进气蒸发冷却系统在Siemens SGT-800燃气透平上的应用

马福军

(中海石油伊拉克有限公司，北京 100028)

1 项目背景

西门子公司生产的SGT-800是50 MW级工业型燃气轮机，20世纪90年代问世于瑞典，目前销往世界各地超过370台，等效运行时间超过700万h，总体运行可靠性达到99.8%。西门子公司多年来不断对这一机型进行升级，根据客户需要和使用环境，西门子公司现在可提供从43～62.5 MW的SGT-800机型。

SGT-800采用简单可靠的单轴设计，配有双轴承转子，以实现高可靠性和便捷性的维护；采用15级高效压气机，前三级采用可变导叶以实现最佳性能，适用于高温气候环境的选项方案；采用坚固可靠的干式低排放燃料系统，避免了分级燃烧的复杂性，出色的燃料适应性可以燃烧含有高含量惰性气体、氢气和重烃物资的燃料，而不会对维修产生任何影响；独特的燃烧室和燃烧器设计，实现世界领先的排放性能。该机型采用极为高效的三级透平设计，高效的冷却系统和隔热热障涂层可以确保其实现最佳的性能和使用寿命。透平末级叶片采用联锁式防护罩，确保叶片运行稳定、可靠。SGT-800工业型燃气轮机将可靠的设计、卓越的运行效率和优秀的排放性能融于一体，这一型号的燃气轮机在燃料适用性、运行条件、维护理念、成套方案和额定功率上具有良好的灵活性，可以满足不同的市场需求。

米桑油田群位于伊拉克东南部米桑省，属于热带沙漠气候，全年5—10月干旱少雨，气候炎热，最高温度可达50℃以上。因战乱等因素影响，伊拉克国家电网质量非常差且不稳定，电压频率忽高忽低且经常关停，特别是夏季炎热季节，电力缺口较大，故米桑油田群建有自己的自备电厂，现有2台Siemens SGT-800机组，利用油田开采的伴生天然气发电，负责整个油田区域生产生活所需的电力供应。

2SiemensSGT-800进气蒸发冷却系统

燃气轮机的工作原理为：压气机将从大气中吸收的空气压缩，压缩后的空气进入燃烧室，与喷入的燃料气混合后燃烧，产生的高温燃气随后进入燃气涡轮中膨胀做功，推动涡轮叶轮和压缩机叶轮一起旋转，此过程中热能转化为机械能，可用于驱动发电机组发电等。经多方面理论及实际应用分析，影响燃气轮机出力的主要因素是压气机吸收的大气温度和燃烧时的燃烧初温，提高燃烧初温对当前透平叶片、叶轮材料及叶片冷却技术都有很高的要求，除非叶轮叶片耐温材料及冷却技术有重大突破，否则，目前靠提高燃气初温来提高机组出力的可能性比较小。另一个办法就是降低燃机进气空气温度，按照Siemens实验数据，当SGT-800机组进气温度为25℃时，最高出力可达45 MW，40℃时为37 MW，50℃为29 MW，55℃为26 MW，燃气透平出力随着进气温度升高而下降明显，改善燃气透平出力，实施进气冷却是最快捷有效的措施。

伊拉克夏季高温少雨，7、8月份天气尤其炎热，气温一般保持在40℃以上，最高可达55℃，对燃气轮机出力的影响特别大。考虑到这种因素，米桑油田自备电厂选配机组时，特意增加了进气冷却系统。Siemens目前推荐的有2种进气冷却系统：①进气入口安装制冷机，通过布置在入口的大量内部装有冷媒的散热片冷却进气。该技术缺点是投资大，设备复杂。②蒸发冷却系统，通过在压气机入口喷射雾化水，当空气通过时，利用水在空气中蒸发时需要吸热来降低空气温度。比较而言，费用低、效率高，特别适用于米桑油田夏季空气温度高、湿度小的气候，故米桑油田SGT-800选配的是该冷却系统。

图1为SGT-800蒸发冷却系统示意图。当同时满足以下4个条件时，蒸发冷却系统可以启用：①SGT-800在带载运行中。②环境温度大于12℃。③水箱液位正常。④水箱内水的电导率低于950 μs/cm。系统启动后，水泵启动，由纤维素介质材料组成的布水器(见图2)被加湿，进入的空气通过布水器与水充分接触，被加湿且通过水的蒸发降温而冷却，未蒸发的水通过回水管路回到储水箱循环利用。在此过程中，当水箱中的水低至低水位值时，供水阀打开给水箱补水至高水位后停止；当电导率高于750 μs/cm时，排水阀打开排水，直至电导率恢复正常值500 μs/cm后，排水阀关闭。

图1 SGT-800进气蒸发冷却系统示意图

图2 布水器

3 进气蒸发冷却系统投用效果

按照西门子公司提供的技术资料，机组出力基本性能如图3所示。从图3可以看出，当环境温度高于35℃时，投用蒸发冷却系统后，机组出力将会得到显著提升。图4显示的是2018年7月SGT-800未投入蒸发冷却系统运行参数图，图5显示的是2019年5月SGT-800投入蒸发冷却系统运行参数图。

图3 SGT-800机组出力与机组入口空气温度的关系

图4 SGT-800未投用蒸发冷却系统运行参数图 图5 SGT-800投用蒸发冷却系统运行参数图

从图4可以看出，大气温度53.2℃时，未投用进气蒸发冷却系统，压气机入口温度50.6℃，此时机组带载至24.21 MW已接近极限。

从图5可以看出，大气温度48.2℃时，投用进气蒸发冷却系统后，压气机入口温度降至23.7℃，此时机组带载高达40.12 MW并有预留空间。

本文收集了2018年夏季未投用蒸发冷却系统及2019年、2020年夏季投用蒸发冷却系统后的机组数据进行比较(见表1～3)。

表1 2018年8月21日至30日机组运行数据(进气蒸发冷却系统未投用)

表2 2019年7月21日至30日机组运行数据(进气蒸发冷却系统投用)

表3 2020年6月1日至10日机组运行数据(进气蒸发冷却系统投用)

2018年未投用进气蒸发冷却系统时，压气机入口温度和环境气温差不多，受环境温度影响，机组在高温气候下，带载能力受到较大影响。在投用蒸发冷却系统后，夏季炎热季节，压气机入口温度可降低20℃，机组带载能力增加30%以上。

4 进气蒸发冷却系统常见运行故障及稳定性

在进气蒸发冷却系统投用初期，系统运行极其不稳定，经常出现电导率高关停，多方查找原因，发现主要是由Siemens原配的隔离放大器耐温差，在高温天气下易引起故障。隔离放大器电路图如图6所示。

图6 隔离放大器电路图

经研究分析，从市场上购买中国产直流信号隔离变送器进行替换，替换后，该系统运行两年多以来，除因供水水质问题导致系统出现2次关停外，其他一直运行稳定。根据气温环境变化、机组运行参数及油田负荷情况，一般每年从5月初开始投用该系统，11月初停运。进气蒸发冷却系统维护保养简单易行，该系统运行期间，每天注意观察水箱液位、电导率情况，运行期间不需要特别的保养维护；系统投运前和停运后，做好储水箱的清洁及布水器的冲洗清洁，布水器可以运行多年，不需要频繁更换。

5 结语

米桑油田自备电厂西门子SGT-800透平机组进气蒸发冷却系统投用两年多的实践证明，进气蒸发冷却系统具有如下优点：①在中东炎热干燥气温高达50℃的环境下，投用进气蒸发冷却系统后，机组出力可大幅度提高，由26 MW左右提高到38 MW左右。②进气蒸发冷却系统运行稳定可靠，故障率低。③进气蒸发冷却系统日常维护量少且简单易行。从该系统进气蒸发冷却系统投用后，具有很好的经济效益及价值。