增壓級給水泵在M701F4 燃機TCA 冷卻水系統的應用

莫俊武，樊愛兵

（1.江蘇華電儀征熱電有限公司，江蘇 揚州，211400 2.華電江蘇能源有限公司，江蘇 南京，210028）

0 引言

作為一種熱力學布雷頓循環，燃氣輪機熱效率隨著燃燒溫度的升高而提高，但過高的初溫或導致熱通道部件在超過其熔化溫度下運行。借助熱障涂層保護和冷卻工質的冷卻，保證熱通道部件的工作溫度低于熔化溫度，使效率提高及熱通道部件壽命延長成為現實。采用壓氣機抽氣作為冷卻工質是成熟的冷卻方式，此功能的冷卻空氣被稱為TCA（Turbine Cooling Air），通常冷卻空氣量占進氣總量的20%～30%。為了獲得高的整體冷卻效率和低熱效率損失，M701F4 燃機從壓氣機末級抽氣引至冷卻系統，通過水冷式TCA 冷卻器冷卻到230 ℃后對轉子和透平動葉進行冷卻。三菱/東方推薦的M701F4 燃機的TCA 冷卻系統是標準配置，回收TCA 的部分能量，但TCA 水回路仍有優化空間。制造廠及電廠業主提出并分析了各種優化方案：（1）增大TCA 的換熱面積/流量、降低TCA冷卻水出口溫度，從而降低高壓泵出口壓力[1－2]；（2）增加獨立的TCA 泵[2]等。

本文提出了帶有增壓級給水泵的優化方案，增壓級給水泵具有吐出口和增壓級抽口，提供2種不同的出口壓力，分別與HRSG 的高壓省煤器、燃機的TCA 水側進口相連通，經加熱后輸送到高壓汽包中。增壓級的揚程按TCA 的水回路需求壓力設計，給水泵吐出口壓力按HRSG 主回路給水壓力要求而設計，解決了單一出口給水泵能耗及HRSG 高壓省煤器設計壓力高的問題，對進一步優化M701F4 燃機性能具有借鑒意義。

1 M701F4 燃機標準的TCA 冷卻水系統

M701F4 燃機冷卻轉子和透平動葉的空氣來自壓氣機排氣，經水冷式冷卻器冷卻后為暴露在高溫燃氣通道內的動葉和透平轉子輪盤提供熱障。M701F4 燃機TCA 水側的典型系統圖見圖1。

從圖1 中可以看出，高壓給水泵進口水源有兩路：一路來自凝結水泵，另一路來自低壓汽包，兩路之間設有旁路閥，以便在需要時切換水源。來自低壓汽包/凝結水泵的給水經高壓給水泵升壓后分兩路加熱送到高壓汽包：一路在TCA 冷卻器中與高溫空氣進行熱交換，另一路在高壓省煤器內與高溫燃氣進行熱交換，隨后兩路混合輸送到高壓汽包。

M701F4 燃機標準的TCA 冷卻水系統典型設計的特征是TCA 冷卻器的冷卻水與高壓省煤器的進水采用同一臺高壓給水泵，且共用一個出口。

毋庸置疑，TCA 出口的冷卻空氣溫度對安全運行至關重要。過高的冷卻空氣溫度會導致過流部件未達到合適的冷卻，或因溫度過高致使壽命縮短甚至突發安全事故；過低的冷卻空氣溫度則會影響燃氣輪機的出力和效率，三菱分析表明，TCA 氣側溫度每下降10～15 ℃，燃氣輪機的出力將下降1%[2]；另一方面給水過高的升溫將誘發TCA 冷卻器水側及其下游給水管內閃蒸，對冷卻器和下游管道產生破壞。此外，給水在TCA 與高壓省煤器溫升應一致，保證混合后的出口水溫接近高壓汽包內蒸汽飽和溫度。為了保證熱通道部件合適的冷卻、維持燃機高效運行，同時避免冷卻器水側及下游管線閃蒸，M701F4 對TCA 冷卻器進出口水溫、壓力，出口氣溫的要求如下：

（1）燃機從點火到全速空載期間，TCA 冷卻器氣側出口溫度不大于100 ℃，相應TCA 冷卻器的入口水溫應小于60 ℃；

（2）TCA 冷卻器氣側出口溫度需保證230 ℃，以免燃機熱通道部件受到損壞；

（3）TCA 冷卻器水側出口壓力≥水側出口溫度+15 ℃對應的飽和壓力[2]，以防TCA 冷卻器水側及其下游給水管內出現閃蒸汽蝕。

2 標準配置的不足之處

根據某燃機聯合循環電廠的設計條件及運行模式，基于M701F4 燃機對TCA 冷卻器水側和氣側參數要求，計算得出的不同燃機負荷下TCA 對給水泵出口壓力的要求見圖2 中曲線3，主蒸汽對給水壓力、給水流量隨燃機負荷的變化需求也同時展示在圖中，分別見曲線1、曲線2。

圖2 TCA 水側、給水壓力隨負荷的變化趨勢

從圖2 可以看出，隨著負荷的降低，主回路給水流量、壓力均下降，而TCA 冷卻器對高壓給水泵的出口壓力要求在增加，約在50%負荷達到峰值16.3 MPa，在30%負荷有所降低[1]。

此種情況下，如TCA 冷卻器的冷卻水與高壓省煤器的進水采用同一臺高壓給水泵，且單進單出，則存在以下不足：

（1）TCA 的溫度關系到燃機熱通道部件的安全運行，同時為防止TCA 冷卻器水側出口管道內發生閃蒸汽蝕，給水泵的運行壓力必須優先滿足TCA 冷卻器水側壓力的需要，這導致給水泵揚程始終大于主蒸汽的需求值，致使能耗偏高，尤其是低負荷下能耗增大更為嚴重。

（2）由于給水泵揚程大于汽水回路的實際需求值，高壓給水泵下游的高壓省煤器、管路的設計壓力均要提高，壁厚增加，無疑增加了投資。

（3）鍋爐高壓給水泵需定壓運行以免TCA 冷卻器水側出口管道內發生汽蝕，無法使用變頻泵。

3 增壓級給水泵優化方案

為了解決單吸單出高壓給水泵的揚程不能同時兼顧主回路給水、TCA 冷卻水壓力的需要，可采用單吸雙出口的增壓級的給水泵替代單吸單出的高壓給水泵。

增壓級給水泵是在末級葉輪之后增添一個大輪轂直徑、低比轉速葉輪，并加設增壓級抽頭，這樣給水泵就具有主吐出口和增壓級抽頭，增壓級抽頭壓力高于給水泵的吐出口壓力。

增壓級給水泵在M701F4 燃機TCA 冷卻器冷卻水系統應用中，給水泵的吐出口與HRSG 的高壓省煤器相連接，增壓級抽頭與燃機的TCA 冷卻器水側進口相連接，同時，TCA 冷卻水與高壓省煤器出水相對獨立，TCA 冷卻器冷卻水將直接回高壓汽包，而不與高壓省煤器來水混合后經液位控制閥進入高壓汽包，兩者分別進入高壓汽包，見圖3，這樣就避免了TCA 冷卻器冷卻水流量控制閥FCV-2 與高壓汽包液位控制閥LCV 之間相互干擾，此外，可在近高壓汽包的TCA 冷卻器冷卻水管道上加裝節流孔板，確保管道內的水不閃蒸汽化，為防止冷卻水流對高壓汽包水位測量的影響，冷卻水接入口應放置在高壓汽包的遠離水位測量位置。由于TCA 冷卻器冷卻水和主回路給水獨立進入高壓汽包，可取消省煤器前的差壓控制閥。TCA 冷卻器液位高報警信號發出后，但水位繼續上升，給水泵最小流量閥應開啟。

圖3 增壓級給水泵在M701F4 燃機TCA 水側的系統圖

給水泵主吐出口的設計點：供熱機組以冬季設計條件100%負荷下最大供熱模式運行時的給水流量及主蒸汽壓力為基點而確定；對于純冷凝機組，按冬季設計條件下100%負荷時的給水流量及主蒸汽壓力為基點而確定。

增壓級葉輪水力設計點：出口壓力按TCA 冷卻器出口水溫最大值+15 ℃所對應的飽和蒸汽壓力，流量按此工況下所需的減溫水流量+20%裕量。在上述示例電廠中，TCA 水側需求冷卻水壓力的峰值為16.3 MPa，發生在50%燃機負荷附近。為了滿足TCA 冷卻器冷卻水運行壓力的要求，需將50%負荷的16.3 MPa 作為增壓級的設計壓力，此負荷下的流量作為增壓級的設計流量，同時75%、100%負荷下的TCA 水側壓力和流量作為校核工況，即增壓級的性能曲線應全程覆蓋TCA 所需的減溫水流量及其與壓力見圖4。

圖4 增壓級的性能

4 節能減排分析

根據章節3 所確定的設計原則，可將增壓級給水泵與標準設計的單吸單出高壓泵(兼用于TCA 冷卻)所需的軸功率進行比較，75%負荷下的結果見表1。

通過表1 可以看出，采用增壓級高壓給水泵與單吸單出的高壓給水泵相比，按年運行3 500 h計算，每年可節約廠用電51 萬度，CO2減排205 t。

表1 TCA 冷卻系統水側參數匯總表

5 結論

將帶有增壓級給水泵應用于M701F4 聯合循環電站的TCA 冷卻水系統，可在標準配置增效減排的基礎上，進一步發揮該機型的技術優勢，提高其節能減排的水平。