三菱M701F4燃機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻空氣系統(tǒng)優(yōu)化研究

任淵源，張衛(wèi)靈，光 旭，劉建生

(1.中國能源建設(shè)集團(tuán)浙江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江大唐國際紹興江濱熱電有限責(zé)任公司，浙江 紹興 312366)

大唐紹興江濱天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程燃?xì)廨啓C(jī)為M701F4型，采用17級(jí)軸流式壓氣機(jī)(壓比18)、20個(gè)燃燒室、干式、低NOx燃燒器；汽輪機(jī)為TC2F－35.4 inch型，雙缸(一高中壓缸和一低壓缸)下排汽機(jī)型；發(fā)電機(jī)為全氫冷發(fā)電機(jī)，銘牌額定參數(shù)480 MW/564.7 MVA，最大連續(xù)出力510 MW/600 MVA，頻率50 Hz，功率因素0.85。性能保證條件下100%負(fù)荷時(shí)單套聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力達(dá)約452.07 MW，熱效率達(dá)58.36%。作為國內(nèi)首套F4型單軸機(jī)組電廠，其設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)比較缺乏。本文針對(duì)該機(jī)型燃機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻空氣余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以期提高機(jī)組額定發(fā)電量、提高熱效率、降低工程造價(jià)，產(chǎn)生較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 三菱9F級(jí)燃機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)

三菱9F級(jí)燃機(jī)透平進(jìn)口初溫高達(dá)1400℃，在如此高的透平進(jìn)口初溫下機(jī)組能夠安全可靠的運(yùn)行，除了其先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及采用新材料、新技術(shù)外，在高溫部件中運(yùn)用了先進(jìn)的冷卻技術(shù)也是其中的原因之一。

三菱9F級(jí)燃機(jī)采用4級(jí)透平葉片，靜葉的持環(huán)和動(dòng)葉頂部的動(dòng)葉環(huán)，將高溫燃?xì)馀c外缸隔開，形成雙層缸結(jié)構(gòu)，外缸承載，內(nèi)缸受熱，在內(nèi)外缸夾層中通冷卻空氣，中間夾層具有隔熱和充當(dāng)冷卻空氣通道的雙重功能。

透平動(dòng)、靜葉的冷卻需要利用壓力、溫度與其匹配的冷卻空氣，進(jìn)行冷卻后，進(jìn)入做功的主燃?xì)饬?，各路通道的阻力和最后進(jìn)入主氣流處的壓力各有不同，因此選擇不同壓力的抽氣點(diǎn)來供應(yīng)冷卻空氣。

圖1為三菱9F級(jí)燃機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)示意圖。

圖1 三菱9F級(jí)燃機(jī)空氣冷卻系統(tǒng)圖

其主要的系統(tǒng)流程為：

(1)抽取少量壓氣機(jī)出口的空氣與外部冷卻介質(zhì)進(jìn)行換熱(經(jīng)TCA冷卻器)后，去冷卻透平第1級(jí)靜葉、主軸、葉輪和動(dòng)葉片；冷卻空氣從壓氣機(jī)出口抽出后，經(jīng)燃燒室的火焰筒周圍空腔引來，流過1級(jí)靜葉持環(huán)，再流入1級(jí)靜葉內(nèi)部冷卻通道，冷卻靜葉后從靜葉出氣邊小孔排至主燃?xì)饬髦校?/p>

(2)從壓氣機(jī)第14級(jí)、第11級(jí)、第6級(jí)抽氣口分別抽出空氣以冷卻透平第2級(jí)靜葉片、第3級(jí)靜葉片和第4級(jí)靜葉片；冷卻空氣首先進(jìn)入內(nèi)外缸之間的夾層，然后至靜葉內(nèi)部冷卻通道，冷卻靜葉后從靜葉出氣邊小孔排至主燃?xì)饬髦小?/p>

(3)來自TCA冷卻器的冷卻空氣一股經(jīng)第1級(jí)輪盤上的徑向孔引至1級(jí)動(dòng)葉根部，再流入1級(jí)動(dòng)葉進(jìn)行冷卻，從葉頂和葉片出氣邊小孔排至主燃?xì)饬髦?；另一股?jīng)第1級(jí)輪盤上的軸向孔流至第2級(jí)、第3級(jí)、第4級(jí)輪盤之間的空腔，經(jīng)葉根槽底部的徑向孔去冷卻第2級(jí)、第3級(jí)、第4級(jí)輪緣及葉根。這樣，使每級(jí)葉輪的進(jìn)氣側(cè)和出氣側(cè)都有冷卻空氣流過，使這些表面與燃?xì)馔耆糸_，各級(jí)葉輪的表面全部被冷卻空氣所包圍，冷卻效果較好。使燃?xì)獬鯗卦?400℃及以上時(shí)，也能夠確保長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 TCA冷卻器型式優(yōu)化選擇

為了提高燃機(jī)轉(zhuǎn)子的冷卻效果，采用了TCA冷卻器先將壓氣機(jī)出口的空氣進(jìn)行降溫，再進(jìn)入燃機(jī)內(nèi)部進(jìn)行冷卻。這樣做，既可以有效的提高燃機(jī)冷卻效果，減少冷卻空氣的流量，同時(shí)可以將燃機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻空氣的余熱通過TCA設(shè)備得到有效的利用和回收，機(jī)組效率得以提高。

對(duì)于TCA冷卻器型式，有以下兩種方案：

方案一：空冷冷卻器型方案(以下簡稱空冷方案)；

方案二：水冷冷卻器型方案(以下簡稱水冷方案)。

2.1 方案一 空冷方案原理

考慮到天然氣燃料需要被加熱(通過FGH加熱器)后再送至燃機(jī)，從而提高燃機(jī)的運(yùn)行效率；這與壓氣機(jī)出口的空氣需要冷卻(通過TCA冷卻器)后再去冷卻燃機(jī)轉(zhuǎn)子的過程正好相反。因此，可設(shè)法將壓氣機(jī)出口的熱空氣的熱量傳遞至天然氣燃料，達(dá)到余熱利用的目的。然而天然氣壓力高于壓氣機(jī)出口空氣壓力，為避免天然氣泄漏至燃機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻空氣管路，這套換熱系統(tǒng)考慮采取二次間接換熱方案。由此，得出的空冷冷卻器原理見圖2。

圖2 空冷方案原理圖

本方案中TCA冷卻器的冷端介質(zhì)為空氣，冷卻器采用風(fēng)機(jī)對(duì)壓氣機(jī)出口的熱空氣進(jìn)行冷卻，冷卻風(fēng)機(jī)能夠滿足燃機(jī)最大運(yùn)行工況下的冷卻容量。冷端空氣介質(zhì)被加熱后，再去與天然氣燃料進(jìn)行換熱。正常運(yùn)行工況，壓氣機(jī)出口的空氣溫度約為450℃，通過TCA冷卻器后的溫度約為200℃，而天然氣可由32℃加熱至約210℃。在上述過程中，通過TCA冷卻器，壓氣機(jī)出口空氣的余熱被間接傳遞(通過另一股空氣作為熱量傳遞的中間媒介)給了天然氣燃料，從而回收余熱，提高燃機(jī)效率。

2.2 方案二 水冷方案原理

水冷方案中TCA冷卻器的冷端介質(zhì)為高壓給水。來自高壓給水泵的高壓給水通過TCA冷卻器一次直接換熱后溫度可從約157.6℃升高至約296.8℃(100%負(fù)荷時(shí)流量約63 t/h)，然后進(jìn)入高壓汽包進(jìn)行汽水循環(huán)，從而回收了壓氣機(jī)出口空氣的余熱，同時(shí)將燃機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻空氣的溫度從約450℃降低至230℃(100%負(fù)荷時(shí)流量約212 t/h)，滿足轉(zhuǎn)子冷卻溫度的要求，提高了燃機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻的效果，最終降低了聯(lián)合循環(huán)氣耗率，提高了聯(lián)合循環(huán)熱效率。

本方案中對(duì)應(yīng)于TCA冷卻器，還設(shè)有FGH加熱器，即天然氣加熱器。天然氣的加熱不再使用空氣，而是使用中壓省煤器出口的中壓給水一次直接加熱，回水正常運(yùn)行時(shí)回至凝結(jié)水管道與凝結(jié)水混合后進(jìn)低壓省煤器參加汽水循環(huán)。中壓給水的溫度從約249.3℃降低至約60℃，中壓給水的流量約35.5 t/h，天然氣可由32℃加熱至約200℃。該換熱方案工質(zhì)沒有損失，加熱后的天然氣去燃機(jī)燃燒后做功。見圖3、圖4。

圖3 水冷方案(TCA冷卻器)原理圖

圖4 水冷方案(FGH加熱器)原理圖

2.3 方案比較

2.3.1 空冷冷卻器方案缺點(diǎn)

(1)空冷冷卻器易受環(huán)境影響。

(2)空冷冷卻器采用二次間接換熱，效率不高。

(3)空冷冷卻器采用TCA冷卻器和FGH加熱器一體化結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，屬非標(biāo)準(zhǔn)的換熱器設(shè)計(jì)，造價(jià)較高。

2.3.2 水冷冷卻器方案優(yōu)點(diǎn)

(1)水冷冷卻器方案不存在敞開的空氣介質(zhì)，不易受環(huán)境影響。

(2)水冷冷卻器方案中TCA冷卻器和FGH加熱器均采用一次直接換熱，效率較空冷冷卻器高，能夠帶來更多的發(fā)電收益。

(3)水冷冷卻器方案中TCA冷卻器和FGH加熱器，均為氣－水表面式換熱器，屬常規(guī)換熱器，結(jié)構(gòu)較簡單，單個(gè)設(shè)備造價(jià)較省。

根據(jù)熱平衡的計(jì)算結(jié)果，水冷冷卻器方案在性能上比空冷冷卻器方案確有較大的提升，機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較見表1。

表1 方案技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較

從上表可以看出，水冷冷卻器方案的單臺(tái)機(jī)組額定發(fā)電量可比空冷冷卻器方案提高約1500 kW，熱耗率降低約19 kJ/kWh，熱效率提高約0.19%。按機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)3500 h計(jì)算，全廠兩臺(tái)機(jī)組全年可多發(fā)電1.05×107kWh，若按0.62元/kWh的電價(jià)算，全廠每年可增加發(fā)電收益約651萬元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

水冷冷卻器方案的汽耗率比空冷冷卻器方案降低約0.00058 Nm3/kWh，在年發(fā)電量(2.87×109kWh)相同的前提下計(jì)算，全廠每年可節(jié)省天然氣燃料消耗量約160萬Nm3，若天然氣價(jià)格按2.41元/Nm3，全廠每年可節(jié)約燃料成本約385.6萬元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

兩方案綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

表2 方案綜合評(píng)價(jià)比較

2.4 比較結(jié)論

從方案綜合評(píng)價(jià)比較表可以看出，水冷方案除了施工工程量比空冷方案略大外，其余各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于空冷方案，而施工工程量總體相差不大，所以，從提高機(jī)組熱效率、增大經(jīng)濟(jì)效益的角度出發(fā)，推薦采用水冷冷卻器方案。這同時(shí)也是中國國內(nèi)工程中東方電氣/三菱公司(主機(jī)廠)對(duì)M701F4機(jī)型配置的推薦方案，是國內(nèi)現(xiàn)有M701F4機(jī)型和M701F3機(jī)型的最大區(qū)別。

3 TCA水側(cè)系統(tǒng)方案的優(yōu)化

在水冷冷卻器方案中，根據(jù)高壓汽包水位主調(diào)節(jié)閥設(shè)置位置的不同，主要有以下兩種水側(cè)系統(tǒng)方案：

方案一：后置調(diào)閥系統(tǒng)方案(高壓汽包水位調(diào)節(jié)閥后置于高壓省煤器，以下簡稱后置方案)。

方案二：前置調(diào)閥系統(tǒng)方案(高壓汽包水位調(diào)節(jié)閥前置于高壓省煤器，以下簡稱前置方案)。

3.1 方案一 后置方案特點(diǎn)

本方案中CV3高壓汽包水位調(diào)節(jié)閥后置于高壓省煤器，通過該閥的調(diào)節(jié)滿足高壓汽包水位控制的要求。由于高壓省煤器后設(shè)有動(dòng)力操作的閥門，該閥門可能會(huì)關(guān)閉，按照ASME規(guī)范的要求，高壓給水泵出口管路，包括高壓省煤器的設(shè)計(jì)壓力都必須按高壓給水泵的閉泵揚(yáng)程確定，即為23 MPa.g。見圖5。

圖5 后置方案原則性系統(tǒng)圖

3.2 方案二 前置方案特點(diǎn)

本方案中CV4高壓汽包水位調(diào)節(jié)閥前置于高壓省煤器，通過該閥的調(diào)節(jié)滿足高壓汽包水位控制的要求。按照ASME B31.1規(guī)范122.1.3節(jié)“Feedwater Piping”的要求，由于高壓省煤器與高壓汽包之間不裝設(shè)閥門，所以，高壓省煤器及CV4之后的管道的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于超過高壓汽包最大工作壓力的25%或225psi(1550kPa)(取兩者中較小值)，因此，其設(shè)計(jì)壓力取為13.1MPa.g，比后置調(diào)閥系統(tǒng)方案大大減小。見圖6。

圖6 前置方案原則性系統(tǒng)圖

3.3 方案比較

根據(jù)與余熱鍋爐廠的配合情況，后置方案和前置方案余熱鍋爐鋼材耗量比較計(jì)算表見表3。

表3 余熱鍋爐鋼材耗量比較

從表3可以看出，采用前置調(diào)閥系統(tǒng)方案每臺(tái)余熱鍋爐鋼材耗量將比后置調(diào)閥系統(tǒng)降低約60噸，最終使得高壓省煤器造價(jià)節(jié)省約138萬元，全廠兩臺(tái)余熱鍋爐可節(jié)省初投資約276萬元，若考慮鍋爐鋼架基礎(chǔ)的差別，節(jié)省的投資將更大。兩方案綜合評(píng)價(jià)結(jié)果見表4。

表4 方案綜合評(píng)價(jià)比較

3.4 比較結(jié)論

雖然后置調(diào)閥系統(tǒng)方案和前置調(diào)閥系統(tǒng)方案均是可行的方案，但由于前置調(diào)閥系統(tǒng)方案中，高壓省煤器受熱面鋼材耗量較低，可節(jié)省余熱鍋爐設(shè)備的投資，而且系統(tǒng)相對(duì)簡單，高壓汽包也不需要特殊的設(shè)計(jì)，所以，在本工程中推薦采用前置調(diào)閥方案，即高壓汽包水位調(diào)節(jié)閥前置于高壓省煤器。

各調(diào)節(jié)閥優(yōu)化后承擔(dān)的控制功能見表5。

表5 各調(diào)節(jié)閥承擔(dān)的控制功能

3.5 前置調(diào)閥方案的實(shí)際運(yùn)行效果

采用前置調(diào)閥方案的機(jī)組自2013年投產(chǎn)運(yùn)行至今，效果一直不錯(cuò)。CV4調(diào)節(jié)閥作為高壓汽包水位的主調(diào)節(jié)閥，控制汽包水位的效果較好，調(diào)節(jié)較為方便。同時(shí)，由于采取了以下措施，TCA水側(cè)系統(tǒng)的汽蝕狀況得到有效控制，運(yùn)行狀況良好。

3.5.1 回水至凝汽器管路抗汽蝕設(shè)計(jì)

(1) CV1調(diào)節(jié)閥采用多級(jí)降壓結(jié)構(gòu)，含抗汽蝕的閥內(nèi)件，采用抗汽蝕角閥型式。

(2) CV1調(diào)節(jié)閥布置盡可能靠近凝汽器，減小閥后管道壓降。

(3) CV1閥后先垂直向下，再水平布置，有利于防止汽化。

(4) CV1閥后管道口徑放大，增加管道通流能力。

(5) 增大管道壁厚，增加腐蝕裕量。

3.5.2 回水至余熱鍋爐管路抗汽蝕設(shè)計(jì)

(1) 增設(shè)多級(jí)降壓節(jié)流孔版。

(2) 閥后管道口徑放大，增加管道通流能力。

(3) 增大管道壁厚，增加腐蝕裕量。

4 結(jié)論

本文針對(duì)采用國內(nèi)首套三菱M701F4型單軸燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)機(jī)組的大唐紹興電廠的燃機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻空氣余熱利用系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，對(duì)冷卻器型式進(jìn)行了綜合比較和優(yōu)化選擇，水冷冷卻器方案的單臺(tái)機(jī)組額定發(fā)電量可比空冷冷卻器方案提高約1500 kW，熱耗率降低約19 kJ/kWh，熱效率提高約0.19%，汽耗率降低約0.00058 Nm3/kWh，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，推薦采用水冷冷卻器方案。

本文針對(duì)燃機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻空氣余熱利用系統(tǒng)的TCA水側(cè)系統(tǒng)方案進(jìn)行了優(yōu)化，推薦采用高壓汽包水位調(diào)節(jié)閥前置于高壓省煤器的系統(tǒng)方案，全廠兩臺(tái)余熱鍋爐可節(jié)省初投資約276萬元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

本文主要以“一拖一”聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的余熱鍋爐TCA水側(cè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化研究，對(duì)“二拖一”機(jī)組，余熱鍋爐系統(tǒng)是一樣的，所以本文的推薦方案也具有適用性，只不過此時(shí)回水至凝汽器以及凝結(jié)水的管路均來自于兩臺(tái)余熱鍋爐共用的汽輪機(jī)凝汽器。因此，本文對(duì)國內(nèi)外“一拖一”和“二拖一”等同類型項(xiàng)目均具有較高的借鑒和參考意義。