燃气-蒸汽联合循环机组中燃气轮机空气冷却器的应用

燃气-蒸汽联合循环机组中燃气轮机空气冷却器的应用

段岩统

大唐国际绍兴江滨热电有限责任公司  浙江省绍兴市312000

摘要：气体-蒸气联合循环（CCPP）在我国的冶金、天然气发电系统中得到了广泛应用，因此，改善进气温度是最有效的方法。目前世界上最先进的三菱M701型H型涡轮，其涡轮进气温度可达到1600摄氏度。燃气涡轮式空气冷却器（TCA）是这一技术的核心设备，它对改善燃气轮机的效率和使用寿命起着至关重要的作用。封闭式蒸汽冷却技术因其对蒸气纯度要求高、冷却系统结构复杂、叶片热应力大等限制，目前仅在少数型号上使用。目前，对燃气涡轮进行制冷的主要方法是开放式的，它在各种低热值气体和大部分的天然气设备中得到了广泛的使用。开式空气制冷的基本原理是，在各个冷却管道的阻力下，根据最终参数的压力，在压气机中选取不同的抽气点进行抽气，以压缩空气为冷却介质，将其输送到透平的各个部分，并采用内外冲击冷却或外表面气膜冷却等方式，对处于高温气体环境中的动静叶片、转子等零件进行冷却。尽管开式空气冷却方案结构简单，结构简单，但是，随着透平初温的增大，压缩机排出的冷却空气量逐渐增大，不但使作功减少，还使冷风与主流气体的混合使涡轮效率降低，从而降低了系统的整体效率。为了进一步提高发电量和发电量，可以将抽出的压缩空气经外置式TCA与外冷却介质进行换热，再送入透平机的对应部分。同时，这些高温气体所携带的剩余热量可以通过冷却介质回收，如来自凝结水、锅炉给水、除盐水或燃油气体等，以改善CCPP的整体经济性，减少发电标准煤耗。

关键字：燃气-蒸汽联合循环：燃气轮机空气冷却器：国产化研发：应用验证

1TCA冷却器应用情况及研究现状

1.1国内CCPP机组透平冷却技术的应用情况

利用CCPP技术生产出的天然气，既可以降低能耗，又可以增加企业的自发性发电量。目前，国内许多炼钢厂都已经投产使用了低热值煤气，并获得了较好的经济效益和环保效益。我国一些低热值燃气涡轮和涡轮冷却的现状[1]。

CCPP机组是在我国东部和沿海地区建设的，它具有基本的负荷和调峰功能。目前，国内燃气涡轮机的装机容量在整个电网中只占4%，预计到2030年将会达到10%。国产主要燃气涡轮和涡轮的制冷状况。

1.2TCA的研究现状

M251S汽轮机采用封闭式脱盐水作为冷却介质，采用板式和冷却塔的循环水进行换热，从而达到维持海水温度的目的。目前我国大部分的燃气涡轮机组均采用这种方式，这种方式不仅造成了高温高压空气中的热量损失，而且还增加了工业循环水系统的附加负载。而工业循环水是电厂的冷端，其加热过程中产生的温度变化会对设备的真空产生较大的影响，从而对设备的经济性产生一定的影响。三菱公司在M701S（DA）涡轮冷却系统[2]上做了一定的改进，利用TCA式涡轮冷却装置对一汽汽轮机冷凝水进行加热，并将其送入脱氧机，从而达到改善热效率的目的。M701F4燃气轮机TCA冷端介质是空气，通过风扇对冷端的热空气进行冷却，然后对冷端的空气进行加热，然后对燃气进行预热。在循环时，压缩机出口的热能被间接地传输到燃气中，从而提高了燃气透平的效率。M70IF4型燃气透平TCA的冷端介质是高压给水，高压给水经过循环后直接换热，再进入高压汽包进行汽水循环，以达到回收热源的目的。

从TCA技术参数的变化可知，TCA是一种管壳式的水冷式换热器，它将壳面上的高温空气所带来的热量通过换热器输送到管道中。由于冷端和冷端的温度差很大，为了减少热应力，在TCA中常采用 U形管。随着燃气涡轮机组等级的逐步提升，其设计温度和设计压力也随之增大[3]，制冷机体积也随之增大。针对M701F4燃型汽轮机，其热端设计温度已达500℃，传热面积达1330m²，采用了双壳程结构，以避免其在高温下的蠕变和降低热应力。为节省成本，全部TCA都是进口的碳钢。此外，为防止TCA冷侧管中的相位变化，为技术和设备的安全着想，M701F4燃型汽轮机的TCA冷端设计压力可达24.7 MPa。

2TCA的国产化开发与应用

2.1TCA关键设计技术

合肥通公司是国内压力容器和换热器行业的总代理，承担了一家火力发电涡轮涡轮冷却系统的优化工程，同时还承担了两个涡轮增压器的研制和生产。该厂使用的是我国最早的M251S型高炉煤气，但由于机组使用了十多年，能源利用率较低，TCA长时间处于设计状态，透平冷却效果不理想[4]，造成了机组降负荷运行。这两个新的TCA是合肥通用机械研究所设计的，它和原来的TCA串联在一起。其制冷介质是燃气锅炉汽轮机的冷凝水，总体上是U形管，但与原有的TCA相比，有许多改进，并作了比较。主要改善措施有：使TCA的设计温度、压力均有所增加。由于当地的气候、压气机的工作环境等因素，压缩机工作特性的偏差往往会使抽出的涡轮冷却空气过热。设计温度从385℃上升至450℃，设计压力从1.23 MPa上升至2 MPa，其冷端与热端的设计参数基本一致：全部为316L不锈钢。高炉煤气机组的涡轮冷却空气不如天然气机组清洁，对碳钢设备会造成很大的腐蚀，采用不锈钢材质可以增加设备的抗腐蚀性能，延长冷却器的使用寿命。

2.2测试结果与分析

2020年12月上旬，TCA制冷系统已投入使用，2021年四月末，TCA制冷系统投入使用。自投入使用以来，该两个系统运行稳定，冷却装置的传热效果显著，燃气透平机运转正常，各项性能指标符合设计要求。这种涡轮冷却和TCA在我国钢铁企业中的应用是第一次。经过计算[5]，该系统的节能效果是非常明显的。两个TCA系统在不同工作状态下的热回收，并对其进行了换热计算。一台制冷机的最大热能可回收2 MW以上，最高传热系数大于290W/㎡·K：另外一台制冷机的最大热回收量也在1兆瓦以上，总热系数大于180 W/㎡·K。两个冷却器的冷却介质均为汽轮机的冷凝水，供水量有一定的变化，一个冷却器的耗水量比较少，因此可以获得更低的热。

结束语

综上所述，本文对我国钢铁、天然气等行业中冷却器的应用与研究状况进行了总结，并以某电站M251S型涡轮冷却系统为例，研制出了两套TCA，并取得了较好的应用效果。结果表明，目前国内的燃气涡轮机基本上都是采用涡轮式全空气冷却技术，而三菱机组在我国的CCPP和低压燃气电厂中使用最多，总计约100台。TCA是三菱汽车的标准配置，国内TCA技术有很大的发展空间。

参考文献

[1]马泉，钱小军，司风琪，等.燃气一蒸汽联合循环机组热电负荷特性分析[J].热能动力工程，2019,34(2)：14-22

[2]李粱水，王波.透平冷却空气冷却系统及其对燃气轮机联合循环的影响分析[J].发电技术，2016,37(1)：44-46.

[3]张广源.冷却空气系统对燃气轮机热力性能的影响[D].上海：上海发电设各成套设计研究院，2014.

[4]宋嘉梁,宋澜波,耿永丰,陈永东.燃气-蒸汽联合循环机组中燃气轮机空冷却器的应用[J/OL].热能动力工程,2022(07):43-48[2022-07-20].

[5]宋嘉梁,宋澜波,耿永丰,陈永东.燃气-蒸汽联合循环机组中燃气轮机空气冷却器的应用[J/OL].热能动力工程,2022(07):43-48[2022-07-21].