透平冷卻空氣冷卻系統及其對燃氣輪機聯合循環的影響分析

李梁永，王　波（.華電江東熱電有限公司，浙江杭州30000；.杭州鍋爐集團股份有限公司，浙江杭州300）

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透平冷卻空氣冷卻系統及其對燃氣輪機聯合循環的影響分析

李梁永1，王波2
（1.華電江東熱電有限公司，浙江杭州310000；2.杭州鍋爐集團股份有限公司，浙江杭州310021）

摘要：對通用、西門子和三菱F級燃氣輪機透平冷卻方式的比較，三菱M701F4燃氣輪機透平的冷卻方式更為特殊復雜，通過透平冷卻空氣冷卻系統（TCA系統）進一步冷卻，然后再送往透平做冷卻空氣用。本文對TCA系統進行介紹并分析對燃氣輪機聯合循環機組發電效率和余熱鍋爐系統影響。

關鍵詞：燃氣輪機；TCA；聯合循環

0　引言

在F級燃氣輪機中，GE的PG9351FA和Siemens的V94.3A燃氣輪機透平的冷卻方式基本相同，都是根據各級冷卻通道的阻力和最后摻入主氣流處的壓力選擇壓氣機中不同壓力的抽氣點進行抽氣，抽出的高壓空氣作為冷卻空氣直接送往透平不同部位，通過沖擊冷卻、對流冷卻或氣膜冷卻等形式對透平葉片、輪盤、內外環等暴露于高溫燃氣中的部件進行冷卻保護。整個冷卻空氣系統包含于燃氣輪機內部，與其余系統如燃料系統、余熱鍋爐系統等不發生聯系，相互之間也不互相影響。[1，2]

相對來說，三菱的M701F4燃氣輪機透平的冷卻空氣系統更為復雜，除了在壓氣機不同壓力點抽氣之外，與GE的PG9351FA和Siemens的V94.3A不同之處在于，從壓氣機出口抽出的冷卻空氣并不直接送往透平，而是先通過透平冷卻空氣冷卻系統（即TCA系統）進一步冷卻，然后再送往透平做冷卻空氣用。TCA系統的冷卻介質是來自高壓給水泵的給水，給水吸收壓縮空氣的熱量后正常負荷時送往高壓汽包，低負荷時則送往凝汽器。[3，4]

1　TCA系統對燃氣輪機和聯合循環發電效率的影響

1.1 TCA系統對燃氣輪機影響

應用TCA系統減少了從壓氣機的抽氣量，提高了燃氣輪機出力。由于用溫度較低的給水與壓氣機末級出口的空氣換熱，進一步降低了冷卻空氣的溫度，在透平冷卻要求不變的情況下就可以減少透平中的冷卻空氣用量，也就是減小了從壓氣機的抽氣量，這樣就有更多的空氣參與燃燒，生成更多的高溫燃氣，并減少了壓氣機的抽氣帶來的熱力損失和冷卻空氣與主流燃氣的摻混損失，從而提高燃氣輪機出力。[5]

1.2 TCA系統對聯合循環發電效率影響

應用TCA系統可回收部分冷卻空氣熱量，提高聯合循環機組的發電效率。在TCA冷卻器中，高壓給水泵給水與壓氣機末級抽氣換熱，在降低抽氣溫度的同時，給水提高了溫度，然后進入高壓汽包。在這個過程中，給水回收了部分抽氣熱量，提高了整個聯合循環的熱效率，進而提高了聯合循環的發電效率。表1為GE、Siemens和三菱聯合循環機組的出力、熱耗和循環效率對比。采用TCA系統后，三菱M701F4的聯合循環效率達到了59.5%，高于PG9351 FB（58%）和SGT5-4000F4 （58.4%），也高于用燃料氣加熱器的M701F3（57%）。

與早期用冷天然氣冷卻壓氣機末級抽氣相比，用高壓給水作為冷卻介質可以減小TCA冷卻器尺寸。由于水的熱容量比天然氣高得多，汽-水換熱器的換熱效率也比氣-氣換熱器高，因此用較少的給水就能將壓氣機來的冷卻空氣進一步冷卻至燃氣輪機透平冷卻要求的溫度，有利于減小TCA冷卻器的尺寸。

表1　不同聯合循環機組參數對比

2　TCA系統對余熱鍋爐系統的影響

2.1 TCA系統對余熱鍋爐成本影響

TCA系統增加了余熱鍋爐系統的設備投資成本。圖1和圖2分別是增加TCA系統前后余熱鍋爐相關部分的流程圖對比。增加TCA系統后，余熱鍋爐系統增加了相應的管道、閥門、泵和流量、壓力、溫度等測量儀器，也增加了整個余熱鍋爐系統的投資成本。按三菱M701F4的典型TCA配置，統計了增加的閥門、管道和支吊架等部件，需增加投資成本約65萬元，見表2。

TCA系統防汽化保護需求使余熱鍋爐高壓省煤器的設計壓力提高，增加了高壓省煤器的鋼材耗量。在三菱的設計中，為了保證TCA冷卻器的安全運行，需要防止冷卻水在TCA冷卻器中受熱汽化，損壞冷卻器本身和水側閥門、管道。TCA冷卻器出口冷卻水最大計算溫度為335℃，考慮到特殊工況，加上15℃的設計裕量，因此按TCA冷卻器出口冷卻水溫350℃設計，與此溫度對應的飽和壓力約為16.5MPa，而且燃機運行過程中要求TCA供水壓力基本不變，但按主汽壓力和管道閥門流阻計算，相應的鍋爐高壓給水實際需要的壓力約為14MPa左右。為了達到TCA冷卻器的供水壓力，需要選用揚程更高的給水泵才能滿足要求，這樣就會使余熱鍋爐高壓省煤器受熱面的設計壓力升高，為保證強度，必須增加受熱面管子的壁厚，也就增加了高壓省煤器的鋼材耗量，增加了余熱鍋爐的造價。

2.2 TCA系統對余熱鍋爐系統控制影響

TCA系統增加了余熱鍋爐控制系統的復雜性，給余熱鍋爐系統的調節和控制帶來了困難。TCA的冷卻水來源于高壓給水泵出水，與高壓省煤器并聯配置，冷卻水一路到凝汽器，一路到高壓汽包給水調閥入口，最終進入高壓汽包。TCA系統的冷卻水流量主要由燃氣輪機控制系統（GTC）控制，但與DCS也有關聯，控制變量包括高壓汽包進水調閥、高壓給水泵調閥、TCA進出口調閥、高壓省煤器進水調閥等，TCA冷卻水至汽包的調閥控制方式沒有實現對流量的閉環控制，僅根據設定流量、冷卻水溫度、調閥前后的壓差和調閥特性計算出調閥的開度指令，最后由閥門定位器進行閥位定位，TCA冷卻水流量、高壓省煤器工質流量、高壓汽包水位之間相互影響，其控制比沒有TCA的聯合循環系統復雜了很多，對調節和控制策略提出了更高的要求。其中TCA冷卻水在不同負荷情況下的切換控制、高壓汽包的水位控制尤為復雜。

2.3 TCA系統對給水泵影響

TCA系統防汽化保護需求使高壓給水泵不能變頻運行，增加了余熱鍋爐系統的運行成本。如前所述，為防止汽化，TCA冷卻器供水壓力約為16.5MPa，而且燃機運行過程中要求TCA供水壓力基本不變，但按主汽壓力和相應的管道閥門流阻計算，鍋爐高壓給水實際需要的壓力約為14MPa左右，且隨著機組負荷下降。由于TCA供水壓力基本不變，影響了負荷變動時高壓給水泵使用變頻技術節能，增加了余熱鍋爐系統的運行成本。

設計年利用小時為3500h，每年啟動包括冷啟動，溫啟動和熱啟動等共計403次。假設每次啟動需要1h，停機需要1h，每次啟停共計2h，啟停過程中假設處于50%的負荷運行。每度電0.5元計算，相對100%負荷機組在1a運行時間約可節約的費用為（1865-1345）kW ×2×403h×1a×0.5=209560元

表2　增加TCA系統后余熱鍋爐系統增加的部件和成本

3　結語

綜上所述，三菱M701F4的TCA系統可減少壓氣機末級出口抽氣量，提高燃氣輪機出力和聯合循環發電機組的效率，但同時帶來了余熱鍋爐系統投資成本和運行成本的增加，也使得余熱鍋爐系統的調節和控制更加復雜。為保證整個系統的安全穩定運行，需要深入摸索TCA系統的特性，調整控制策略，優化控制方案，同時對TCA系統做出合理的改進，減少整個系統的投資成本和運行成本。

參考文獻：

[1]戴萍，林楓.燃氣輪機葉片葉片氣膜冷卻研究進展[J].熱能動力工程，2009，24（1）：1～6.

[2]張魏，金文.燃氣輪機冷卻技術綜述[J].燃氣輪機技術，2008，（1）：24～27.

[3]張全付.西門子V94.3A型燃氣輪機燃燒室及透平冷卻技術[J].科技創新與應用，2015，（1）：34，35.

[4]林鐵.GE-9FA燃氣輪機透平葉片冷卻技術分析[J].機械工程師，2013，（8）：279，280.

[5]毛丹.三菱M701F燃氣輪機葉片冷卻技術分析[J].重慶電力高等專科學校學報，2010，15（4）：1～4.

修回日期：2016-01-18

Analysis of Turbine Cooling Air System and Influence on the Combined Cycle of Gas Turbine

LI Liang-yong1，WANG Bo2
（1. Hudian Jiangdong Thermal-Electric Co.，Ltd，Hangzhou 310000，China；2. Hangzhou Boiler Group Co.，Ltd，Hangzhou 310021，China）

Abstract：Compared to General Electric，SIEMENS and MITSUBISHI F level gas turbine cooling system，MITSUBISHI M701F4 gas turbine cooling system is more complicated. After being cooled in TCA system，the air is sent to the turbine and as cooling air. The TCA system is introduced and analyzed. The influence to gas turbine combined cycle unit generation efficiency and waste heat boiler system is analyzed.

Key words：gas turbine；TCA；Combined cycle

收稿日期：2015-10-19

作者簡介：李梁永（1975-），男，杭州人，本科，主要從事電廠機械技術管理工作。

中圖分類號：TK471

文獻標識碼：B

文章編號：2095-3429（2016）01-0044-03

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.010