M701F4型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組TCA系統(tǒng)的優(yōu)化

徐憶恩

（華電江蘇能源有限公司，南京 210019）

經(jīng)驗(yàn)交流

M701F4型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組TCA系統(tǒng)的優(yōu)化

徐憶恩

（華電江蘇能源有限公司，南京 210019）

東方三菱F3及F4重型燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組特有的TCA系統(tǒng)，將冷卻透平葉片后產(chǎn)生的熱量加以利用，提高了整個聯(lián)合循環(huán)的效率。通過對比空氣冷卻式TCA與水冷式TCA的優(yōu)缺點(diǎn)，著重分析了水冷式TCA的系統(tǒng)配置情況。根據(jù)東方三菱的典型系統(tǒng)配置，水冷式TCA系統(tǒng)對高壓給水泵的壓頭要求較高，使得機(jī)組運(yùn)行的電耗增加。為了在確保機(jī)組聯(lián)合循環(huán)效率的同時盡可能地降低電耗，對比了幾個優(yōu)化方案，最終得出較優(yōu)的方案。

TCA；水冷式；能耗對比；效率

1 燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的現(xiàn)狀

2003年以來，重型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組作為國內(nèi)傳統(tǒng)燃煤機(jī)組的重要補(bǔ)充，在環(huán)境保護(hù)、節(jié)能降耗、電網(wǎng)調(diào)峰等方面起到了不可替代的作用。

第一批F級重型燃?xì)鈾C(jī)組主要是GE公司的9FA、三菱公司的M701F3和SIEMENS公司的V94.3。近幾年，隨著燃?xì)鈾C(jī)組技術(shù)的不斷發(fā)展和引進(jìn)，東方電氣引進(jìn)的三菱M701F4機(jī)型占據(jù)了國內(nèi)F級燃?xì)鈾C(jī)組較大的市場份額。

2 TCA系統(tǒng)介紹

2.1 TCA系統(tǒng)定義

TCA系統(tǒng)即透平冷卻空氣系統(tǒng)。燃機(jī)在正常運(yùn)行時，透平轉(zhuǎn)子和暴露在高溫燃?xì)庀碌耐钙饺~片必須經(jīng)過透平冷卻空氣進(jìn)行冷卻。冷卻空氣由壓氣機(jī)抽氣口抽出，通過TCA冷卻器冷卻后送至透平轉(zhuǎn)子和葉片前。TCA系統(tǒng)是三菱機(jī)組的特色技術(shù)。

2.2 水冷式TCA冷卻器要求

水冷式TCA冷卻器對給水系統(tǒng)和透平冷卻空氣供應(yīng)溫度有如下要求：

（1）TCA冷卻器出口溫度：燃機(jī)啟動階段（從燃機(jī)啟動至全速空負(fù)荷）的透平冷卻空氣溫度應(yīng)低于100℃，因此TCA冷卻器進(jìn)口給水溫度需維持在60℃以下。

（2）TCA冷卻器出口溫度：達(dá)到全速空負(fù)荷后，該溫度值在試運(yùn)行階段將作調(diào)整。若空氣溫度低于90℃，因?yàn)榭諝饴饵c(diǎn)的原因，將有水產(chǎn)生并出現(xiàn)積水。

（3）TCA出口給水溫度：TCA出口給水溫度應(yīng)始終至少低于TCA出口給水壓力所對應(yīng)的飽和溫度15℃。

（4）TCA冷卻器給水流量：燃機(jī)運(yùn)行狀態(tài)（燃機(jī)負(fù)荷、環(huán)境溫度等）將影響TCA冷卻器進(jìn)口空氣流量和溫度。需要確定TCA冷卻器的給水流量，使其出口空氣溫度維持在某個特定值以下。

水冷式TCA系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 水冷式TCA系統(tǒng)

2.3 水冷式TCA系統(tǒng)的缺點(diǎn)

TCA出口給水進(jìn)入余熱鍋爐高壓汽包，因此TCA出口的溫度需接近高壓汽包內(nèi)蒸汽飽和溫度。另外，由于TCA水側(cè)出口水溫高，容易在TCA出口管道中發(fā)生汽化，損壞管道和閥門，威脅TCA設(shè)備安全和機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了避免汽化，需將TCA水側(cè)出口管道的給水壓力穩(wěn)定在比TCA出口水溫度高15℃的溫度所對應(yīng)的飽和壓力以上。

根據(jù)東方電氣（三菱）的經(jīng)驗(yàn)，為了保證管道和設(shè)備在機(jī)組的各種運(yùn)行工況下都不發(fā)生汽化，通常需將高壓給水泵的出口壓力穩(wěn)定在16.5 MPa左右。比正常高壓給水壓力12.5～14 MPa高了不少，從而增大了給水泵的功耗。

因此TCA系統(tǒng)優(yōu)化非常有必要。

3 TCA系統(tǒng)優(yōu)化方案

為了解決以上問題，對該系統(tǒng)提出以下優(yōu)化方案。

（1）方案一：改變TCA換熱器的設(shè)計(jì)，保證TCA氣側(cè)出口的設(shè)計(jì)溫度不變，僅降低TCA水側(cè)出口的設(shè)計(jì)溫度（暫按降低10℃計(jì)算）。

降低TCA出口給水溫度后，防止TCA內(nèi)給水汽化的最小給水壓力也隨之下降。但是采用該方案后，余熱鍋爐高壓汽包的接近點(diǎn)溫差也會隨之增加。為了保證余熱鍋爐的產(chǎn)汽量不發(fā)生變化，需要增加其換熱面積。同時，為了避免換熱面積增加導(dǎo)致的煙氣阻力增加，余熱鍋爐需要增加高度。但這樣設(shè)計(jì)以后，會造成余熱鍋爐的成本大大增加。

另外，采用該方案后，TCA的冷卻面積會發(fā)生明顯變化，高壓給水流量也會增加。需要TCA冷卻器的制造商進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)配合，對各種工況進(jìn)行核算，以便確認(rèn)采用上述方案后TCA冷卻器是否能夠在各種工況下均安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）方案二：TCA冷卻器的設(shè)計(jì)不變，僅增加冷卻水流量。

采用這種方案，機(jī)組運(yùn)行時，TCA冷卻器的冷卻水流量增加，確實(shí)可以降低TCA冷卻器的出口水溫，使得給水泵的壓力降低。但同時也會降低TCA冷卻器出口的空氣溫度。燃機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻空氣的溫度對轉(zhuǎn)子間隙等運(yùn)行參數(shù)起著至關(guān)重要的作用。冷卻空氣溫度降低后，會導(dǎo)致燃機(jī)的功率和效率下降。

（3）方案三：單獨(dú)設(shè)置TCA給水泵。

采用分泵方案后，給水泵系統(tǒng)的整體效率會有所下降，其主要原因是由于其流量小、壓力高，很難選到合適的設(shè)備。單獨(dú)配置TCA給水泵后還需要為其配套相應(yīng)的管道、閥門等一系列設(shè)備，不僅會使投資成本和占地面積增加，同時會使得TCA系統(tǒng)的控制等方面變得更加復(fù)雜，增加了設(shè)備維護(hù)的成本和工作量。

（4）方案四：低負(fù)荷下用TCA溫度閉環(huán)控制TCA冷卻水量。

該方案利用實(shí)際的TCA出口水溫作為輸入信號去計(jì)算水側(cè)飽和壓力，根據(jù)計(jì)算所得對給水泵的頻率進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)節(jié)。

由于TCS對冷卻水調(diào)節(jié)閥的控制和DCS（分散控制系統(tǒng)）對高壓給水泵變頻的控制，2個控制信號會對冷卻水量調(diào)節(jié)產(chǎn)生相互影響，導(dǎo)致TCA氣側(cè)出口溫度無法穩(wěn)定，從而影響整個機(jī)組的安全可靠運(yùn)行。

對上述4種方案進(jìn)行比較得出以下結(jié)論：方案一安全運(yùn)行受到余熱鍋爐、TCA冷卻器的多方面制約，可靠性不強(qiáng)，且余熱鍋爐成本將增加；方案二導(dǎo)致整個機(jī)組效率降低，得不償失；方案三增加一定的投資，但對系統(tǒng)影響較??；方案四：控制非常困難，運(yùn)行可靠性差。因此推薦采用方案三。

傳統(tǒng)工程測繪極易受到地形條件及障礙物的影響，造成測繪數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，無法滿足后期施工要求。但GPS測繪技術(shù)主要采用接受及分析衛(wèi)星信號的方式實(shí)現(xiàn)測量，不必受到天氣、溫度等影響，只要滿足觀測條件，就可實(shí)現(xiàn)全天候的連續(xù)觀測，大大提升了工程測量工作效率。

4 TCA給水泵改造方案

4.1 單獨(dú)設(shè)置TCA給水泵方案

原始方案：TCA冷卻水來自高壓給水泵出口，即TCA供水與高壓給水泵合并設(shè)置。

來自凝結(jié)水泵（以下簡稱凝泵）的凝結(jié)水通過低壓省煤器加熱進(jìn)入低壓汽包進(jìn)行除氧，除氧后的給水通過高壓給水泵分別供至高壓省煤器和TCA冷卻器，以滿足高壓鍋爐給水和TCA冷卻水的要求，經(jīng)過高壓省煤器加熱的高壓給水與經(jīng)過TCA冷卻器加熱后的TCA冷卻水合并后進(jìn)入高壓汽包。

改造方案：TCA冷卻水單獨(dú)設(shè)置給水泵，TCA給水泵的水來自低壓汽包。

來自凝泵的凝結(jié)水通過低壓省煤器加熱進(jìn)入低壓汽包進(jìn)行除氧，除氧后的給水各自通過高壓給水泵和TCA給水泵進(jìn)入高壓省煤器和TCA冷卻器，以滿足高壓鍋爐給水和TCA冷卻水的要求，經(jīng)過高壓省煤器加熱的高壓給水與經(jīng)過TCA冷卻器加熱后的TCA冷卻水各自單獨(dú)進(jìn)入高壓汽包 ，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.2 方案對比

（1）水泵設(shè)備的組成：原始方案為高壓給水泵含TCA供水+變頻電機(jī)，改造方案為高壓給水泵+變頻電機(jī)及TCA給水泵+齒輪箱+工頻電機(jī)。

（3）節(jié)能效果：原始方案中，高壓給水泵需要同時滿足高壓系統(tǒng)給水和TCA供水的要求，水壓比較高且比較固定，因此在運(yùn)行時能耗較高。而改造方案的高壓給水泵及TCA給水泵分開設(shè)置，給水泵變頻調(diào)節(jié)，TCA給水泵為定速泵，運(yùn)行壓力用調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)即可，節(jié)能效果較好。能耗對比詳見表1。

圖2 改造方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

（4）設(shè)備維護(hù)、檢修成本及占地：原始方案的設(shè)備數(shù)量少，維護(hù)、檢修成本較低，占地面積小。改造方案則設(shè)備數(shù)量多，維護(hù)、檢修成本較高，泵區(qū)占地面積較大。

（5）系統(tǒng)設(shè)備配置：原始方案中每臺鍋爐配置2套高壓給水泵系統(tǒng)，相對簡單；改造方案中每臺鍋爐需配置2套高壓給水泵系統(tǒng)+2套TCA給水泵系統(tǒng)，比較復(fù)雜。

（6）給水泵的轉(zhuǎn)速：原始方案為2 742～2 980 r/min；改造方案為2 147～2 980 r/min。

（7）調(diào)試、運(yùn)行的情況：原始方案的系統(tǒng)設(shè)備少，調(diào)試簡單。由于TCA供水壓力要求較高且遠(yuǎn)高于鍋爐給水的壓力要求，特別是在機(jī)組部分負(fù)荷時影響鍋爐給水泵使用變頻的節(jié)能效果。而改造方案的系統(tǒng)復(fù)雜、調(diào)試復(fù)雜。高壓給水泵及TCA給水泵完全分開設(shè)置，高壓給水泵可根據(jù)鍋爐負(fù)荷變化進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能目的，TCA給水泵定速運(yùn)行。

（8）對鍋爐成本影響：原始方案的TCA和高壓給水泵合在一起，因此鍋爐設(shè)計(jì)壓力較高，增加鍋爐高壓省煤器成本。在改造方案中高壓給水泵的壓力下降約3 MPa，鍋爐的高壓省煤器設(shè)計(jì)壓力降低，鍋爐成本相對節(jié)省。

繪制功耗對比曲線如圖3所示。從圖3可以看出，將TCA給水泵從高壓給水泵分離出來后，在75%，50%和30%等部分負(fù)荷工況下的節(jié)能效果十分明顯，但在機(jī)組基本負(fù)荷工況下的節(jié)能效果一般。

4.3 改造后的經(jīng)濟(jì)效益

將TCA供水與高壓給水泵分離出來后，以機(jī)組年運(yùn)行3 500 h、電價0.575 4元/kWh計(jì)算，機(jī)組在1年運(yùn)行時間約可節(jié)約的費(fèi)用計(jì)算如下：

表1 2種方案的能耗對比

圖3 能耗對比曲線

（1）100%負(fù)荷工況下單臺泵組：

（1 887-1 828）×3 500 h×0.575 4=118 820元。

（2）75%負(fù)荷工況下單臺泵組：

（1 661-1 380）×3 500 h×0.575 4=563 892元。

（3）50%負(fù)荷工況下單臺泵組：

（1 423-1 004）×3 500 h×0.575 4=845 838元。

（4）30%負(fù)荷工況下單臺泵組：

（1 186-765）×3 500 h×0.575 4=847 852元。

5 結(jié)論

通過以上各項(xiàng)的對比，分別從設(shè)備成本、節(jié)能運(yùn)行及運(yùn)行的可靠性來看，可得出以下結(jié)論：

（1）從水泵及電機(jī)設(shè)備投資成本來看，原始方案最省，改造方案會增加投資。

（2）從節(jié)能運(yùn)行來看，改造方案將TCA供水從高壓給水泵分離出來后，機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時節(jié)能效果明顯，機(jī)組在基本負(fù)荷條件下運(yùn)行時，節(jié)能效果一般。

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（本文編輯：徐 晗）

Optimization of TCA System of M701F4 Gas Turbine Generators

XU Yien
（Huadian Jiangsu Energy Co.，Ltd.，Nanjing 210019，China）

∶TCA system of F3 and F4 heavy-duty gas turbine generators designed by Dongfang Electric Corporation（Mitsubishi）utilize heat from turbine blade cooling to improve the efficiency of the whole combined cycle.By comparing the advantages and disadvantages of air-cooled TCA and water-cooled TCA，the paper primarily analyzes system configuration of water-cooled.According to the typical configuration of Dongfang Electric Corporation（Mitsubishi），the water-cooled TCA system has stringent requirement on pressure head of high-pressure feed pump，which increases the power consumption for units operation.In order to ensure combined cycle efficiency of units and reduce power consumption，the paper compares some optimization programs and ultimately comes to a better one.

∶TCA；water-cooled；energy consumption comparison；efficiency

.201704016

1007-1881（2017）04-0064-04

TK264.1

B

2016-09-11

徐憶恩（1976），男，工程師，從事發(fā)電企業(yè)基建工程管理工作。