進氣蒸發冷卻系統在Siemens SGT-800燃氣透平上的應用

馬福軍

(中海石油伊拉克有限公司，北京 100028)

1 項目背景

西門子公司生產的SGT-800是50 MW級工業型燃氣輪機，20世紀90年代問世于瑞典，目前銷往世界各地超過370臺，等效運行時間超過700萬h，總體運行可靠性達到99.8%。西門子公司多年來不斷對這一機型進行升級，根據客戶需要和使用環境，西門子公司現在可提供從43～62.5 MW的SGT-800機型。

SGT-800采用簡單可靠的單軸設計，配有雙軸承轉子，以實現高可靠性和便捷性的維護；采用15級高效壓氣機，前三級采用可變導葉以實現最佳性能，適用于高溫氣候環境的選項方案；采用堅固可靠的干式低排放燃料系統，避免了分級燃燒的復雜性，出色的燃料適應性可以燃燒含有高含量惰性氣體、氫氣和重烴物資的燃料，而不會對維修產生任何影響；獨特的燃燒室和燃燒器設計，實現世界領先的排放性能。該機型采用極為高效的三級透平設計，高效的冷卻系統和隔熱熱障涂層可以確保其實現最佳的性能和使用壽命。透平末級葉片采用聯鎖式防護罩，確保葉片運行穩定、可靠。SGT-800工業型燃氣輪機將可靠的設計、卓越的運行效率和優秀的排放性能融于一體，這一型號的燃氣輪機在燃料適用性、運行條件、維護理念、成套方案和額定功率上具有良好的靈活性，可以滿足不同的市場需求。

米桑油田群位于伊拉克東南部米桑省，屬于熱帶沙漠氣候，全年5—10月干旱少雨，氣候炎熱，最高溫度可達50℃以上。因戰亂等因素影響，伊拉克國家電網質量非常差且不穩定，電壓頻率忽高忽低且經常關停，特別是夏季炎熱季節，電力缺口較大，故米桑油田群建有自己的自備電廠，現有2臺Siemens SGT-800機組，利用油田開采的伴生天然氣發電，負責整個油田區域生產生活所需的電力供應。

2SiemensSGT-800進氣蒸發冷卻系統

燃氣輪機的工作原理為：壓氣機將從大氣中吸收的空氣壓縮，壓縮后的空氣進入燃燒室，與噴入的燃料氣混合后燃燒，產生的高溫燃氣隨后進入燃氣渦輪中膨脹做功，推動渦輪葉輪和壓縮機葉輪一起旋轉，此過程中熱能轉化為機械能，可用于驅動發電機組發電等。經多方面理論及實際應用分析，影響燃氣輪機出力的主要因素是壓氣機吸收的大氣溫度和燃燒時的燃燒初溫，提高燃燒初溫對當前透平葉片、葉輪材料及葉片冷卻技術都有很高的要求，除非葉輪葉片耐溫材料及冷卻技術有重大突破，否則，目前靠提高燃氣初溫來提高機組出力的可能性比較小。另一個辦法就是降低燃機進氣空氣溫度，按照Siemens實驗數據，當SGT-800機組進氣溫度為25℃時，最高出力可達45 MW，40℃時為37 MW，50℃為29 MW，55℃為26 MW，燃氣透平出力隨著進氣溫度升高而下降明顯，改善燃氣透平出力，實施進氣冷卻是最快捷有效的措施。

伊拉克夏季高溫少雨，7、8月份天氣尤其炎熱，氣溫一般保持在40℃以上，最高可達55℃，對燃氣輪機出力的影響特別大。考慮到這種因素，米桑油田自備電廠選配機組時，特意增加了進氣冷卻系統。Siemens目前推薦的有2種進氣冷卻系統：①進氣入口安裝制冷機，通過布置在入口的大量內部裝有冷媒的散熱片冷卻進氣。該技術缺點是投資大，設備復雜。②蒸發冷卻系統，通過在壓氣機入口噴射霧化水，當空氣通過時，利用水在空氣中蒸發時需要吸熱來降低空氣溫度。比較而言，費用低、效率高，特別適用于米桑油田夏季空氣溫度高、濕度小的氣候，故米桑油田SGT-800選配的是該冷卻系統。

圖1為SGT-800蒸發冷卻系統示意圖。當同時滿足以下4個條件時，蒸發冷卻系統可以啟用：①SGT-800在帶載運行中。②環境溫度大于12℃。③水箱液位正常。④水箱內水的電導率低于950 μs/cm。系統啟動后，水泵啟動，由纖維素介質材料組成的布水器(見圖2)被加濕，進入的空氣通過布水器與水充分接觸，被加濕且通過水的蒸發降溫而冷卻，未蒸發的水通過回水管路回到儲水箱循環利用。在此過程中，當水箱中的水低至低水位值時，供水閥打開給水箱補水至高水位后停止；當電導率高于750 μs/cm時，排水閥打開排水，直至電導率恢復正常值500 μs/cm后，排水閥關閉。

圖1 SGT-800進氣蒸發冷卻系統示意圖

圖2 布水器

3 進氣蒸發冷卻系統投用效果

按照西門子公司提供的技術資料，機組出力基本性能如圖3所示。從圖3可以看出，當環境溫度高于35℃時，投用蒸發冷卻系統后，機組出力將會得到顯著提升。圖4顯示的是2018年7月SGT-800未投入蒸發冷卻系統運行參數圖，圖5顯示的是2019年5月SGT-800投入蒸發冷卻系統運行參數圖。

圖3 SGT-800機組出力與機組入口空氣溫度的關系

圖4 SGT-800未投用蒸發冷卻系統運行參數圖 圖5 SGT-800投用蒸發冷卻系統運行參數圖

從圖4可以看出，大氣溫度53.2℃時，未投用進氣蒸發冷卻系統，壓氣機入口溫度50.6℃，此時機組帶載至24.21 MW已接近極限。

從圖5可以看出，大氣溫度48.2℃時，投用進氣蒸發冷卻系統后，壓氣機入口溫度降至23.7℃，此時機組帶載高達40.12 MW并有預留空間。

本文收集了2018年夏季未投用蒸發冷卻系統及2019年、2020年夏季投用蒸發冷卻系統后的機組數據進行比較(見表1～3)。

表1 2018年8月21日至30日機組運行數據(進氣蒸發冷卻系統未投用)

表2 2019年7月21日至30日機組運行數據(進氣蒸發冷卻系統投用)

表3 2020年6月1日至10日機組運行數據(進氣蒸發冷卻系統投用)

2018年未投用進氣蒸發冷卻系統時，壓氣機入口溫度和環境氣溫差不多，受環境溫度影響，機組在高溫氣候下，帶載能力受到較大影響。在投用蒸發冷卻系統后，夏季炎熱季節，壓氣機入口溫度可降低20℃，機組帶載能力增加30%以上。

4 進氣蒸發冷卻系統常見運行故障及穩定性

在進氣蒸發冷卻系統投用初期，系統運行極其不穩定，經常出現電導率高關停，多方查找原因，發現主要是由Siemens原配的隔離放大器耐溫差，在高溫天氣下易引起故障。隔離放大器電路圖如圖6所示。

圖6 隔離放大器電路圖

經研究分析，從市場上購買中國產直流信號隔離變送器進行替換，替換后，該系統運行兩年多以來，除因供水水質問題導致系統出現2次關停外，其他一直運行穩定。根據氣溫環境變化、機組運行參數及油田負荷情況，一般每年從5月初開始投用該系統，11月初停運。進氣蒸發冷卻系統維護保養簡單易行，該系統運行期間，每天注意觀察水箱液位、電導率情況，運行期間不需要特別的保養維護；系統投運前和停運后，做好儲水箱的清潔及布水器的沖洗清潔，布水器可以運行多年，不需要頻繁更換。

5 結語

米桑油田自備電廠西門子SGT-800透平機組進氣蒸發冷卻系統投用兩年多的實踐證明，進氣蒸發冷卻系統具有如下優點：①在中東炎熱干燥氣溫高達50℃的環境下，投用進氣蒸發冷卻系統后，機組出力可大幅度提高，由26 MW左右提高到38 MW左右。②進氣蒸發冷卻系統運行穩定可靠，故障率低。③進氣蒸發冷卻系統日常維護量少且簡單易行。從該系統進氣蒸發冷卻系統投用后，具有很好的經濟效益及價值。