M701F4型燃气发电机组TCA系统的优化

徐忆恩

（华电江苏能源有限公司，南京 210019）

经验交流

M701F4型燃气发电机组TCA系统的优化

徐忆恩

（华电江苏能源有限公司，南京 210019）

东方三菱F3及F4重型燃气轮机机组特有的TCA系统，将冷却透平叶片后产生的热量加以利用，提高了整个联合循环的效率。通过对比空气冷却式TCA与水冷式TCA的优缺点，着重分析了水冷式TCA的系统配置情况。根据东方三菱的典型系统配置，水冷式TCA系统对高压给水泵的压头要求较高，使得机组运行的电耗增加。为了在确保机组联合循环效率的同时尽可能地降低电耗，对比了几个优化方案，最终得出较优的方案。

TCA；水冷式；能耗对比；效率

1 燃气发电机组的现状

2003年以来，重型燃气发电机组作为国内传统燃煤机组的重要补充，在环境保护、节能降耗、电网调峰等方面起到了不可替代的作用。

第一批F级重型燃气机组主要是GE公司的9FA、三菱公司的M701F3和SIEMENS公司的V94.3。近几年，随着燃气机组技术的不断发展和引进，东方电气引进的三菱M701F4机型占据了国内F级燃气机组较大的市场份额。

2 TCA系统介绍

2.1 TCA系统定义

TCA系统即透平冷却空气系统。燃机在正常运行时，透平转子和暴露在高温燃气下的透平叶片必须经过透平冷却空气进行冷却。冷却空气由压气机抽气口抽出，通过TCA冷却器冷却后送至透平转子和叶片前。TCA系统是三菱机组的特色技术。

2.2 水冷式TCA冷却器要求

水冷式TCA冷却器对给水系统和透平冷却空气供应温度有如下要求：

（1）TCA冷却器出口温度：燃机启动阶段（从燃机启动至全速空负荷）的透平冷却空气温度应低于100℃，因此TCA冷却器进口给水温度需维持在60℃以下。

（2）TCA冷却器出口温度：达到全速空负荷后，该温度值在试运行阶段将作调整。若空气温度低于90℃，因为空气露点的原因，将有水产生并出现积水。

（3）TCA出口给水温度：TCA出口给水温度应始终至少低于TCA出口给水压力所对应的饱和温度15℃。

（4）TCA冷却器给水流量：燃机运行状态（燃机负荷、环境温度等）将影响TCA冷却器进口空气流量和温度。需要确定TCA冷却器的给水流量，使其出口空气温度维持在某个特定值以下。

水冷式TCA系统如图1所示。

图1 水冷式TCA系统

2.3 水冷式TCA系统的缺点

TCA出口给水进入余热锅炉高压汽包，因此TCA出口的温度需接近高压汽包内蒸汽饱和温度。另外，由于TCA水侧出口水温高，容易在TCA出口管道中发生汽化，损坏管道和阀门，威胁TCA设备安全和机组的安全稳定运行。为了避免汽化，需将TCA水侧出口管道的给水压力稳定在比TCA出口水温度高15℃的温度所对应的饱和压力以上。

根据东方电气（三菱）的经验，为了保证管道和设备在机组的各种运行工况下都不发生汽化，通常需将高压给水泵的出口压力稳定在16.5 MPa左右。比正常高压给水压力12.5～14 MPa高了不少，从而增大了给水泵的功耗。

因此TCA系统优化非常有必要。

3 TCA系统优化方案

为了解决以上问题，对该系统提出以下优化方案。

（1）方案一：改变TCA换热器的设计，保证TCA气侧出口的设计温度不变，仅降低TCA水侧出口的设计温度（暂按降低10℃计算）。

降低TCA出口给水温度后，防止TCA内给水汽化的最小给水压力也随之下降。但是采用该方案后，余热锅炉高压汽包的接近点温差也会随之增加。为了保证余热锅炉的产汽量不发生变化，需要增加其换热面积。同时，为了避免换热面积增加导致的烟气阻力增加，余热锅炉需要增加高度。但这样设计以后，会造成余热锅炉的成本大大增加。

另外，采用该方案后，TCA的冷却面积会发生明显变化，高压给水流量也会增加。需要TCA冷却器的制造商进行相应的技术配合，对各种工况进行核算，以便确认采用上述方案后TCA冷却器是否能够在各种工况下均安全稳定运行。

（2）方案二：TCA冷却器的设计不变，仅增加冷却水流量。

采用这种方案，机组运行时，TCA冷却器的冷却水流量增加，确实可以降低TCA冷却器的出口水温，使得给水泵的压力降低。但同时也会降低TCA冷却器出口的空气温度。燃机转子冷却空气的温度对转子间隙等运行参数起着至关重要的作用。冷却空气温度降低后，会导致燃机的功率和效率下降。

（3）方案三：单独设置TCA给水泵。

采用分泵方案后，给水泵系统的整体效率会有所下降，其主要原因是由于其流量小、压力高，很难选到合适的设备。单独配置TCA给水泵后还需要为其配套相应的管道、阀门等一系列设备，不仅会使投资成本和占地面积增加，同时会使得TCA系统的控制等方面变得更加复杂，增加了设备维护的成本和工作量。

（4）方案四：低负荷下用TCA温度闭环控制TCA冷却水量。

该方案利用实际的TCA出口水温作为输入信号去计算水侧饱和压力，根据计算所得对给水泵的频率进行相应地调节。

由于TCS对冷却水调节阀的控制和DCS（分散控制系统）对高压给水泵变频的控制，2个控制信号会对冷却水量调节产生相互影响，导致TCA气侧出口温度无法稳定，从而影响整个机组的安全可靠运行。

对上述4种方案进行比较得出以下结论：方案一安全运行受到余热锅炉、TCA冷却器的多方面制约，可靠性不强，且余热锅炉成本将增加；方案二导致整个机组效率降低，得不偿失；方案三增加一定的投资，但对系统影响较小；方案四：控制非常困难，运行可靠性差。因此推荐采用方案三。

传统工程测绘极易受到地形条件及障碍物的影响，造成测绘数据出现误差，无法满足后期施工要求。但GPS测绘技术主要采用接受及分析卫星信号的方式实现测量，不必受到天气、温度等影响，只要满足观测条件，就可实现全天候的连续观测，大大提升了工程测量工作效率。

4 TCA给水泵改造方案

4.1 单独设置TCA给水泵方案

原始方案：TCA冷却水来自高压给水泵出口，即TCA供水与高压给水泵合并设置。

来自凝结水泵（以下简称凝泵）的凝结水通过低压省煤器加热进入低压汽包进行除氧，除氧后的给水通过高压给水泵分别供至高压省煤器和TCA冷却器，以满足高压锅炉给水和TCA冷却水的要求，经过高压省煤器加热的高压给水与经过TCA冷却器加热后的TCA冷却水合并后进入高压汽包。

改造方案：TCA冷却水单独设置给水泵，TCA给水泵的水来自低压汽包。

来自凝泵的凝结水通过低压省煤器加热进入低压汽包进行除氧，除氧后的给水各自通过高压给水泵和TCA给水泵进入高压省煤器和TCA冷却器，以满足高压锅炉给水和TCA冷却水的要求，经过高压省煤器加热的高压给水与经过TCA冷却器加热后的TCA冷却水各自单独进入高压汽包 ，系统结构如图2所示。

4.2 方案对比

（1）水泵设备的组成：原始方案为高压给水泵含TCA供水+变频电机，改造方案为高压给水泵+变频电机及TCA给水泵+齿轮箱+工频电机。

（3）节能效果：原始方案中，高压给水泵需要同时满足高压系统给水和TCA供水的要求，水压比较高且比较固定，因此在运行时能耗较高。而改造方案的高压给水泵及TCA给水泵分开设置，给水泵变频调节，TCA给水泵为定速泵，运行压力用调节阀调节即可，节能效果较好。能耗对比详见表1。

图2 改造方案系统结构

（4）设备维护、检修成本及占地：原始方案的设备数量少，维护、检修成本较低，占地面积小。改造方案则设备数量多，维护、检修成本较高，泵区占地面积较大。

（5）系统设备配置：原始方案中每台锅炉配置2套高压给水泵系统，相对简单；改造方案中每台锅炉需配置2套高压给水泵系统+2套TCA给水泵系统，比较复杂。

（6）给水泵的转速：原始方案为2 742～2 980 r/min；改造方案为2 147～2 980 r/min。

（7）调试、运行的情况：原始方案的系统设备少，调试简单。由于TCA供水压力要求较高且远高于锅炉给水的压力要求，特别是在机组部分负荷时影响锅炉给水泵使用变频的节能效果。而改造方案的系统复杂、调试复杂。高压给水泵及TCA给水泵完全分开设置，高压给水泵可根据锅炉负荷变化进行变频调节，达到节能目的，TCA给水泵定速运行。

（8）对锅炉成本影响：原始方案的TCA和高压给水泵合在一起，因此锅炉设计压力较高，增加锅炉高压省煤器成本。在改造方案中高压给水泵的压力下降约3 MPa，锅炉的高压省煤器设计压力降低，锅炉成本相对节省。

绘制功耗对比曲线如图3所示。从图3可以看出，将TCA给水泵从高压给水泵分离出来后，在75%，50%和30%等部分负荷工况下的节能效果十分明显，但在机组基本负荷工况下的节能效果一般。

4.3 改造后的经济效益

将TCA供水与高压给水泵分离出来后，以机组年运行3 500 h、电价0.575 4元/kWh计算，机组在1年运行时间约可节约的费用计算如下：

表1 2种方案的能耗对比

图3 能耗对比曲线

（1）100%负荷工况下单台泵组：

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

（2）75%负荷工况下单台泵组：

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

（3）50%负荷工况下单台泵组：

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

（4）30%负荷工况下单台泵组：

（1 186-765）×3 500 h×0.575 4=847 852元。

5 结论

通过以上各项的对比，分别从设备成本、节能运行及运行的可靠性来看，可得出以下结论：

（1）从水泵及电机设备投资成本来看，原始方案最省，改造方案会增加投资。

（2）从节能运行来看，改造方案将TCA供水从高压给水泵分离出来后，机组在部分负荷运行时节能效果明显，机组在基本负荷条件下运行时，节能效果一般。

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（本文编辑：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

徐忆恩（1976），男，工程师，从事发电企业基建工程管理工作。