯合循環、光熱電站研究及設計。