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1、燃气轮机进气冷却系统研制汤翔 ,姜周曙 ,王剑(杭州电子科技大学制冷与低温工程研究所 ,杭州 310018 )摘要 :燃气轮机的性能受到环境温度的影响 ,高温时其出力随进入燃机的空气温度升高而降低的问题可通过进气 冷却来解决 。提出了一种燃气轮机进气冷却系统的设计方案 ,介绍了一种双工况燃气轮机进气冷却系统以及使用 西门子工控软件 W inCC与 STEP7对监控系统的设计 。运行结果表明 ,该进气冷却系统具有显著的经济效益 。 关键词 :燃气轮机 ;进气冷却 ;监控系统分类号 : TB69文献标识码 : A文章编号 : 100125884 ( 2008 ) 02 20113203D eve
2、lopm en t of In le t A ir Coo li ng System of Ga s Tu rb i neTAN G X i ang , J IAN G Zhou2shu , WAN G J i an( In stitu te of R efrige ra tion and C ryogen ic s, H angzhou D ianzi U n ive rsity, H angzhou 310018 , Ch ina)A b stra c t: The p e rfo rm ance of ga s tu rb ine ha s re la tion w ith the en
3、vironm en ta l temp e ra tu re and in ho t wea the r its ou tp u t is reduced w ith the inc rea se of a ir in le t temp e ra tu re, wh ich can be so lved by m ean s of coo ling the in le t a ir. A n de sign ing m e thod of the ga s tu rb ine in le t a ir coo ling system ha s been p ropo sed, an in l
4、e t a ir coo ling system of the ga s tu rb ine w ith two op e ra ting cond ition s ha s been p re sen ted, and the deve lopm en t of the mon ito ring system , wh ich is de signed by W inCC and STEP7 wa s in troduced. The op e ra tion re su lts show tha t the sa id in le t a ir coo ling system to hav
5、e obviou s econom ic fits.Key word s: ga s turb in e; in le t a ir coo l in g; m on itor in g sy stem性 3 。1. 2 进气冷却系统设计方案采用蒸汽型溴化锂制冷设备制冷 ,制取的冷量降低燃机 进气口温度 。制冷动力来源于余热锅炉尾部排烟余热及废油锅炉产生的蒸汽 。采用螺旋鳍片管式换热器实现余热回 收利用 , 将 160的烟气温度降至 138 。两台余热锅炉螺 旋鳍片管式换热器产生的蒸汽驱动一台单效溴化锂制冷机 制冷 ,废油锅 炉 产 生 的 蒸 汽 驱 动 一 台 双 效 溴 化 锂 制 冷
6、机 制 冷 。燃机进气的冷却采用高效板翅式换热器 。当进气温度高于 15时 , 燃 气 轮 机 按 进 气 冷 却 工 况 运 行 ,低压蒸发器回收余热锅炉尾部烟气的余热产生的蒸汽供给溴冷机制冷 ;当进气温度低于 10 时 ,燃气轮机按投入低 压加热器工况运行 ,低压蒸发器回收余热锅炉尾部烟气的余 热 ,将产生的蒸汽供给低压加热器 ,对送入除氧器的汽轮机给水进行加热 ,其作用相当于在余热锅炉中增加了一个省油0 前言为解决夏季用电高峰期的电力紧张 ,燃气 - 蒸汽联合循环机被广泛投入使用 1 ,以缓解电力短缺 。但是在高温的时 候 ,空气密度下降 ,相应的进气质量流量减少 ,燃机的输出功 率降低
7、 ,给电力调峰带来了影响 。为提高燃机效率 ,有必要 研制燃机进气冷却系统及其监控系统 。浙江金华燃机发电有限公司的 2 台 PG6551 (B ) 燃机加装了进气冷 却 装 置 , 有 效 地 增 加 了 燃 机 出 力 。查 询 结 果 表 明 ,该系统是国内第一套双工况燃机进气冷却系统 。1 系统分析及方案提出1. 1 燃气轮机系统性能分析燃气轮机是一种容积式动力机械 ,影响燃气轮机系统性 能的主要参数有 :环境空气温度 、空气相对湿度 、环境大气压 力 、进出口压力损失以及负荷率 2 。其中 : 当大气温度高于37 时 ,相对湿度才会对燃气轮机的性能产生明显的影响 , 因此在常规条件下
8、可不考虑相对湿度的影响 ; 燃气轮机的进 出口压力损失主要与实际安装条件有关 ; 而环境空气温度升高 ,空气密度下降 ,质量流量减小 ,会导致燃气轮机输出功率降低 ,燃气轮机的相对效率会下降 ,因此可以通过对空气进 行预冷来增加压缩机的进口空气质量流量 ,从而提高燃气轮 机的额 定 发 电 功 率 和 效 率 , 改 善 系 统 运 行 的 性 能 和 经 济 4 器。系统配设一套 DCS监控系统 ,以确保系统安全经济运行 。1. 3 方案设计特点( 1)采用余热回收技术 : 针对金华燃机余热锅炉实际运 行排烟温度偏高的情况 ,在余热锅炉尾部烟道中增加一组换 热器回收烟气余热 ,产生的蒸汽驱动
9、溴化锂制冷机制冷 。( 2)采用高效板翅式换热技术 :针对空气换热特点 ,燃机 进气换热元件采用新型板翅式换热器 ,换热器结构简单 、紧凑 。( 3)强调系统相对独立性 : 进气冷却系统的定位为电厂收稿日期 : 2007 208 201作者简介 : 汤 翔 ( 1982 2) ,男 ,在读硕士 ,研究方向 :检测技术及自动化装置 。114汽轮机技术第 50卷的辅助系统 ,所以设计时着重考虑了系统的相对独立性 ,使其与燃机系统可以方便地联系和脱离 ,对主系统不管什么情 况均无安全性威胁 。热源回水泵组成 。2. 4. 2 单元功能主要功能是实现余热回收 ,提供单效溴化锂制冷机热源 蒸汽以及低压加
10、热器的热源蒸汽 。2. 4. 3 单元工作流程来自余热锅炉尾部的 160 165 烟气进入余热换热 器 ,对进入余热换热器的水 ( 90 ) 加热 , 产生约 110 的饱 和蒸汽 ,出余热换热器后的烟气温度为 138 。饱和蒸汽经过单效溴冷机 (或者低压加热器 )后放热变 成 90 热水 ,经热源回水泵升压通过分水器分别回到两台余 热换热器循环吸热 。余热换热器的补给水来自电厂的锅炉补水系统 。2. 5 废油锅炉单元2. 5. 1 单元组成该单元由一个燃油喷嘴 、一台回水泵以及一个废油锅炉 组成 。2. 5. 2 单元功能主要功能是实现电厂废油的燃烧利用 ,并将其产生的蒸 汽作为双效溴化锂制
11、冷机热源蒸汽 。2. 5. 3 单元工作流程 废油锅炉产生的饱和蒸汽流经双效溴化锂制冷机 ,放热后成为饱和水通过回水泵重又回到废油锅炉形成循环 。补水来自电厂补水系统 。2. 6 汽机凝结水加热单元2. 6. 1 单元组成该单元由两台管式低压加热器 、四台冷凝水泵以及两个 蒸汽切换阀组成 。2. 6. 2 单元功能主要功能是在气温低 、进气冷却不投用时 ,通过低压加 热器回收烟气余热 ,提高锅炉蒸发量 ,增加蒸汽轮机的负荷 , 实现烟气余热的全年全部回收 。2. 6. 3 单元工作流程从余热换热器来的饱和蒸汽 ,经过低加放热变为饱和水 重又回到余热换热器 。从凝泵来的凝结水 ,经过低加吸热后送
12、至除 氧器 ,最后送入汽轮机 。2 进气冷却系统介绍2. 1 系统总体结构系统结构如图 1所示 ,主要包括 5大单元 : ( 1 )制冷单元( 2 )冷却单元( 3 )余热回收单元( 4 )废油锅炉单元( 5 )汽机凝结水加热单元图 12. 2 制冷单元2. 2. 1 单元组成双工况燃气轮机进气冷却系统该单元由一台单效溴化锂制冷机 、一台双效溴化锂制冷机 、四台冷媒水泵 、两台冷却水泵以及两台机力冷却塔组成 。2. 2. 2 单元功能主要功能是为提供燃机进气冷却所需冷量 ,并根据燃机 实际运行情况自动调节 、分配制冷量 。2. 2. 3 单元工作流程两台余热锅炉排烟换热器产生的蒸汽汇合后 ,驱
13、动单效 溴冷机制冷 ,废油锅炉燃烧废油产生的蒸汽驱动双效溴冷机 制冷 ,两台溴冷机产生的冷媒水经冷媒水泵分别打入两台燃 机进气空冷器 。对进气进行冷却后 ,经集水器分水重又回到 两台溴冷机循环 。2. 3 冷却单元2. 3. 1 单元组成该单元由两个板翅式空气冷却器 、两个分水器 、两台冷 凝水泵以及四扇旁通门组成 。2. 3. 2 单元功能主要功能是对燃机进气进行全流量冷却 。2. 3. 3 单元工作流程两台溴冷机的冷媒水汇合后 ,由冷媒水泵打到分水器 ,分别流入两台空冷器 ,经换热后回到制冷机 。 空气被冷却析出的凝结水 ,经回收的冷凝水泵打至机力冷却塔 ,作为循环水补水进入系统 。2.
14、4 烟气余热回收单元2. 4. 1 单元组成该单元由两个余热换热器 、两个锅筒 、一个分水器 、两台3 监控系统设计3. 1 监控系统分析进气冷却监控系统的主要功能包括 : 对进气冷却系统各 设备运行情况的实时监测及控制 ;通过收集系统运行期间的主要参数对系统智能分析 ,向用户提供加装进气冷却系统后所带来的实际效益 。3. 2 监控系统结构设计通过对现场设备控制逻辑关系的分析和归纳 ,确定分散 控制 、集中操作 、分级管理 、分而自治 、综合协调原则 ,将系统划分为三级 :集中操作监控级 、分散过程控制级 、现场设备级(系统结构如图 2所示 ) 。级与级之间由通信网络连接 ,将所 有 PLC采
15、集的现场数据以及 PLC本身的状态数据通过总线 网络集中到总控计算机 ,用总控计算机的组态软件来实现控第 2 期汤翔等 :燃气轮机进气冷却系统研制1153. 4. 1 硬件设计根据 监 控 系 统 总 的 测 控 点 数 选 用 了 CPU314 6CF01 -0AB0 ,该 CPU 带有两个通讯接口 ,支持 M P I、PRO F IBU S等通 讯协议 ,能满足上下位机远程通讯 。根据进气冷却系统测控点的分布 ,设计了 5 个相对独立 的工作站 ,站与 站之间采取串联结构 , 通过 PRO F IBU S总线连接到总控计算机 。3. 4. 2 PLC程序设计 下位机软件的设计采用了结构化编
16、程模式 。在传统的PLC线性编程模式中 ,程序员将所有的程序指令都写在主程 序里完成整个自动化任务 ,而结构化模式编程的核心思想在 于将一个复杂的系统分解为能够反映某种过程的工艺 、功能 或可反复使用的小任务块 ( FC或者 FB ) ,主程序 OB1通过调 用这些块来完成整个系统的自动化任务 。与线性编程相比 ,结构化编程有以下优点 8 : ( 1)程序的可读性更好 、更容易理解 ;( 2)简化了程序的组织 ;( 3)有利于对常用功能进行标准化 ,减少重复劳动 ; ( 4)提高了程序的可维护性 。程序总体结构如图 4所示 。图 2 监控系统总体结构制系统的全局范围的动态监测和现场数据分析处理
17、与存档 。 集中操作监 控 级 采 用 工 控 机 作 为 上 位 机 , 采 用 W inCC6. 0实现系统的 HM I功能 ,采用 SQL SEV ER2000 SP3 作为数 据库实现历史数据存储 ; W inCC 通过 W indo s数据 管理工具 ODBC与数据库通讯 ;通过 CP 5613卡与下位机通讯 5 ,从而 实现对各个工业现场的监控 ,提供全局监控 、提示报警 、报表 生成及打印 、自动生成历史曲线图 、在线数据库查询等功能 。分散过程控制级采用西门子 S7 300 系列 PLC 作为下位机对现场设备进行控制 。根据现场设备的分布 ,将控制级划 分为 5个相对独立的部分
18、 (如图 2所示 ) ,分别由 5 个工作站 来处理所对应部分的数据采集以及控制操作 。监控级与控制级的通讯则采用了线形的拓扑网络结构 , 将每个 PLC都做为一个 D P主站处理数据 、发送指令 6 。由 于厂区较大 ,各设备距离较远 , 通讯协议选 用 PRO F IBU S协议 7 。3. 3 上位机软件开发上位机主要为用户提供一个友好的人机界面 ,保证用户 能方便地监控系统各个设备的运行 ,并把系统所有相关数据 实时提供给用户 。采用西门子 W inCC 6. 0 组态软件完成上 位机软件开发 。软件功能设计如图 3所示 。图 4 下位机程序结构图4 结论介绍了一种双工况燃气轮机进气冷
19、却系统的设计 。该系统高温时利用余热锅炉产生的低压饱和蒸汽驱动单效溴 冷机 ,以及废油锅炉产生的饱和蒸汽驱动双效溴冷机制取冷 冻水 ,通过板翅式换热器冷却燃机进气 ; 在气温较低的情况 下 ,利用余热锅炉产生的低压饱和蒸汽对进入汽轮机的水进 行加热 ,较合理地实现了燃气轮机余热的全年回收利用 。同 时配套的监控系统具备了比较完善的监测 、控制 、分析等功能 ,保证了整个系统安全 、稳定的运行 。目前 ,该系统已经在金华燃机电厂投入使用 ,运行稳定 ,具有较好的经济效益 。(下转第 102页 )图 3 软件功能3. 4 下位机设计下位机以西门子 S7 300系列 PLC为硬件基础 ,以 STEP
20、7为软件开发平台 。主要功能是通过各种传感器从工业现场 采集所需数据 , 输入给现场监控 节点 , 再通 过 PRO F IBU S现 场总线传送给上位 PC机 ,接收到上位机发送的控制命令后 , 根据命令对现场的执行器进行控制操作 。102汽轮机技术第 50卷段则按照通流部分热力计算给出边界条件 7 ,图 2 为启动过程中高压调节级叶轮根部的热应力变化曲线及与有限元结 果的比较 。计算平台每一步的瞬态计算时间为 0. 5 s,完全满 足工程在线监测要求 ,且计算结果与有限元法热应力的计算 结果相当接近 。2. 2 仿真试验就以上选取 的 计 算 对 象 , 在 自 主 开 发 的 在 线 计
21、 算 平 台 IMM S ( In tegra ted Modu la r Mode ling Softwa re ) 上 , 取 转 子 初 温 为 30,采用上述计算模型按照冷态启动工况进行转子热应 力的仿真计算 ,图 1 为其冷态启动曲线 ,表 2 给出了在启动 过程中调节级叶轮根部不同阶段的汽温汽压变化 。其余轴表 2高压调节级根部光轴汽温汽压变化第一阶段第二阶段第三阶段参数单位汽温 , 汽压 , M Pa汽温 , 汽压 , M Pa汽温 , 汽压 , M Pa初终 时值值 刻220292. 4421012. 12180292. 44435. 973402. 126. 4288435.
22、 97435. 9734011. 9411. 94420m in温升率压升率 /m inkPa /m in0. 3456. 221. 10439. 6300算模型 。( 2)采用基于 Ga le rk in 法的二维转子热应力 计算模型 ,计算速度快 ,完全满足工程在线监测要求 。( 3)经验证 ,该模型计算精度高 。( 4)本文模型不仅可以应用于汽轮机转子热应力的在线 监测 ,同时对机组相对胀差的同步监测 , 以及对于其它具有 类似边界条件的轴对称体的热状态分析 ,如燃气轮机及发电 机转子等 ,通用性较强 。图 1 机组冷态启动曲线及调节级汽温汽压变化曲线参 考 文 献 1 支小牧 ,寇可新
23、 ,曹向秋. 汽轮机转子热应力在线监测 、寿命管理及优化启停的研究 J . 动力工程 , 2001 , 20 ( 1 ) : 543 - 547. 倪维斗 ,黄以腾 ,汤云柯 ,等. 汽轮机转子优化运行的热应力在 线实时监控系统 J . 动力工程 , 1997 , 17 ( 2 ) : 1 - 6.张保衡. 大容量火电机组寿命管理与调峰运行 M . 北京 : 水利水电出版社 , 1988.张恒良 ,谢诞梅 ,熊杨恒 ,孙昆峰 ,等. 600M Pa汽轮机转子高精 度热应力在线监测模型研制 J . 中国电机工程学报 , 2006 , 26 ( 1 ) : 21 - 25.张 光 ,张保衡. 监测
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25、 - 35.西门子公司. W inCC应用手册 R . 北京 :西门子 (中国 ) 有限 公司 , 2000.阳宪惠. 现场总线技术及其应用 M . 北京 : 清华大学 出版 社 , 1999.崔 坚 ,李 佳. 西门子工业网络通信指南 M . 北京 : 机械 工业出版社. 2005. 50 - 122.西门子公司. S IMA T IC S7 - 300 程序控制硬件与安装 R . 北 京 :西门子 (中国 )有限公司 , 2000.参 考 文 献 5 1 焦树建. 燃气 - 蒸汽联合循环 M . 北京 : 机械工业出版社 ,2000.姜周曙 ,胡亚才 ,缪盛华. 燃气 - 蒸汽联合循环进气冷却系统 技术经济分析 J . 热力发电 , 2007 ( 2 ) : 5 - 8.姜周曙 ,胡亚才 ,屠传经 ,等. 应用溴化锂吸收式制冷技术提高燃气轮机电站发电效率的研究 J . 动力工程 , 1999 , 19 ( 4 ) :300 - 304. 6 2 7 3 8