三菱M701F4燃機透平冷卻系統優化方案的探究

摘要：三菱M701F4在機組增大改型中對燃氣輪機透平冷卻空氣系統進行了改進，在對燃機透平冷卻系統布置方案進行優化后，節省了設備投資，在燃機項目建設中具有較為普遍的推廣價值。

關鍵詞：燃氣輪機 透平冷卻 節能 優化方案

引言

日本三菱重工是國內燃氣輪機的供貨商之一，三菱公司M701F4型燃氣輪機是當今世界容量最大、效率最高的機型之一，東方電氣是三菱燃機設備的國內技術合作方。M701F4型燃氣-蒸汽聯合循環機組的配置型式為：一臺燃汽輪機，一臺蒸汽輪機，一臺發電機，一臺余熱鍋爐，機組頻率為50Hz，機組性能保證條件下出力為452.07MW。

燃機燃燒室的高溫燃氣為1400℃，燃機透平靜葉及葉片暴露在高溫燃氣中，為保證燃機透平的正常工作和使用壽命，必須保證燃機透平冷卻系統的可靠運行。M701F4燃氣透平為4級，采用空氣冷卻。冷卻空氣取自壓氣機抽氣口，經燃機空氣冷卻器（TCA）冷卻后送至燃機對透平葉片和靜葉等部件進行冷卻。冷卻空氣系統執行著燃氣輪機可靠運行必需的基本的功能，其功能在于引導冷卻空氣進入熱通道構件，冷卻回路包括動葉片冷卻回路和靜葉片冷卻回路。動葉片冷卻空氣是由從燃氣輪機燃燒器外殼抽出的壓氣機出口空氣。

1 M701F4型透平冷卻系統的優化

三菱M701F4型機組中，對燃機空氣冷卻系統進行了改進，采用余熱鍋爐給水對壓氣機來的空氣進行冷卻后送至透平對靜葉和葉片進行冷卻，能夠達到更好的冷卻效果。系統采用TCA換熱器，利用余熱鍋爐高壓給水對透平冷卻空氣進行冷卻，冷卻后空氣溫度能夠由330℃左右的高溫冷卻到要求的230℃，冷卻效果得到了改善，系統的可靠性得到了提高。壓氣機出口的高溫空氣在得到冷卻的同時，加熱了余熱鍋爐高壓給水，回收了大量的熱能，提高了聯合循環機組運行的經濟性。

1.1 原透平冷卻系統的設置

圖1為三菱重工燃機透平冷卻器TCA的冷卻水系統圖。如圖所示，由高壓給水泵來的給水分成兩個支路，一路去高壓省煤器在余熱鍋爐受熱面中進行換熱，一路去TCA冷卻器，對燃機透平冷卻空氣冷卻后，給水溫度上升后分成兩路，一路經調節閥匯入高壓省煤器出口管道后經汽包水位調節閥排入高壓汽包，在正常運行中投入使用；一路經凝汽器調節閥排入凝汽器，在機組啟停機中投入使用。

圖1 燃機TCA冷卻器冷卻水系統圖

在電廠運行中需要保證TCA 冷卻器的正常運行，主要是防止高壓給水在TCA冷卻器內部汽化，對TCA冷卻器本身產生破壞。同時，也要考慮到TCA水側管道及閥門的安全性，盡量減少水側管道內的汽化產生。經計算燃機TCA冷卻器出口最大溫度為335℃，為保證特殊工況，設計溫度考慮加上15℃的裕量，因此用出口溫度350℃來設計高壓給水泵的出口壓力，該壓力對應的飽和壓力為16 MPa（g）。為防止TCA冷卻水出口汽化，對設造成損壞，要保TCA冷卻水的壓力高于16MPa（g）才能滿足要求。

1.2燃機透平冷卻系統的優化

由于與燃機配套的汽輪機組高壓主蒸汽壓力為11MPa，為了達到TCA的冷卻壓力，需要選用揚程更高的給水泵才能滿足要求，同時按三菱的設計也會使余熱鍋爐高壓省煤器部分受熱面的設計壓力升高，從而耗費大量的優質鋼材。

原來的TCA冷卻系統冷卻水排水經調節閥接至高省管路，后經汽包水位調節閥進入汽包，如果汽包水位調節閥關小，由于TCA回水和省煤器進水的進入，會使高壓省煤器壓力上升至接近16MPa，省煤器受熱面的壓力就要按16MPa的工作壓力進行設計生產。為了達到燃機透平冷卻系統的正常運行，同時降低鍋爐高壓省煤器的設計壓力，對燃機透平冷卻系統進行了優化。

如圖2所示，由高壓給水泵來的給水利用高壓省煤器入口的調節閥將給水壓力由16MPa減壓至12MPa后進入高壓省煤器，經高壓省煤器加熱后直接進入高壓汽包。TCA冷卻用的給水經TCA換熱后經№2、№4調節閥后進入高壓汽包。在TCA回水至高壓汽包№2調節閥的后面加裝一個調節閥№4的，用于解決控制上的問題，№2由燃機控制系統進行控制，№4由DCS進行控制，用于保證汽包水位。№2和№3相配合，用于調節TCA冷卻水流量，保證燃機冷卻空氣的冷卻，№2 、№3兩個調節閥的控制方式可以維持三菱邏輯控制方式不變，但系統較為復雜。可以將№2、№4調節閥合并成一個調節閥，對控制邏輯進行整體考慮和實現。

圖2 優化后燃機TCA設備及管路系統示意圖

由TCA經№2去汽包的調節閥№4用于調節去高壓汽包的流量，與余熱鍋爐高省入口調節閥No1共同控制高壓汽包水位。由于有兩個調節閥來控制汽包水位，控制難度加大，需要進一步細化汽包水位的控制邏輯。

2 燃機透平冷卻系統的邏輯設置

汽包水位調節是控制汽包水位在一定范圍波動。對于省煤器入口調節閥和TCA出口調節閥如采用流量切換更容易實現。在機組啟動時，高壓給水泵由凝結水供水，高壓給水泵供水至TCA，TCA出口工質通過凝結水側的控制閥進入凝汽器，TCA出口汽包側控制閥關閉。在正常運行時，調節TCA出口汽包側的控制閥滿足TCA水側工質流量；調節省煤器進口控制閥調節給水流量，滿足汽包水位的控制要求，此時省煤器入口控制閥調節進水流量（FT1+FT2）來達到控制水位的目的。

圖3 TCA系統設備及控制示意圖

當汽包水位高時，降低省煤器進口調節閥的開度，當高壓蒸汽流量降低到一定流量時，關閉TCA出口汽包側控制閥，同時打開TCA出口凝汽器側調節閥。如汽包水位仍然高時，再逐漸關小省煤器進口控制閥的開度至汽包水位正常，此時省煤器入口控制閥僅調節FT2流量來調節水位。

當鍋爐啟動時汽包上水和水位低時，TCA出口工質通過凝結水側的調節閥進入凝汽器，TCA出口汽包側控制閥關閉。調節省煤器進口調節閥至省煤器進口流量大于一定流量時，打開TCA出口汽包側調節閥，關閉TCA出口凝汽器側調節閥，再調節省煤器進口調節閥至汽包水位正常，此時省煤器入口調節閥調節（FT1+FT2）流量來控制水位。

3 透平冷卻系統的閥門選型

為保證透平冷卻系統的安全運行，系統中的流量調節閥選用調節性能優越的進口調節閥。其中TCA回水至凝汽器調節閥入口為16MPa的給水壓力，出口至凝汽器，接近真空，調節閥處于閃蒸工況，容易汽化。由于閥后壓力已是真空，通過多級降壓并不能消除汽化，汽化的發生一般在閥出口處，該位置特殊使用了流路簡單的角閥，閥后擴容，由于在閥出口加硬質合金襯套，延長閥門使用壽命，為方便維修更換，硬質合金襯套做成了可拆卸結構，詳細結構見圖4。

4 方案優化后取得的經濟效益

在國內某燃氣蒸汽聯合循環發電廠M701F4燃氣輪機透平冷卻系統優化后，燃氣輪機運行穩定，余熱鍋爐高壓汽包水位調節正常，滿足了現場安全可靠性的要求。

在燃機利用TCA換熱器對壓氣機出口的高溫排氣進行冷卻后，對透平轉子和葉片進行冷卻，同時高溫空氣熱量對給水進行了加熱，提高了給水的溫度。在對TCA給水系統進行優化后，降低了高壓省煤器的設計壓力，節省了大量的優質鋼材，同時由于模塊重量減小，可以選用更小的支撐鋼架，并能夠減少一個高壓給水調閥，經估算每臺機組可節約110余萬元的費用。

5 結論

三菱M701F4型燃氣輪機是三菱重工推出的新型燃氣-蒸汽聯合循環機組，是國內目前單機容量最大、設計最先進的聯合循環機組之一，在設計制造中也在逐步進行完善，以達到更加優越的性能和發電效率。本文對M701F4型燃氣輪機透平冷卻系統進行了分析，在燃機采用TCA對燃機透平冷卻空氣進行冷卻后，提高了繼續聯合循環熱效率；同時在保證TCA冷卻系統正常運行的情況下降低高壓省煤器的設計壓力，節約了大量的優質鋼材。根據目前國內已建成并投產的兩個燃氣發電廠的實際運行情況來看，均取得了較好的效益。此優化方案為目前在建的該型燃機項目的系統設計和施工，提供了寶貴的經驗和借鑒。

參考文獻：

[1] 焦樹建等，燃氣輪機與燃氣—蒸汽聯合循環裝置，清華大學熱能工程系動力機械與工程研究所，深圳南山熱電股份有限公司編著，中國電力出版社，2007年8月.

作者簡介：

張 穎（1972-，男，工程師，XX天然氣發電廠設備工程部主任，長期從事火力發電工程的施工、調試管理工作.