M701F4型燃气发电机组TCA系统的优化

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浙江电力
ZHEJIANG ELECTRIC POWER
2017 年
第36卷第4期
DOI: 10.19585/j.zjdl.201704016 文章编号院1007-1881(2017)04-0064-04中图分类号：TK264.1 文献标志码：B 经验交流
M701F4型燃气发电机组T C A系统的优化
徐忆恩
(华电江苏能源有限公司，南京210019)
摘要：东方三菱F3及F4重型燃气轮机机组特有的T C A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T C A与水冷式T C A的优缺点，着重分析了水冷式T C A的系统配置情况。

根据东方三菱的典型系统配置，水冷式T C A系统对高压给水栗的压头要求较高，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。

关键词：TCA;水冷式；能耗对比；效率
O p tim iza tio n o f T C A System o f M701F4 G a s T u rb in e G en erato rs
X U Y ie n
(HuadianJiangsu Energy Co.，Ltd.，N an jing210019，China)
A b s tr a c t:TCA system of F3 and F4 heavy-duty gas turbine generators designed by Dongfang Electric Corpo­
ration (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.
K e y w o rd s:TCA；water-cooled；energy consumption comparison；efficiency
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G E公司的9F A、三菱公司的M701F3和S I E M E N S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 T C A系统介绍
2.1 T C A系统定义
T C A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T C A冷却器冷却后送
至透平转子和叶片前。

T C A系统是三菱机组的特
色技术。

2.2水冷式T C A冷却器要求
水冷式T C A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) T C A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益，因此T C A冷却器进口给水温度需维持
在60益以下。

(2) T C A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
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度低于90益袁因为空气露点的原因，将有水产生
并出现积水。

(3) TCA 出口给水温度院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益。

(4) TCA 冷却器给水流量：燃机运行状态(燃 机负荷、环境温度等冤将影响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。

-T
至凝汽器
图1水冷式T C A 系统
2.3水冷式T C A 系统的缺点
TCA 出口给水进入余热锅炉高压汽包，因此 TC A 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益的温度所对应的 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16.5MPa 左右。

比正常高压给水压力12.5〜14MPa 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
T C A
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冤方案一：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益计算)。

降低TCA 出口给水温度后，防止TC A 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冤方案二：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冤方案三：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TC A 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
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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。

4
T C A
给水泵改造方案
4.1单独设置T C A 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。

(2) 水泵设备的成本：原始方案成本较低，而 改造方案相对原始方案约增加30%设备成本。

(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
凝泵
图2
改造方案系统结构
对比详见表1。

(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3MPa ，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T C A 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
，
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表12种方案的能耗对比
方案水泵配置名称100%负荷75%负荷50%负荷30%负荷
出口流量/(t_h-1)240217176113
入口压力/M Pa0.670.570.550.56
改造方案高压给水泵出口压力/M Pa1411.59.48.2 (变频调速）效率/%79.3679.2977.9069.90转速/(r_m in-1) 2 770 2 499 2 2191998
电机功耗/kW1293964644407
出口流量/(t_h-1)63352222
入口压力/M Pa0.670.570.550.56 TC A给水泵
(定速）
出口压力/M Pa17.1118.3618.7418.75
效率/%62.7148.7636.5536.63
转速/(r_m in-1) 3 600 3 600 3 600 3 600
电机功耗/kW535417360359
给水泵电机功耗总计/kW182813801004765
出口流量/(t_h-1)303252198131
入口压力/M Pa0.670.570.550.56
原始方案高压给水泵出口压力/M Pa16.516.516.516.5 (变频调速）效率/%81.4078.0471.6158.07转速/(窑m in-1) 2 867 2 810 2 761 2 716
电机功耗/kW1887166114231186
注：电机功耗已考虑各负荷下电机效率；单独TCA给水泵电机功耗已经考虑增速齿轮箱效率(95%);单独TCA给水泵30%工况时的流量(18 t/h)低于允许的最小连续流量，需调整到22t/h。

图3能耗对比曲线
机组在1年运行时间约可节约的费用计算如下：渊1冤100%负荷工况下单台泵组院
(1 887-1 828)x3 500 hx0.575 4=118 820 元。

(2) 75%负荷工况下单台泵组：
(1 661-1 380)x3 500 hx0.575 4=563 892 元。

(3) 50%负荷工况下单台泵组：
(1 423-1 004)x3 500 hx0.575 4=845 838 元。

(4) 30%负荷工况下单台泵组：
(1 186-765)x3 500 hx0.575 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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收稿曰期：2016—09—11
作者简介：徐忆恩（1976)，男，工程师，从事发电企业基建 工程管理工作。

(本文编辑：徐晗
）。