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摘要：针对三菱M701F4燃气轮机透平冷却空气（TCA）系统的特点，提出高压给水与TCA冷却水分泵方案，与常用的合泵方案进行比较。分泵与合泵方案，哪个方案更节能，取决于机组的运行方式；对于更具体的投资收益分析，需结合设备投资、运行维护等方面进行比较。
关键词：透平冷却；TCA；联合循环
0、引言
三菱M701F4燃气轮机透平冷却空气（TCA）系统中，冷却燃机转子和透平动叶的空气来自轴流式压气机部分排气。压气机排气经过外置式TCA冷却器冷却后，再送入转子和透平动叶的冷却部位。通常TCA冷却器的冷却介质来自外部高压给水泵的给水，给水吸收透平冷却空气热量后，正常负荷时经与高压省煤器出口给水混合后送往高压汽包，低负荷工况时则送往凝汽器。此种冷却方式，相比较于M701F3的空-空间接冷却方式，提高了联合循环的出力和效率，从而成为了M701F4燃气轮机标准配置方式[1][2]。
1、现有TCA系统水侧特点
图1-1TCA系统水侧示意图
图1-1为现有TCA系统水侧示意图，其与余热锅炉高压给水系统耦合，相互影响，有如下特点：
1）燃机启动阶段，TCA冷却器冷却水需满足两个条件，即入口温度低于60℃和入口流量正常。此时，余热锅炉正处于暖炉阶段，尚未产生高压蒸汽，但为了给TCA冷却器供水，高压给水泵需提前启动，同时TCA冷却水量远小于高压给水泵额定流量，使得启动阶段高压给水泵处于低效率运行区间，增加运行成本。
2）正常运行阶段，TCA冷却器出口回水返回余热锅炉高压汽包入口前管道，该处温度接近高压汽包内蒸汽饱和温度，避免节点温差过大影响余热锅炉产汽量和效率。另一方面，由于TCA冷却器水侧回水温度太高，容易在TCA冷却器出口管道中发生汽化，损坏管道、阀门和设备，威胁TCA冷却器和机组的安全稳定运行。根据东方电气（三菱）的经验，为了避免汽化，在设计上将TCA冷却器出口管道的给水压力，应高于TCA冷却器出口水温度加15℃裕量的温度对应的饱和压力。根据以往工程经验，该压力值一般在16MPa以上，要高于无TCA供水的高压给水泵压力12-14MPa，从而增大了高压给水泵的选型功率和运行功耗。
表1.1某工程TCA冷却水和主蒸汽压力
3）变工况运行时，为保证TCA冷却器供水压力要求，高压给水泵出口压力无法随主蒸汽压力降低而降低，详见表1.1。高压给水泵设置变频器起不到调速节能效果，部分负荷运行经济性很差。同时，高压省煤器出口调节阀需长期对进入高压汽包给水进行节流降压，从而加速阀门老化和损坏。
针对现有TCA水侧系统特点，非常有必要对其进行进一步研究和分析。
2、方案比较与分析
2.1方案比较
从上述对现有TCA水侧系统的分析来看，问题是由TCA系统与高压给水在用水时段和用水压力不一致造成的，因此本节结合具体工程，提出单独设置TCA给水泵和高压给水泵方案，与原高压给水方案进行对比分析。两种方案泵组的配置和技术参数如表2.1所示。
表2.1：高压给水和TCA冷却水合泵和分泵方案
从上表两个方案的对比表可发现：
1）在100%负荷，分泵方案的能耗比合泵方案的能耗大。由于该项目主蒸汽的压力较高，高压给水压力泵压力在满负荷条件下，与TCA系统的冷却水压力要求相当。分泵方案与合泵方案高压给水泵扬程没有明显变化，而流量大幅下降，高压给水泵泵的效率却出现了明显下滑（从81.6%下降到79.73%）。同时，TCA给水泵因为扬程高、流量小，其效率明显低于高压给水泵，该部分水量要明显大于合泵方案的功率消耗。从而在100%负荷下，分泵方案的能耗比合泵方案的大。
2）在75%及其以下负荷，分泵方案的能耗比合泵方案小，且随着负荷的降低，分泵方案的节能效果愈加明显。分泵方案中，高压给水泵和TCA给水泵的效率与合泵方案相比，均出现了不同程度的下降，但在较低负荷时，分泵方案中的高压给水泵扬程得到了大幅降低，其扬程降低而节省的能耗大于分泵效率下降所增加的能耗，且随着负荷的降低，分泵方案中高压给水泵由于扬程的降低所产生的节能效果越明显。因此在较低负荷时，分泵方案比合泵方案更节能。
2.2节能分析
表2.2不同运行方式节能比较
通过上述泵的性能数据可见，分泵与合泵方案哪个更节能，取决于机组的运行方式，是长期高负荷运行还是低负荷运行。对于F级机组，多用于调峰和热电联产运行，负荷率相对较高，一般75%及其以上负荷占总运行时间的90%，75%以下负荷运行小时数占10%。表2.2设计了三种运行负荷分配方式，从表格的运行方式看，随着低负荷运行时间的增加，分泵方案节能的优势将愈加显现，但如果机组经常处于高负荷的运行状态，合泵方案则更加节能，分泵与合泵方案节能的平衡点在88%负荷左右。
3、结论讨论
1）针对某具体工程，分泵与合泵方案哪个方案更节能，取决于机组的运行方式，是长期高负荷运行还是低负荷运行。机组经常处于高负荷的运行状态，合泵方案更加节能，反之，则分泵方案优势更明显。
2）本文是针对13.5MPa高压主蒸汽压力的工程，如果高压主蒸汽压力有所降低，如从现在的13.5MPa降低到11.5MPa，即使在100%负荷，分泵方案中高压给水泵扬程降低所节省的能量也大于给水泵效率下降所增加的能耗，此时无论采取任何运行方式，分泵方案均可节能。反之，主蒸汽压力提高，则无分泵方案必要。
3）本文分析仅从运行方式进行比较，对于更具体的投资收益分析，需结合设备投资、运行维护等方面进行比较。如采用分泵方案，增加水泵设备投资、检修维护工作量及布置空间，但可降低高压省煤器设计压力，减少钢材耗量。
参考文献：
[1]梁珊珊董奎等M701F4燃气轮机新型空气冷却器及其系统介绍和优化方案比较[J].东方汽轮机，2014（3）：17~21.
[2]李梁永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，（1）：44~46.