增壓級給水泵在M701F4 燃機TCA 冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用

莫俊武，樊愛兵

（1.江蘇華電儀征熱電有限公司，江蘇 揚州，211400 2.華電江蘇能源有限公司，江蘇 南京，210028）

0 引言

作為一種熱力學(xué)布雷頓循環(huán)，燃?xì)廨啓C熱效率隨著燃燒溫度的升高而提高，但過高的初溫或?qū)е聼嵬ǖ啦考诔^其熔化溫度下運行。借助熱障涂層保護(hù)和冷卻工質(zhì)的冷卻，保證熱通道部件的工作溫度低于熔化溫度，使效率提高及熱通道部件壽命延長成為現(xiàn)實。采用壓氣機抽氣作為冷卻工質(zhì)是成熟的冷卻方式，此功能的冷卻空氣被稱為TCA（Turbine Cooling Air），通常冷卻空氣量占進(jìn)氣總量的20%～30%。為了獲得高的整體冷卻效率和低熱效率損失，M701F4 燃機從壓氣機末級抽氣引至冷卻系統(tǒng)，通過水冷式TCA 冷卻器冷卻到230 ℃后對轉(zhuǎn)子和透平動葉進(jìn)行冷卻。三菱/東方推薦的M701F4 燃機的TCA 冷卻系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)配置，回收TCA 的部分能量，但TCA 水回路仍有優(yōu)化空間。制造廠及電廠業(yè)主提出并分析了各種優(yōu)化方案：（1）增大TCA 的換熱面積/流量、降低TCA冷卻水出口溫度，從而降低高壓泵出口壓力[1－2]；（2）增加獨立的TCA 泵[2]等。

本文提出了帶有增壓級給水泵的優(yōu)化方案，增壓級給水泵具有吐出口和增壓級抽口，提供2種不同的出口壓力，分別與HRSG 的高壓省煤器、燃機的TCA 水側(cè)進(jìn)口相連通，經(jīng)加熱后輸送到高壓汽包中。增壓級的揚程按TCA 的水回路需求壓力設(shè)計，給水泵吐出口壓力按HRSG 主回路給水壓力要求而設(shè)計，解決了單一出口給水泵能耗及HRSG 高壓省煤器設(shè)計壓力高的問題，對進(jìn)一步優(yōu)化M701F4 燃機性能具有借鑒意義。

1 M701F4 燃機標(biāo)準(zhǔn)的TCA 冷卻水系統(tǒng)

M701F4 燃機冷卻轉(zhuǎn)子和透平動葉的空氣來自壓氣機排氣，經(jīng)水冷式冷卻器冷卻后為暴露在高溫燃?xì)馔ǖ纼?nèi)的動葉和透平轉(zhuǎn)子輪盤提供熱障。M701F4 燃機TCA 水側(cè)的典型系統(tǒng)圖見圖1。

從圖1 中可以看出，高壓給水泵進(jìn)口水源有兩路：一路來自凝結(jié)水泵，另一路來自低壓汽包，兩路之間設(shè)有旁路閥，以便在需要時切換水源。來自低壓汽包/凝結(jié)水泵的給水經(jīng)高壓給水泵升壓后分兩路加熱送到高壓汽包：一路在TCA 冷卻器中與高溫空氣進(jìn)行熱交換，另一路在高壓省煤器內(nèi)與高溫燃?xì)膺M(jìn)行熱交換，隨后兩路混合輸送到高壓汽包。

M701F4 燃機標(biāo)準(zhǔn)的TCA 冷卻水系統(tǒng)典型設(shè)計的特征是TCA 冷卻器的冷卻水與高壓省煤器的進(jìn)水采用同一臺高壓給水泵，且共用一個出口。

毋庸置疑，TCA 出口的冷卻空氣溫度對安全運行至關(guān)重要。過高的冷卻空氣溫度會導(dǎo)致過流部件未達(dá)到合適的冷卻，或因溫度過高致使壽命縮短甚至突發(fā)安全事故；過低的冷卻空氣溫度則會影響燃?xì)廨啓C的出力和效率，三菱分析表明，TCA 氣側(cè)溫度每下降10～15 ℃，燃?xì)廨啓C的出力將下降1%[2]；另一方面給水過高的升溫將誘發(fā)TCA 冷卻器水側(cè)及其下游給水管內(nèi)閃蒸，對冷卻器和下游管道產(chǎn)生破壞。此外，給水在TCA 與高壓省煤器溫升應(yīng)一致，保證混合后的出口水溫接近高壓汽包內(nèi)蒸汽飽和溫度。為了保證熱通道部件合適的冷卻、維持燃機高效運行，同時避免冷卻器水側(cè)及下游管線閃蒸，M701F4 對TCA 冷卻器進(jìn)出口水溫、壓力，出口氣溫的要求如下：

（1）燃機從點火到全速空載期間，TCA 冷卻器氣側(cè)出口溫度不大于100 ℃，相應(yīng)TCA 冷卻器的入口水溫應(yīng)小于60 ℃；

（2）TCA 冷卻器氣側(cè)出口溫度需保證230 ℃，以免燃機熱通道部件受到損壞；

（3）TCA 冷卻器水側(cè)出口壓力≥水側(cè)出口溫度+15 ℃對應(yīng)的飽和壓力[2]，以防TCA 冷卻器水側(cè)及其下游給水管內(nèi)出現(xiàn)閃蒸汽蝕。

2 標(biāo)準(zhǔn)配置的不足之處

根據(jù)某燃機聯(lián)合循環(huán)電廠的設(shè)計條件及運行模式，基于M701F4 燃機對TCA 冷卻器水側(cè)和氣側(cè)參數(shù)要求，計算得出的不同燃機負(fù)荷下TCA 對給水泵出口壓力的要求見圖2 中曲線3，主蒸汽對給水壓力、給水流量隨燃機負(fù)荷的變化需求也同時展示在圖中，分別見曲線1、曲線2。

圖2 TCA 水側(cè)、給水壓力隨負(fù)荷的變化趨勢

從圖2 可以看出，隨著負(fù)荷的降低，主回路給水流量、壓力均下降，而TCA 冷卻器對高壓給水泵的出口壓力要求在增加，約在50%負(fù)荷達(dá)到峰值16.3 MPa，在30%負(fù)荷有所降低[1]。

此種情況下，如TCA 冷卻器的冷卻水與高壓省煤器的進(jìn)水采用同一臺高壓給水泵，且單進(jìn)單出，則存在以下不足：

（1）TCA 的溫度關(guān)系到燃機熱通道部件的安全運行，同時為防止TCA 冷卻器水側(cè)出口管道內(nèi)發(fā)生閃蒸汽蝕，給水泵的運行壓力必須優(yōu)先滿足TCA 冷卻器水側(cè)壓力的需要，這導(dǎo)致給水泵揚程始終大于主蒸汽的需求值，致使能耗偏高，尤其是低負(fù)荷下能耗增大更為嚴(yán)重。

（2）由于給水泵揚程大于汽水回路的實際需求值，高壓給水泵下游的高壓省煤器、管路的設(shè)計壓力均要提高，壁厚增加，無疑增加了投資。

（3）鍋爐高壓給水泵需定壓運行以免TCA 冷卻器水側(cè)出口管道內(nèi)發(fā)生汽蝕，無法使用變頻泵。

3 增壓級給水泵優(yōu)化方案

為了解決單吸單出高壓給水泵的揚程不能同時兼顧主回路給水、TCA 冷卻水壓力的需要，可采用單吸雙出口的增壓級的給水泵替代單吸單出的高壓給水泵。

增壓級給水泵是在末級葉輪之后增添一個大輪轂直徑、低比轉(zhuǎn)速葉輪，并加設(shè)增壓級抽頭，這樣給水泵就具有主吐出口和增壓級抽頭，增壓級抽頭壓力高于給水泵的吐出口壓力。

增壓級給水泵在M701F4 燃機TCA 冷卻器冷卻水系統(tǒng)應(yīng)用中，給水泵的吐出口與HRSG 的高壓省煤器相連接，增壓級抽頭與燃機的TCA 冷卻器水側(cè)進(jìn)口相連接，同時，TCA 冷卻水與高壓省煤器出水相對獨立，TCA 冷卻器冷卻水將直接回高壓汽包，而不與高壓省煤器來水混合后經(jīng)液位控制閥進(jìn)入高壓汽包，兩者分別進(jìn)入高壓汽包，見圖3，這樣就避免了TCA 冷卻器冷卻水流量控制閥FCV-2 與高壓汽包液位控制閥LCV 之間相互干擾，此外，可在近高壓汽包的TCA 冷卻器冷卻水管道上加裝節(jié)流孔板，確保管道內(nèi)的水不閃蒸汽化，為防止冷卻水流對高壓汽包水位測量的影響，冷卻水接入口應(yīng)放置在高壓汽包的遠(yuǎn)離水位測量位置。由于TCA 冷卻器冷卻水和主回路給水獨立進(jìn)入高壓汽包，可取消省煤器前的差壓控制閥。TCA 冷卻器液位高報警信號發(fā)出后，但水位繼續(xù)上升，給水泵最小流量閥應(yīng)開啟。

圖3 增壓級給水泵在M701F4 燃機TCA 水側(cè)的系統(tǒng)圖

給水泵主吐出口的設(shè)計點：供熱機組以冬季設(shè)計條件100%負(fù)荷下最大供熱模式運行時的給水流量及主蒸汽壓力為基點而確定；對于純冷凝機組，按冬季設(shè)計條件下100%負(fù)荷時的給水流量及主蒸汽壓力為基點而確定。

增壓級葉輪水力設(shè)計點：出口壓力按TCA 冷卻器出口水溫最大值+15 ℃所對應(yīng)的飽和蒸汽壓力，流量按此工況下所需的減溫水流量+20%裕量。在上述示例電廠中，TCA 水側(cè)需求冷卻水壓力的峰值為16.3 MPa，發(fā)生在50%燃機負(fù)荷附近。為了滿足TCA 冷卻器冷卻水運行壓力的要求，需將50%負(fù)荷的16.3 MPa 作為增壓級的設(shè)計壓力，此負(fù)荷下的流量作為增壓級的設(shè)計流量，同時75%、100%負(fù)荷下的TCA 水側(cè)壓力和流量作為校核工況，即增壓級的性能曲線應(yīng)全程覆蓋TCA 所需的減溫水流量及其與壓力見圖4。

圖4 增壓級的性能

4 節(jié)能減排分析

根據(jù)章節(jié)3 所確定的設(shè)計原則，可將增壓級給水泵與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的單吸單出高壓泵(兼用于TCA 冷卻)所需的軸功率進(jìn)行比較，75%負(fù)荷下的結(jié)果見表1。

通過表1 可以看出，采用增壓級高壓給水泵與單吸單出的高壓給水泵相比，按年運行3 500 h計算，每年可節(jié)約廠用電51 萬度，CO2減排205 t。

表1 TCA 冷卻系統(tǒng)水側(cè)參數(shù)匯總表

5 結(jié)論

將帶有增壓級給水泵應(yīng)用于M701F4 聯(lián)合循環(huán)電站的TCA 冷卻水系統(tǒng)，可在標(biāo)準(zhǔn)配置增效減排的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)揮該機型的技術(shù)優(yōu)勢，提高其節(jié)能減排的水平。