Alstom,GT26,燃机OTC系统研究及相关系统设计

摘 要：在燃气轮机系统中，压气机的抽气是一个重要的系统。无论是压气机启停时的喘振防止，还是机组运行中的透平各级叶片冷却气的供给，都是通过压气机的抽气系统来完成的。合理有效的抽气系统是保证整个机组安全、稳定地运行和启停所必不可少的条件。Alstom GT26燃机压气机抽气系统配备了两套OTC冷却系统，一套高压OTC系统，一套低压OTC系统。本文研究了Alstom GT26 OTC系统的设备组成、结构形式、工作原理，并结合实际工程研究了OTC相关附属系统的设计方法。

关键词： Alstom GT26燃气轮机；高压OTC系统；低压OTC系统；系统设计

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

1 OTC系统介绍

在燃气轮机中，压气机的抽气系统是一个重要的系统。无论是压气机启停时的喘振防止，还是机组运行中的透平各级叶片冷却气的供给，都是通过压气机的抽气系统来完成的。合理有效的抽气系统是保证整个机组安全、稳定地运行和启停所必不可少的条件[1]。

Alstom GT26燃机压气机抽气系统配备了两套OTC冷却系统，一套高压OTC系统，一套低压OTC系统。从压气机抽出的高温压缩空气通过OTC系统冷却，然后送入透平冷却透平叶片。压缩空气在OTC中放出的热量可参与联合循环时的汽水循环，达到增加机组出力，提高机组性能的目的。

Alstom GT26密封及冷却空气系统结构、设备组成见图1。

高压和低压OTC可以回收从压气机抽气带来的所有热量以提高全厂联合循环机组出力和机组效率。由于热空气和汽水在OTC中的换热是在高温、高压条件下进行，吸收的热量转换成汽轮机发电效率可高达46%，具有很高的热效率。

2 高压OTC系统

冷却燃气轮机高压透平叶片的冷却空气从燃机压气机最后一级后抽出，在高压OTC中被冷却。在机组联合循环运行时，来自余热锅炉（HRSG）高压省煤器后的给水进入高压OTC，回收热空气放出的热量进入汽水循环系统。高压OTC属于逆流式换热器，在机组启动前，OTC水侧需达到一定液位以防止OTC管束过热，气侧包含凝结水收集设备，空气中的凝结水被收集到OTC最低点并连接到汽水循环疏水系统。在机组停机时，OTC气侧底部可能会产生少量凝结水，此时，OTC底部的自动加热系统会投入使用。加热系统包括加热电缆、热电偶等仪表设备，可以防止停机时OTC气侧凝结水积聚。

在高压OTC中，给水被加热、蒸发、过热，产生的过热蒸汽与余热锅炉第一级过热器后的主蒸汽混合，然后进入余热锅炉第二级过热器，之后通过主蒸汽管道进入汽轮机做功。与此同时，OTC中的热空气被冷却到合适的温度，用来冷却燃机透平叶片。在余热锅炉高压省煤器和燃机高压OTC之间的连接管道上设置调节阀，可以通过调节给水流量来控制OTC出口冷却空气的温度在合适范围。

3 低压OTC系统

低压冷却空气从合适的燃机压气机级间抽出，在低压OTC中被冷却，然后送入到燃机透平低压冷却系统。与高压OTC的工作原理相同，来自余热锅炉省煤器后的高压给水被加热、蒸发、冷却，产生的蒸汽被送回到余热锅炉与汽轮机汽水循环系统做功。与高压OTC类似，低压OTC也是逆流式换热器，在机组启动前，OTC水侧需达到一定液位以防止OTC管束过热，气侧包含凝结水收集设备，空气中的凝结水被收集到OTC最低点并连接到汽水循环疏水系统。在机组停机时，OTC气侧底部可能会产生少量凝结水，此时，OTC底部的自动加热系统会投入使用。加热系统包括加热电缆、热电偶等仪表设备，可以防止停机时OTC气侧凝结水积聚。在低压OTC中冷却后的空气被送入到透平叶片套筒、SEV燃烧室、EV扩散管和透平壳体内。一部分用来冷却透平叶片套筒、透平进口段和第一级透平叶片，剩余的部分用来冷却转子套筒、透平轴套、第二级透平叶片[4，5]。之后空气随燃气轮机排气进入余热锅炉。

典型的联合循环OTC系统流程图见图2. 来自余热锅炉高压省煤器后的给水通过母管引出，在靠近燃机处分成两个分支分别连接到高低压OTC，每个分支均装设隔离阀及控制阀，通过调节通过OTC的给水流量来控制OTC出口压缩空气的温度。从高低压OTC产生的过热蒸汽汇成蒸汽母管回到余热锅炉主蒸汽系统，蒸汽母管上装设有安全阀防止过热蒸汽超压。

4 OTC系统简单循环运行

如前所述，Alstom GT26机组联合循环时可以通过OTC系统回收压气机高温压缩空气的热量至汽水循环系统做功，以提高机组性能和效率。但在机组简单循环时，由于余热锅炉和汽轮机系统不运行，OTC无法利用余热锅炉来的给水进行冷却，因此，GT26机组如果有简单循环运行工况，需要配备专门的OTC冷却系统。一般GT26机组简单循环运行方式有以下两种：

（1）OTC系统的高压过蒸汽通过旁路烟囱排放：由于简单循环时余热锅炉和汽轮机系统不运行，给水泵也停止运行，无法为OTC提供冷却水来源，此时需要设置单独的OTC给水泵。为了防止OTC设备发生氧化腐蚀，还需要设置单独的OTC除氧器。经过除氧器的给水达到要求的氧含量，通过给水泵分别送入到高压、低压OTC，在高、低压OTC产生的过热蒸汽，一部分经过减温减压进入到除氧器，为给水提供除氧加热蒸汽，剩余的部分连接到旁路烟囱蒸汽接口，通过旁路烟囱排放。此系统为开式循环，需要连续的除盐水补水。

（2）OTC系统的高压过蒸汽通过冷凝器回收：由简单循环时OTC系统的热平衡图可知，对于一套Alstom GT26 二拖一机组，两台燃机简单循环时OTC系统的高压蒸汽排放量为17.655kg/s （63.558t/h），仅OTC系统的除盐水补水量就高达63.558t/h，且除盐水全部排入大气损失掉，机组运行成本很高。因此，在有条件的情况下应尽可能通过冷凝器回收过热蒸汽。

冷凝器可以采用空冷凝汽器（Fin fan cooler）或者水冷表面式凝汽器。在干旱缺水地区采用空冷凝汽器（Fin fan cooler）回收凝结水，在水量丰富的地区可采用水冷表面式凝汽器，也可采用空冷凝汽器（Fin fan cooler）。

与普通的汽轮机空冷岛（ACC）不同，由于进入OTC空冷凝汽器的过热蒸汽温度为236.7℃，压力为7bara，参数远高于普通的汽轮机空冷岛（进入空冷岛的蒸汽为饱和蒸汽，压力为真空）。因此，OTC凝汽器需要特殊设计，一般蒸汽侧设计温度为300℃，设计压力为1MPa.a，换热管束采用碳钢材质，采用铝制翅片来增强换热效果。空气侧热空气出口可以高达127℃，可以有效提高换热效率，节省风机数量，从而降低全厂电耗。两台燃机可以共用一套空冷凝汽器，配备6台45KW冷却风机，冷却风量820kg/s。冷却后的凝结水温度为140℃，除盐水补水量仅为0.2kg/s（0.72t/h）。空冷凝汽器外形图见图7. 综上所述，使用OTC空冷凝汽器回收凝结水初始投资低，可以有效降低机组简单循环时除盐水耗量和全厂电耗，推荐使用此种方法回收凝结水。

5 结论

（1）OTC系统为Alstom GT26机组特有设备，GT26配备了一台高压OTC、一台低压OTC设备，用来冷却压气机抽气。

（2）OTC系统在联合循环时产生的蒸汽可以参与全厂汽水循环，可以有效提高机组性能，提高全厂效率。

（3）OTC简单循环运行时可以将产生的蒸汽排放至旁路烟囱，也可以通过凝汽器回收凝结水。

（4）OTC空冷凝汽器为翅片式冷却器，初始投资低，运行效率高，可以有效降低厂用电及除盐水耗量，在有条件的情况下，应尽可能使用空冷凝汽器回收除盐水。

参考文献：

[1]李建君.轴流式压气机的抽气方式及抽气配管设计系统的研究[D].学位论文，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.

作者简介：许红（1985-），男，山东济宁人，研究生，工程师，主要从事燃煤、联合循环、光热电站研究及设计。

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