透平冷却空气冷却系统及其对燃气轮机联合循环的影响分析

李梁永，王　波（.华电江东热电有限公司，浙江杭州30000；.杭州锅炉集团股份有限公司，浙江杭州300）



透平冷却空气冷却系统及其对燃气轮机联合循环的影响分析

李梁永1，王波2
（1.华电江东热电有限公司，浙江杭州310000；2.杭州锅炉集团股份有限公司，浙江杭州310021）

摘要：对通用、西门子和三菱F级燃气轮机透平冷却方式的比较，三菱M701F4燃气轮机透平的冷却方式更为特殊复杂，通过透平冷却空气冷却系统（TCA系统）进一步冷却，然后再送往透平做冷却空气用。本文对TCA系统进行介绍并分析对燃气轮机联合循环机组发电效率和余热锅炉系统影响。

关键词：燃气轮机；TCA；联合循环

0　引言

在F级燃气轮机中，GE的PG9351FA和Siemens的V94.3A燃气轮机透平的冷却方式基本相同，都是根据各级冷却通道的阻力和最后掺入主气流处的压力选择压气机中不同压力的抽气点进行抽气，抽出的高压空气作为冷却空气直接送往透平不同部位，通过冲击冷却、对流冷却或气膜冷却等形式对透平叶片、轮盘、内外环等暴露于高温燃气中的部件进行冷却保护。整个冷却空气系统包含于燃气轮机内部，与其余系统如燃料系统、余热锅炉系统等不发生联系，相互之间也不互相影响。[1，2]

相对来说，三菱的M701F4燃气轮机透平的冷却空气系统更为复杂，除了在压气机不同压力点抽气之外，与GE的PG9351FA和Siemens的V94.3A不同之处在于，从压气机出口抽出的冷却空气并不直接送往透平，而是先通过透平冷却空气冷却系统（即TCA系统）进一步冷却，然后再送往透平做冷却空气用。TCA系统的冷却介质是来自高压给水泵的给水，给水吸收压缩空气的热量后正常负荷时送往高压汽包，低负荷时则送往凝汽器。[3，4]

1　TCA系统对燃气轮机和联合循环发电效率的影响

1.1 TCA系统对燃气轮机影响

应用TCA系统减少了从压气机的抽气量，提高了燃气轮机出力。由于用温度较低的给水与压气机末级出口的空气换热，进一步降低了冷却空气的温度，在透平冷却要求不变的情况下就可以减少透平中的冷却空气用量，也就是减小了从压气机的抽气量，这样就有更多的空气参与燃烧，生成更多的高温燃气，并减少了压气机的抽气带来的热力损失和冷却空气与主流燃气的掺混损失，从而提高燃气轮机出力。[5]

1.2 TCA系统对联合循环发电效率影响

应用TCA系统可回收部分冷却空气热量，提高联合循环机组的发电效率。在TCA冷却器中，高压给水泵给水与压气机末级抽气换热，在降低抽气温度的同时，给水提高了温度，然后进入高压汽包。在这个过程中，给水回收了部分抽气热量，提高了整个联合循环的热效率，进而提高了联合循环的发电效率。表1为GE、Siemens和三菱联合循环机组的出力、热耗和循环效率对比。采用TCA系统后，三菱M701F4的联合循环效率达到了59.5%，高于PG9351 FB（58%）和SGT5-4000F4 （58.4%），也高于用燃料气加热器的M701F3（57%）。

与早期用冷天然气冷却压气机末级抽气相比，用高压给水作为冷却介质可以减小TCA冷却器尺寸。由于水的热容量比天然气高得多，汽-水换热器的换热效率也比气-气换热器高，因此用较少的给水就能将压气机来的冷却空气进一步冷却至燃气轮机透平冷却要求的温度，有利于减小TCA冷却器的尺寸。

表1　不同联合循环机组参数对比

2　TCA系统对余热锅炉系统的影响

2.1 TCA系统对余热锅炉成本影响

TCA系统增加了余热锅炉系统的设备投资成本。图1和图2分别是增加TCA系统前后余热锅炉相关部分的流程图对比。增加TCA系统后，余热锅炉系统增加了相应的管道、阀门、泵和流量、压力、温度等测量仪器，也增加了整个余热锅炉系统的投资成本。按三菱M701F4的典型TCA配置，统计了增加的阀门、管道和支吊架等部件，需增加投资成本约65万元，见表2。

TCA系统防汽化保护需求使余热锅炉高压省煤器的设计压力提高，增加了高压省煤器的钢材耗量。在三菱的设计中，为了保证TCA冷却器的安全运行，需要防止冷却水在TCA冷却器中受热汽化，损坏冷却器本身和水侧阀门、管道。TCA冷却器出口冷却水最大计算温度为335℃，考虑到特殊工况，加上15℃的设计裕量，因此按TCA冷却器出口冷却水温350℃设计，与此温度对应的饱和压力约为16.5MPa，而且燃机运行过程中要求TCA供水压力基本不变，但按主汽压力和管道阀门流阻计算，相应的锅炉高压给水实际需要的压力约为14MPa左右。为了达到TCA冷却器的供水压力，需要选用扬程更高的给水泵才能满足要求，这样就会使余热锅炉高压省煤器受热面的设计压力升高，为保证强度，必须增加受热面管子的壁厚，也就增加了高压省煤器的钢材耗量，增加了余热锅炉的造价。

2.2 TCA系统对余热锅炉系统控制影响

TCA系统增加了余热锅炉控制系统的复杂性，给余热锅炉系统的调节和控制带来了困难。TCA的冷却水来源于高压给水泵出水，与高压省煤器并联配置，冷却水一路到凝汽器，一路到高压汽包给水调阀入口，最终进入高压汽包。TCA系统的冷却水流量主要由燃气轮机控制系统（GTC）控制，但与DCS也有关联，控制变量包括高压汽包进水调阀、高压给水泵调阀、TCA进出口调阀、高压省煤器进水调阀等，TCA冷却水至汽包的调阀控制方式没有实现对流量的闭环控制，仅根据设定流量、冷却水温度、调阀前后的压差和调阀特性计算出调阀的开度指令，最后由阀门定位器进行阀位定位，TCA冷却水流量、高压省煤器工质流量、高压汽包水位之间相互影响，其控制比没有TCA的联合循环系统复杂了很多，对调节和控制策略提出了更高的要求。其中TCA冷却水在不同负荷情况下的切换控制、高压汽包的水位控制尤为复杂。

2.3 TCA系统对给水泵影响

TCA系统防汽化保护需求使高压给水泵不能变频运行，增加了余热锅炉系统的运行成本。如前所述，为防止汽化，TCA冷却器供水压力约为16.5MPa，而且燃机运行过程中要求TCA供水压力基本不变，但按主汽压力和相应的管道阀门流阻计算，锅炉高压给水实际需要的压力约为14MPa左右，且随着机组负荷下降。由于TCA供水压力基本不变，影响了负荷变动时高压给水泵使用变频技术节能，增加了余热锅炉系统的运行成本。

设计年利用小时为3500h，每年启动包括冷启动，温启动和热启动等共计403次。假设每次启动需要1h，停机需要1h，每次启停共计2h，启停过程中假设处于50%的负荷运行。每度电0.5元计算，相对100%负荷机组在1a运行时间约可节约的费用为（1865-1345）kW ×2×403h×1a×0.5=209560元

表2　增加TCA系统后余热锅炉系统增加的部件和成本

3　结语

综上所述，三菱M701F4的TCA系统可减少压气机末级出口抽气量，提高燃气轮机出力和联合循环发电机组的效率，但同时带来了余热锅炉系统投资成本和运行成本的增加，也使得余热锅炉系统的调节和控制更加复杂。为保证整个系统的安全稳定运行，需要深入摸索TCA系统的特性，调整控制策略，优化控制方案，同时对TCA系统做出合理的改进，减少整个系统的投资成本和运行成本。

参考文献：

[1]戴萍，林枫.燃气轮机叶片叶片气膜冷却研究进展[J].热能动力工程，2009，24（1）：1～6.

[2]张魏，金文.燃气轮机冷却技术综述[J].燃气轮机技术，2008，（1）：24～27.

[3]张全付.西门子V94.3A型燃气轮机燃烧室及透平冷却技术[J].科技创新与应用，2015，（1）：34，35.

[4]林铁.GE-9FA燃气轮机透平叶片冷却技术分析[J].机械工程师，2013，（8）：279，280.

[5]毛丹.三菱M701F燃气轮机叶片冷却技术分析[J].重庆电力高等专科学校学报，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

作者简介：李梁永（1975-），男，杭州人，本科，主要从事电厂机械技术管理工作。

中图分类号：TK471

文献标识码：B

文章编号：2095-3429（2016）01-0044-03

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.010