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

      2018-08-31 08:01:52任淵源張衛(wèi)靈劉建生
      電力勘測設(shè)計(jì) 2018年8期
      關(guān)鍵詞:冷卻空氣汽包省煤器

      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。

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