三菱M701F4燃机透平冷却系统优化方案的探究

摘要：三菱M701F4在机组增大改型中对燃气轮机透平冷却空气系统进行了改进，在对燃机透平冷却系统布置方案进行优化后，节省了设备投资，在燃机项目建设中具有较为普遍的推广价值。

关键词：燃气轮机 透平冷却 节能 优化方案

引言

日本三菱重工是国内燃气轮机的供货商之一，三菱公司M701F4型燃气轮机是当今世界容量最大、效率最高的机型之一，东方电气是三菱燃机设备的国内技术合作方。M701F4型燃气-蒸汽联合循环机组的配置型式为：一台燃汽轮机，一台蒸汽轮机，一台发电机，一台余热锅炉，机组频率为50Hz，机组性能保证条件下出力为452.07MW。

燃机燃烧室的高温燃气为1400℃，燃机透平静叶及叶片暴露在高温燃气中，为保证燃机透平的正常工作和使用寿命，必须保证燃机透平冷却系统的可靠运行。M701F4燃气透平为4级，采用空气冷却。冷却空气取自压气机抽气口，经燃机空气冷却器（TCA）冷却后送至燃机对透平叶片和静叶等部件进行冷却。冷却空气系统执行着燃气轮机可靠运行必需的基本的功能，其功能在于引导冷却空气进入热通道构件，冷却回路包括动叶片冷却回路和静叶片冷却回路。动叶片冷却空气是由从燃气轮机燃烧器外壳抽出的压气机出口空气。

1 M701F4型透平冷却系统的优化

三菱M701F4型机组中，对燃机空气冷却系统进行了改进，采用余热锅炉给水对压气机来的空气进行冷却后送至透平对静叶和叶片进行冷却，能够达到更好的冷却效果。系统采用TCA换热器，利用余热锅炉高压给水对透平冷却空气进行冷却，冷却后空气温度能够由330℃左右的高温冷却到要求的230℃，冷却效果得到了改善，系统的可靠性得到了提高。压气机出口的高温空气在得到冷却的同时，加热了余热锅炉高压给水，回收了大量的热能，提高了联合循环机组运行的经济性。

1.1 原透平冷却系统的设置

图1为三菱重工燃机透平冷却器TCA的冷却水系统图。如图所示，由高压给水泵来的给水分成两个支路，一路去高压省煤器在余热锅炉受热面中进行换热，一路去TCA冷却器，对燃机透平冷却空气冷却后，给水温度上升后分成两路，一路经调节阀汇入高压省煤器出口管道后经汽包水位调节阀排入高压汽包，在正常运行中投入使用；一路经凝汽器调节阀排入凝汽器，在机组启停机中投入使用。

图1 燃机TCA冷却器冷却水系统图

在电厂运行中需要保证TCA 冷却器的正常运行，主要是防止高压给水在TCA冷却器内部汽化，对TCA冷却器本身产生破坏。同时，也要考虑到TCA水侧管道及阀门的安全性，尽量减少水侧管道内的汽化产生。经计算燃机TCA冷却器出口最大温度为335℃，为保证特殊工况，设计温度考虑加上15℃的裕量，因此用出口温度350℃来设计高压给水泵的出口压力，该压力对应的饱和压力为16 MPa（g）。为防止TCA冷却水出口汽化，对设造成损坏，要保TCA冷却水的压力高于16MPa（g）才能满足要求。

1.2燃机透平冷却系统的优化

由于与燃机配套的汽轮机组高压主蒸汽压力为11MPa，为了达到TCA的冷却压力，需要选用扬程更高的给水泵才能满足要求，同时按三菱的设计也会使余热锅炉高压省煤器部分受热面的设计压力升高，从而耗费大量的优质钢材。

原来的TCA冷却系统冷却水排水经调节阀接至高省管路，后经汽包水位调节阀进入汽包，如果汽包水位调节阀关小，由于TCA回水和省煤器进水的进入，会使高压省煤器压力上升至接近16MPa，省煤器受热面的压力就要按16MPa的工作压力进行设计生产。为了达到燃机透平冷却系统的正常运行，同时降低锅炉高压省煤器的设计压力，对燃机透平冷却系统进行了优化。

如图2所示，由高压给水泵来的给水利用高压省煤器入口的调节阀将给水压力由16MPa减压至12MPa后进入高压省煤器，经高压省煤器加热后直接进入高压汽包。TCA冷却用的给水经TCA换热后经№2、№4调节阀后进入高压汽包。在TCA回水至高压汽包№2调节阀的后面加装一个调节阀№4的，用于解决控制上的问题，№2由燃机控制系统进行控制，№4由DCS进行控制，用于保证汽包水位。№2和№3相配合，用于调节TCA冷却水流量，保证燃机冷却空气的冷却，№2 、№3两个调节阀的控制方式可以维持三菱逻辑控制方式不变，但系统较为复杂。可以将№2、№4调节阀合并成一个调节阀，对控制逻辑进行整体考虑和实现。

图2 优化后燃机TCA设备及管路系统示意图

由TCA经№2去汽包的调节阀№4用于调节去高压汽包的流量，与余热锅炉高省入口调节阀No1共同控制高压汽包水位。由于有两个调节阀来控制汽包水位，控制难度加大，需要进一步细化汽包水位的控制逻辑。

2 燃机透平冷却系统的逻辑设置

汽包水位调节是控制汽包水位在一定范围波动。对于省煤器入口调节阀和TCA出口调节阀如采用流量切换更容易实现。在机组启动时，高压给水泵由凝结水供水，高压给水泵供水至TCA，TCA出口工质通过凝结水侧的控制阀进入凝汽器，TCA出口汽包侧控制阀关闭。在正常运行时，调节TCA出口汽包侧的控制阀满足TCA水侧工质流量；调节省煤器进口控制阀调节给水流量，满足汽包水位的控制要求，此时省煤器入口控制阀调节进水流量（FT1+FT2）来达到控制水位的目的。

图3 TCA系统设备及控制示意图

当汽包水位高时，降低省煤器进口调节阀的开度，当高压蒸汽流量降低到一定流量时，关闭TCA出口汽包侧控制阀，同时打开TCA出口凝汽器侧调节阀。如汽包水位仍然高时，再逐渐关小省煤器进口控制阀的开度至汽包水位正常，此时省煤器入口控制阀仅调节FT2流量来调节水位。

当锅炉启动时汽包上水和水位低时，TCA出口工质通过凝结水侧的调节阀进入凝汽器，TCA出口汽包侧控制阀关闭。调节省煤器进口调节阀至省煤器进口流量大于一定流量时，打开TCA出口汽包侧调节阀，关闭TCA出口凝汽器侧调节阀，再调节省煤器进口调节阀至汽包水位正常，此时省煤器入口调节阀调节（FT1+FT2）流量来控制水位。

3 透平冷却系统的阀门选型

为保证透平冷却系统的安全运行，系统中的流量调节阀选用调节性能优越的进口调节阀。其中TCA回水至凝汽器调节阀入口为16MPa的给水压力，出口至凝汽器，接近真空，调节阀处于闪蒸工况，容易汽化。由于阀后压力已是真空，通过多级降压并不能消除汽化，汽化的发生一般在阀出口处，该位置特殊使用了流路简单的角阀，阀后扩容，由于在阀出口加硬质合金衬套，延长阀门使用寿命，为方便维修更换，硬质合金衬套做成了可拆卸结构，详细结构见图4。

4 方案优化后取得的经济效益

在国内某燃气蒸汽联合循环发电厂M701F4燃气轮机透平冷却系统优化后，燃气轮机运行稳定，余热锅炉高压汽包水位调节正常，满足了现场安全可靠性的要求。

在燃机利用TCA换热器对压气机出口的高温排气进行冷却后，对透平转子和叶片进行冷却，同时高温空气热量对给水进行了加热，提高了给水的温度。在对TCA给水系统进行优化后，降低了高压省煤器的设计压力，节省了大量的优质钢材，同时由于模块重量减小，可以选用更小的支撑钢架，并能够减少一个高压给水调阀，经估算每台机组可节约110余万元的费用。

5 结论

三菱M701F4型燃气轮机是三菱重工推出的新型燃气-蒸汽联合循环机组，是国内目前单机容量最大、设计最先进的联合循环机组之一，在设计制造中也在逐步进行完善，以达到更加优越的性能和发电效率。本文对M701F4型燃气轮机透平冷却系统进行了分析，在燃机采用TCA对燃机透平冷却空气进行冷却后，提高了继续联合循环热效率；同时在保证TCA冷却系统正常运行的情况下降低高压省煤器的设计压力，节约了大量的优质钢材。根据目前国内已建成并投产的两个燃气发电厂的实际运行情况来看，均取得了较好的效益。此优化方案为目前在建的该型燃机项目的系统设计和施工，提供了宝贵的经验和借鉴。

参考文献：

[1] 焦树建等，燃气轮机与燃气—蒸汽联合循环装置，清华大学热能工程系动力机械与工程研究所，深圳南山热电股份有限公司编著，中国电力出版社，2007年8月.

作者简介：

张 颖（1972-，男，工程师，XX天然气发电厂设备工程部主任，长期从事火力发电工程的施工、调试管理工作.

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