M701F4燃气—蒸汽联合循环机组TCA系统优化方案

陈礼清

摘 要：对M701F4机组的TCA典型设计进行优化，达到提高运行可靠性以及运行设备节能的效果。

关键词：优化；节能；TCA系统

1 水冷式TCA系统的简易流程

三菱M701F4燃气-蒸汽联合循环机组，燃气轮机透平转子冷却空气系统（TCA系统）采用水冷式系统。该系统通过管壳式空气冷却器的换热功能，利用余热锅炉高压给水系统的水来冷却燃气轮机压气机出口的空气，吸收了热量的水直接进入高压汽包。由于热量在整个循环过程中基本上没有损耗，因此大大提高了整个联合循环的效率。水冷式TCA系统的简易流程图如图1：

从图1可看出，TCA出口给水进入余热鍋炉高压汽包，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TCA出口水温度高15℃的温度所对应的饱和压力以上。

2 水冷式TCA系统优化方案

根据东方现有执行项目的情况，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。目前，国内电厂为了有效降低机组在启动、停机以及部分负荷时的能耗，通常会考虑将锅炉给水泵配置为变频泵或者液力耦合型式的给水泵。但是，采用水冷式TCA系统后，为了避免TCA水侧出口管道以及后端设备发生汽蚀，在部分负荷时也需要维持较高的给水压力，因此，采用变频给水泵的变频范围缩小，基本无法采用变频设备。为了解决以上问题，结合各项目的需求和想法，现对该系统提出了以下一些优化方案：

2.1 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，压力为14.1MPa。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，约为1万平方米。同时，为了避免由于换热面积增加导致烟气阻力的增加，余热锅炉需要在高度方向上增加。这样设计以后，将使得余热锅炉的成本大大增加，约为250万元。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，功耗降低约150KW。东方需与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都能安全稳定的运行。

2.2 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。根据计算发现，冷却空气温度降低后，会导致燃机的功率和效率下降。机组在部分负荷情况下，采用该方案后机组出力和给水泵耗电情况的初步的计算结果：75%负荷时，给水泵耗电减少300kW，燃机出力下降700kW；50%负荷时，给水泵耗电减少290kW，燃机出力下降650kW。

2.3 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。以下是按照TCA冷却器出口给水压力16.0MPa.，考虑分泵方案，高压主给水泵和TCA给水泵的流量和效率为别为：270t/h，80%和50t/h，65%。采用分泵方案后，TCA给水泵的效率较低，其主要原因是由于其流量小、压力高，无合适的设备选型，需要增加齿轮箱进行增速以满足参数要求所致。另外一方面，分泵方案的节能效果还与主蒸汽压力的高低有很大关系，详细的数据分析见下表1：

从表1可以看出：当高压主蒸汽压力较高时，机组100%负荷运行时，分泵方案中高压给水泵扬程降低所节省的能量小于给水泵效率下降所增加的能耗。高压主蒸汽压力较低时，机组100%负荷运行时，分泵方案中高压给水泵扬程降低所节省的能量大于给水泵效率下降所增加的能耗。

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，大大增加了设备维护的成本和工作量。

2.4 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。采用该方案后，整个系统的控制比较复杂。同时由于TCS对冷却水调节阀的控制和DCS对高压给水泵变频的控制，两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。

3 结束语

综合比较上面四种方案，其中方案1、3节能效果最明显。以上是对M701F4机组TCA系统优化的一些想法，还望各方能多多交流。