M 701F4燃气轮机新型空气冷却器及其系统介绍和优化方案比较

梁珊珊，董奎，杨小军，陶健，艾松

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

M 701F4燃气轮机新型空气冷却器及其系统介绍和优化方案比较

梁珊珊，董奎，杨小军，陶健，艾松

(东方汽轮机有限公司，四川德阳，618000)

通过对新、旧型空气冷却器的比较，得出采用新型空气冷却器的优势和重要性。通过对该新型冷却器系统配置的分析，对目前电厂业主和锅炉厂家提出的优化方案进行比较，得到冷却空气冷却器水侧系统较为可行的优化方案。

M 701F4燃气轮机，新型空气冷却器，系统配置，控制理念，优化方案

0 引言

M701F4型燃气轮机是三菱将成熟的M501G型燃气轮机中先进的技术运用到M701F3型燃气轮机，从而提高了燃气轮机的出力和降低了机组的热耗。在众多的技术改进点中，燃机转子及动叶冷却系统中的空气冷却器 （简称TCA）对性能的提升起到了不可小觑的作用，本文主要介绍M701F4采用的新型TCA的设计原理和系统特点，并就其控制理念进行简单的介绍。

1 新型TCA（气水换热）与老型TCA（气气换热）的比较

燃气轮机的热力循环为典型的Brayton循环，燃机的效率随着透平第一级静叶入口温度的增加而升高。所以燃气轮机制造商一直致力于提高透平入口温度。但是，该温度往往受到透平叶片材料的限制。通常会通过2种方式解决透平叶片金属持续承受高温的问题：（1）在透平一二级叶片表面喷涂TBC热障涂层，通过涂层，将透平叶片金属表面温度降低到较低的水平； （2）分别从压气机抽气到透平静叶进行冷却，同时抽取压气机排气到TCA进行冷却后，返回到燃机透平对转子和动叶片进行冷却。图1为采用冷却技术后燃气温度和叶片金属壁面温度的分布情况。

图1 燃气温度和叶片金属温度的分布

在M701F3型燃机中，三菱采用空冷式的TCA，通过空气自然对流和安装在TCA冷却器下方的风扇引起的空气强制对流，将热量传给燃气加热器，在加热天然气的同时，将压气机排气冷却到230℃。该换热器的传热介质是气体，传热系数低。因此老型TCA的换热效率较低，虽然该系统简单可靠，但不能充分回收TCA冷却空气的余热，对整个联合循环机组的性能提升有限。M701F4型机组的新型TCA为管壳式给水换热器，利用高压给水泵出口给水对压气机排气进行冷却，换热介质为水，传热系数大，换热效率高。透平冷却空气的余热被锅炉给水充分吸收，使余热锅炉产汽量上升，从而提高了联合循环机组性能。

对于典型的采用F4燃机的联合循环机组，通过比较采用空冷式TCA冷却器和水冷式TCA冷却器的机组性能后发现，采用水冷式冷却器后联合循环机组出力增加1.5 MW，燃料消耗量保持不变，机组效率提高0.19%，机组热耗降低19 kJ/ kWh。

由上可见，M701F4型燃机采用的管壳式水冷TCA，对提高联合循环机组的效率有较大贡献。图2表示了采用不同形式TCA冷却器时的热量分配关系。

图2 空冷式和水冷式TCA FGH热量分配

2 新型TCA设计原理及要点

M701F4燃气轮机的TCA为管壳式换热器，利用高压给水泵出口的水对从压气机出口抽取的空气进行冷却。其换热计算公式如下：

Q=K×F×Δt

式中：

Q―热负荷；

K―传热系数；

F―换热面积；

Δt―传热温差 （一般用对数平均温差）。

对数温差Δt=（（Ti-to）-（To-ti））/ln（（Ti-to）/（Toti））

式中：

Ti―热流体进口温度，K；

To―热流体出口温度，K；

ti―冷流体进口温度，K；

to―冷流体出口温度，K。

虽然换热计算比较简单，但是TCA设计需要考虑的因素比较多。

首先，要保证TCA气侧空气出口温度为230℃，以免燃机热通道部件受到损坏。此项通过在任何工况下给予足够的高压给水量来保证。

其次，由于TCA出口水与高压省煤器出口给水先混合后再进入高压汽包，该处温度需接近高压汽包内蒸汽饱和温度，以免造成节点温差过大而影响余热锅炉产汽量和效率。但同时，TCA出口水侧水温太高，容易在TCA出口管道中发生汽化，损坏管道和阀门，严重威胁TCA设备安全和机组正常稳定运行。而如果要避免汽化，需将TCA出口管线中的压力稳定在比TCA出口水温高出一定温度对应的饱和压力以上。在TCA出口水温的选取上，按照比高压汽包温度低一定温度的原则来确定TCA出口的水温。

由于在不同大气条件下，燃机压气机的抽气温度不同，锅炉高压给水泵的出口水温也会发生变化，所以在TCA设计时需要充分考虑机组的变工况运行，其中包括极端最低温度工况、燃机最大出力工况、性能保证工况和极端最高温度工况等。特别值得注意的是，对于2on1（2台燃机带1台汽机）的运行工况，需要注意当单台燃机带汽机运行时，TCA出口水温会出现高点。

3 TCA水侧系统及控制理念

为了得到TCA带来的联合循环机组性能提升和保证系统安全可靠运行，TCA水侧的系统设计非常重要。图3为三菱M701F4燃机TCA水侧的典型系统设计。

图3 TCA水侧系统示意图

从图3可以看出，从高压给水泵出口出来的高压给水分为2路，一路通过高压省煤器进入高压汽包，一路到TCA对转子冷却空气进行冷却后再进入到高压汽包。

燃机启动期间 （从燃机点火到全速空载），TCA冷却空气出口温度应小于100℃，因此，在这个阶段TCA冷却器的入口水温应小于60℃。由于启动阶段 （尤其是热态启动阶段）高压给水的温度一般都是100℃以上，只有通过在凝结水泵后设置旁路阀，降低高压给水温度，以达到燃机运行的要求。

TCA水侧入口前设置并联的2个入口阀，其中较小管径的阀门 （25A）作为主进口阀的旁路，起到平衡主进口阀前后压差的作用。

TCA出口的冷却空气温度对燃机的安全运行非常重要。在燃机启动和90%负荷以下，通过控制TCA的水量来控制TCA气侧温度；到燃机90%～100%负荷，通过控制TCA出口气侧温度控制TCA入口的水流量。

在燃机启动初期和低负荷运行时，TCA出口水温较高压汽包低，不能直接排入高压汽包，而是通过FCV-1排入凝汽器，此时TCA给水流量的控制依靠凝汽器侧阀门FCV-1；当燃机负荷达到一定值时，即可关闭阀门FCV-1，打开TCA出口去高压汽包的阀门FCV-2，此时TCA水量的控制由高压汽包前阀门FCV-2进行。在运行过程中，FCV-1作为FCV-2的紧急备用，如果由于汽包水位调节或其他原因，FCV-2全开也满足不了TCA的用水量，FCV-1就迅速打开，以保证TCA有足够的冷却水量，防止燃机叶片超温。所以，FCV-1必须具备快开功能。

在高压省煤器出口、高压汽包进口。设置控制阀LCV，该阀门用于汽包水位的控制，同时，为了避免TCA水侧出口温度高产生的汽化，该阀门还有一定的憋压作用。

在高压省煤器前面，还设置了一个调节阀，该阀门的主要目的是匹配TCA管线和省煤器管线的压阻，以便合理分配2条支路的流量。

4 TCA水侧系统优化设计方案

F4型燃气轮机的TCA水侧系统标准配置，提高了燃气轮机联合循环机组的性能。但是如果采用此系统，锅炉高压给水泵需定压运行以免TCA水侧出口管道内发生汽蚀，无法使用变频泵，因此，国内电厂业主和锅炉厂家希望该系统可以得到优化。下文就各种优化方案进行介绍。

优化方案一：增加TCA水侧流量，降低TCA出口水温，从而降低高压泵出口压力。

此方案实现最为简单，以山西某项目为例，设计工况下，TCA出口水温为301.2℃，若将TCA出口水温降低到280℃，TCA水侧流量增加4.4%，TCA换热面积减少95m2。高压给水泵出口压力可以下调到13 MPa左右。但是，正如之前描述，由于TCA出口水先与高压省煤器出口给水混合后再进入高压汽包，该处的温度需接近高压汽包内蒸汽饱和温度，否则会造成节点温差过大而影响余热锅炉产汽量和效率。以浙江某项目为例，余热锅炉如按TCA的出口水温度比高压汽包的温度低35℃，余热锅炉可以通过调节受热面满足常规设计中汽机进口参数的要求，但需增加受热面1×104m2，烟气阻力增加约6 mm水柱；余热锅炉如按TCA的出口水温度比高压汽包的温度低40℃，余热锅炉可以通过调节受热面满足常规设计中汽机进口参数的要求，但需增加受热面1.6×104m2，烟气阻力增加约10 mm水柱。由此可看出，降低TCA出口水温，虽然可以降低高压泵出口压力到14.5 MPa，但是会造成锅炉换热面积的大幅度增加，如不增加锅炉换热面积，那么汽机的出力将受到严重影响，从而影响到联合循环机组的效率。所以此方案经济性不高。

优化方案二：为降低省煤器设计压力，某锅炉厂建议TCA出口水直接进入高压汽包。

图4 某锅炉厂优化方案

由图4可见，TCA出口水与高压省煤器出口水相对独立，分别进入高压汽包。省煤器前阀门将压力降低，可降低省煤器制造成本，取消省煤器后水位控制阀，采用由省煤器前阀门控制高压汽包水位。此系统的弊端在于：（1）TCA水侧出口阀门后管道易产生汽蚀，从而增加了TCA水侧出口流量控制阀FCV-2的易损率，对TCA设备的安全性埋下隐患； （2）高压省煤器前的控制阀不仅起到减压作用，还控制调节汽包水位，控制起来有一定难度； （3）锅炉汽包进水两路，但仅对省煤器那路进行水位控制，而没有对TCA管线进行控制，所以在汽包水位控制时不会那么精准。

优化方案三：变频泵的特性曲线随着负荷（流量）的降低出口压力逐步升高，而随着负荷降低，TCA出口水温也升高，可以根据此特性对高压给水泵进行选型。

以某项目为例，TCA出口水温汇总如表1所示。

表1 不同工况下TCA出口水温度

表1中颜色文字示出了各工况下TCA出口的最高水温，在此基础上增加要求的一定余量，并折算其对应的饱和压力，进而计算出给水泵出口的压力，如表2所示。

表2 不同工况下高压给水泵压力要求

从表2可以看出，TCA系统对给水压力的要求是随着负荷的降低，给水压力升高，在50%负荷达到峰值16.3 MPa，在30%负荷有所降低。现将以满足50%负荷的16.3MPa作为高压给水泵的选型基础，根据泵的特性曲线对其他各负荷的给水压力进行折算，详如表3所示。

表3 不同工况下TCA出口水温余量

经初步核算，该方案可有效降低高压给水系统的功耗。

该方案是目前最为合理的方案，虽然节能效果不如直接增加TCA水量的方案，但是不会影响到锅炉换热面的造价和联合循环机组的出力。

5 结论

由以上分析可以看出，M701F4型燃机所采用的气水换热式TCA冷却器，可以为联合循环机组贡献1.5 MW的出力，同时机组效率提高0.19%，是M701F4燃机在同类产品中出力、效率等性能指标名列前茅的重要技术因素之一。而如果再使用优化方案三，以部分负荷时的压力作为高压给水泵的选型基准，在运行时根据TCA实际出口水温对给水泵进行变频调节，可以降低给水泵运行时的能耗。

[1]焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M].北京:机械工业出版社, 2000

东汽要闻

土耳其机组顺利通过96 h试运行

当地时间7月21日，土耳其依其达斯·比嘎电站2号机―――600 MW超临界燃煤机组 （D600RN2）顺利通过96 h试运行考核，目前各项运行指标良好。据悉，该机组为东汽首次出口土耳其的机组，此次成功投运将为今后公司开拓欧洲市场打下良好基础。由于该机组安装时间较长，给现场安装及调试工作带来了很多不便和挑战。但是在公司领导的关心支持下，在现场安装、服务人员的积极努力和配合下，机组最终冲转成功，并网带满负荷，顺利结束了96 h试运行考核，整个过程汽机运行稳定，各项运行指标良好。

Introduction and Com parison of Optim ization for New Type Air Cooler and Its System of M 701F4 Gas Turbine

Liang Shanshan，Dong Kui，Yang Xiaojun，Tao Jian，Ai Song
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The new type air cooler is particularly important for the performance advantage of M701F4 gas turbine by comparing the old type air cooler with the new one.By analyzing the new type cooler system configuration and comparingmodification suggestions from end users and HRSGmanufacturers,amore feasible optim ization scheme is found.

M701F4 gas turbine,new type air cooler,system configuration,control concept,optimization

TK284

：A

：1674-9987（2014）03-0017-05

梁珊珊 （1977-），女，工学学士，工程师，1998年毕业于西安交通大学热动力工程专业，现主要从事燃机项目BOP设计工作。