三菱M701F4型燃机透平冷却空气系统TCA回水阀快开功能的实现
浅析M701F燃机冷却空气系统运行优化
浅析M701F燃机冷却空气系统运行优化摘要伴随国民经济与社会经济的快速增长，我国的科学技术也呈现出不断增长的趋势，其中M701F型燃机设备也在逐步发生变化，而它的冷却空气系统设计与运行状况一直深受广大技术人员的关注，在综合运用联合循环理论知识、运行经验以及运行历史数据的基础之上，展开了对燃机冷却空气系统运行的优化调整与升级，为了更好地提高机组的运行效率，推动节能降耗。
关键词燃机冷却；系统；优化针对燃机冷却空气的运行优化，以下就是从两个部分展开的探讨。
最初，是对转子冷却空气运行方式展开优化；再次，主要是针对燃机停机后通入冷却吹扫空气质量和通入冷却空气时间长短展开合理的优化。
1 转子冷却空气优化1.1 TCA冷却器控制的优化燃气轮机冷却系统的主要作用就是给燃气轮机热通道部件比如像静叶片、叶片持环、叶顶叶根、排气框架等部件提供冷却空气的，它的一方面是为了将热通道部件和高温烟气进行合理的隔离，其另外一方面则是为了将热通道部件吸收的热量带走或者是降低部件的温度，因而使得燃气轮机冷却系统可以为燃气轮机提供安全可靠的运行，因为燃气轮机的安全平稳是最基本、最关键的前提条件之一。
冷却系统包含透明静叶冷却系统与转子冷却空气系统。
其中热通道部件中的部分设备冷却不是通过冷却空气系统提供的冷却空气进行的冷却，而是通过其自身的设备构造进行的，它运用压差让空气可以在热通道的内部与表面流动展开冷却。
当然对燃气轮机冷却空气系统的优化实质上就是对TCA冷却器冷却水方面的优化。
燃气轮机的TCA在机组开始时，通过高压省煤器给水引出一部分用于TCA 的冷却，在机组整个运转过程中高中压给水泵都保持额定压力的运转的状态。
高负荷除外，尤其是在低温环境状况下，燃气轮机转子冷却空气温度都要远远低于235摄氏度的控制值。
在TCA冷却器的位置处，大量热量没有经过运用就直接排入空气中，存在极为浪费的现象。
因而，在确保燃气轮机转子冷却温度满足规定前提条件下，就可以通过调节高中压给水泵控制逻辑调节勺管来调节给泵压力，并将TCA回凝汽器侧调节阀、TCA回高压汽包侧调节阀的控制逻辑改为由机组负荷与转子冷却空气温度、TCA流量三者修正条件来决定的，就可以适当的提高转子冷却空气温度的控制值，为此来有效减少TCA冷却器位置的热量损失，以便更好地提升机组的运转效率[1]。
三菱M701F4型燃机透平冷却空气系统TCA回水阀快开功能的实现
三菱M701F4型燃机透平冷却空气系统TCA回水阀快开功能的实现【摘要】本文介绍三菱F701F4型452MW燃气轮机透平冷却空气系统冷却介质控制系统在控制失效的情况下如何达到工艺流程的要求。
论述了原系统存在问题并提出了改造方案，设计并实现了气源控制系统。
改造后的系统运行情况良好，满足三菱F701F4型燃机的工艺要求的目标。
【关键词】燃气轮机；气源；气动执行器；透平；流量[Abstract] This article describes how to achieve the requirements of the process the Mitsubishi F701F4-452MW gas turbine turbine cooling air system cooling medium control system in the case of control failure. Discusses the problems of the original system and rehabilitation programs，the gas source control system is designed and implemented. After transformation，the system is running well，the target to meet the Mitsubishi F701F4 combustion process requirements.[Keyword] Gas turbine；Gas source；Pneumatic actuators；Turbine；Flow一、概述浙江大唐国际绍兴江滨热电有限公司建设规模为两套400MW等级、“F”系列高效单轴联合循环热电联产机组。
配置有两台M701F4燃气轮机。
每台燃气轮机与一台蒸汽轮机和一台发电机同轴联接。
用于支持燃气轮机运行的辅助设备包括：进气系统，排气系统，润滑油系统，控制油系统，压气机抽气和透平冷却空气系统，消防系统，燃气控制系统和燃气轮机控制系统。
M701F4型燃气发电机组TCA系统的优化
64浙江电力ZHEJIANG ELECTRIC POWER2017 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 rsX 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 Corporation (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；efficiency1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。
三菱M701F4燃机透平冷却系统优化方案的探究
三菱M701F4燃机透平冷却系统优化方案的探究摘要：三菱M701F4在机组增大改型中对燃气轮机透平冷却空气系统进行了改进，在对燃机透平冷却系统布置方案进行优化后，节省了设备投资，在燃机项目建设中具有较为普遍的推广价值。
关键词：燃气轮机透平冷却节能优化方案引言日本三菱重工是国内燃气轮机的供货商之一，三菱公司M701F4型燃气轮机是当今世界容量最大、效率最高的机型之一，东方电气是三菱燃机设备的国内技术合作方。
M701F4型燃气-蒸汽联合循环机组的配置型式为：一台燃汽轮机，一台蒸汽轮机，一台发电机，一台余热锅炉，机组频率为50Hz，机组性能保证条件下出力为452.07MW。
燃机燃烧室的高温燃气为1400℃，燃机透平静叶及叶片暴露在高温燃气中，为保证燃机透平的正常工作和使用寿命，必须保证燃机透平冷却系统的可靠运行。
M701F4燃气透平为4级，采用空气冷却。
冷却空气取自压气机抽气口，经燃机空气冷却器（TCA）冷却后送至燃机对透平叶片和静叶等部件进行冷却。
冷却空气系统执行着燃气轮机可靠运行必需的基本的功能，其功能在于引导冷却空气进入热通道构件，冷却回路包括动叶片冷却回路和静叶片冷却回路。
动叶片冷却空气是由从燃气轮机燃烧器外壳抽出的压气机出口空气。
1 M701F4型透平冷却系统的优化三菱M701F4型机组中，对燃机空气冷却系统进行了改进，采用余热锅炉给水对压气机来的空气进行冷却后送至透平对静叶和叶片进行冷却，能够达到更好的冷却效果。
系统采用TCA换热器，利用余热锅炉高压给水对透平冷却空气进行冷却，冷却后空气温度能够由330℃左右的高温冷却到要求的230℃，冷却效果得到了改善，系统的可靠性得到了提高。
压气机出口的高温空气在得到冷却的同时，加热了余热锅炉高压给水，回收了大量的热能，提高了联合循环机组运行的经济性。
1.1 原透平冷却系统的设置图1为三菱重工燃机透平冷却器TCA的冷却水系统图。
如图所示，由高压给水泵来的给水分成两个支路，一路去高压省煤器在余热锅炉受热面中进行换热，一路去TCA冷却器，对燃机透平冷却空气冷却后，给水温度上升后分成两路，一路经调节阀汇入高压省煤器出口管道后经汽包水位调节阀排入高压汽包，在正常运行中投入使用；一路经凝汽器调节阀排入凝汽器，在机组启停机中投入使用。
三菱M701F4重型燃机TCA供水系统技改可行性分析
37一、前言燃气轮机静叶、动叶的冷却技术一直以来都被各大生产商对外进行技术封锁。
而各大燃机生产厂商的冷却方式又有各自的技术特点，三菱燃机转子冷却空气不是由压气机排气直接引入到转子冷却通道进行冷却的，而是将压气机排气通过管道引出，之后经过转子冷却空气冷却器（TCA）进行冷却，再送至转子冷却通道对转子及叶片进行冷却，此种方案优点就是可以弥补转子冷却通道设计及金属材料本身的不足。
转子冷却空气是有高压给水泵出口的炉水进行冷却的，正常运行时高压给水泵同时为TCA和高压汽包供水，当高压汽包调门大幅打开时，便会导致TCA流量低跳闸，某燃机电厂在投产初期，因TCA流量低导致跳闸的，一个月内遍发生了10次之多，对机组的稳定运行造成了很大威胁，同时对电厂的经济效益产生了较大影响。
二、转子冷却器（TCA）工作流程及阀门配置三、流量控制设定1.TCA回水至凝汽器调整门的流量控制设定值（1）满转速前TCA回水至凝汽器调整门的流量控制设定值SV(CON)=M-D352_FX02+ M-D352_FX03×M-D352_FX04×M-D352_FX05其中：SV(CON)：TCA回水至凝汽器调整门的流量控制设定值M-D352_FX01为M-D352逻辑图中#1函数，此函数为分段线性函数，其表达式为Y=F(X)，X：燃机发电机输出功率。
M-D352_FX02为M-D352逻辑图中#2函数，此函数为分段线性函数，其表达式为Y=F(X)，X：燃机空气冷却器给水温度。
M-D352_FX03为M-D352逻辑图中#3函数，此函数为分段线性函数，其表达式为Y=F(X)，X：压气机进气温度。
M-D352_FX04为M-D352逻辑图中#4函数，此函数为分段线性函数，其表达式为Y=F(X)，X：燃机发电机输出功率与燃机发电机输出功率（延时30）之差。
M-D352_FX05为M-D352逻辑图中#5函数，此函数为分段线性函数，其表达式为Y=F(X)，X：燃机发电机输出功率。
三菱M701F4燃机TCA控制原理解析及防故障跳机措施
三菱M701F4燃机TCA控制原理解析及防故障跳机措施摘要：主要介绍三菱M701F4机组TCA控制系统基本原理及主要控制构成；通过对TCA系统的逻辑控制理论进行研究，并针对在系统运行中的常见的事故原因进行分析，进而提出了相应的处理措施，有效地保障机组安全运行。
关键字：三菱M701F4；TCA系统，TCA跳机事故前言三菱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。
因此针对三菱M701F4联合循环机组TCA系统运行分析显得尤为重要。
1、TCA系统简介TCA系统是由高压给泵出口来的水冷却压气机排气，被冷却过的排气作为转子冷却空气通入转子，冷却水回水有两路，一路回凝汽器，一路去高压汽包。
作用：为燃机透平转子及叶片提供适宜温度足够流量的转子冷却空气。
2、TCA控制系统2.1控制系统组成（如图1）图1 TCA控制系统组成TCA控制系统主要由TCA温度控制器、TCA温度控制阀、TCA流量控制器、TCA流量控制阀、温度变送器、流量变送器等组成。
2.2控制原理TCA冷却空气的气源取自压气机排气，满负荷运行时温度有440℃以上。
而转子冷却空气的设定值为230℃，因此必须提供一定量的冷却水，冷却水量的需求与冷却水温度有关。
满足冷却水需求则是通过两个回水阀调节：回水至高压汽包调阀控制冷却空气温度；回水至凝汽器调阀监视和控制回水流量。
2.2.1 TCA冷却器回水至高压汽包调阀控制系统（如图2）图2 TCA冷却器回水至高压汽包调阀控制框图TCA回水至高压汽包流量控制阀是一个前馈反馈控制系统。
其被控量是TCA 出口空气温度，前馈信号是燃机功率。
燃机输出功率经过放大后的前馈信号经给水温度和压力修正，TCA出口温度和温度设定值230通过计算在经过PID输出，两个输出信号求和来控制TCA出口温度，控制中PID输出仅作为微调，前馈信号为主要控制信号。
M701F4燃气轮机TCA系统冷却水流量异常分析
M701F4燃气轮机TCA系统冷却水流量异常分析【摘要】透平冷却空气( TCA) 系统是三菱 M701F4 燃气轮机所采用的冷却系统，以实现对汽轮机转子高温部件的冷却处理。
在TCA系统冷却运行过程中，存在冷却水流量减少的状况，就会诱发TCA 冷却器出却空气气温的升高，进而对转子高温部件的冷却处理造成了影响，严重威胁到了高温部件的正常工作运行。
基于此，本文以实际案例作为分析依据，对 M701F4 燃气轮机 TCA 冷却器水流量异常现象进行探究分析，着力找出诱发 TCA 系统冷却水流量异常的真正原因，及时给予相应的技术措施处理，以供参考。
【关键词】M701F4 燃机；TCA 系统; 冷却水; 流量异常; 措施处理所谓燃气轮机透平就是燃气轮机中把高温高压燃气的能量转变为机械功的部件，在燃气轮机运作过程中，燃气轮机透平进口温度会出现不断升高的现象，此时，必须要给予及时的冷却降温处理，因此，采用有效的冷却措施十分必要。
三菱M701F4燃气轮机就采用了透平冷却空气(TCA)系统来实现对转子高温部件的冷却处理，燃气轮机运行过程中，从压气机出口腔室引一路高温、高压空气，然后经TCA冷却器冷却降温，冷却处理后，再经过滤后通过特定通道送到燃气轮机转子内部，冷却燃汽轮机透平转子和叶片等部件，并设有转子冷却空气温度高机组快速减负荷及停机保护。
1、M701燃气轮机TCA系统冷却水流量控制分析1.1余热锅炉侧冷却水流量控制分析M701F 燃气轮机机组在正常运行过程中，TCA 冷却器冷却水经 TCA回余热锅炉侧( 炉侧) 冷却水流量调阀至余热锅炉高压省煤器出口。
TCA 回余热锅炉侧冷却水流量调阀流量设定需经 TCA 冷却水回余热锅炉侧调阀 FCV－2 前后差压、TCA 出口冷却水温度对应的密度运算控制，见图1 ，控制指令 CV 计算公式为:CV=()×S×0.366（1）S=（2）其中，列式中：（1）W表示：所对应的燃机负荷函数对应的 TCA 冷却水流量设定值，并需经压气机入口空气温度修正;（2）S表示： TCA 回余热锅炉侧冷却水流量调阀前后压差修正;（3）ΔP表示：TCA 回余热锅炉侧冷却水流量调阀FCV－2 前后压差;（4）D 表示：TCA 出口冷却水温度对应的密度。
三菱M701F4燃机启机过程中TCA流量低原因分析
能够 有助 于 矿产 的 回收利 用 。本 文 从笔 者 的工作 实 践 出发 ，对 也 对金 属矿 山 的地下 开采 产 生 了非 常 大 的影 响 。以前 都 用崩 落
充 填 采矿 法及 充填 技术 的应 用 与改进 进 行探讨 。
１ 水冷 式冷 却 空气 冷却器 （下称 ＴＣＡ）系统简 介 三菱 Ｍ７０１Ｆ４燃机透平转子冷却空气来 自压气机出 口的空 气经 ＴＣＡ冷却 、过滤器 过 滤后 通过 四根挠 性 软管 传送 到 冷却 通
一 回
道 。ＴＣＡ水侧 采用 高 压给 水泵 出 口的 给水 作 为冷 源 ，经 过 ＴＣＡ
“ＴＣＡ流 量低 ”报 警 的原 因进行 分析 ，提 出相应 的 处理措 施 。
～ 关键 词 ：Ｍ７０１Ｆ４燃机 ；ＴＣＡ 系统 ；ＴＣＡ凝 汽 器侧 流 量控 制 阀 ；ＴＣＡ锅 炉侧 流量控 制 阀
中图分 类号 ：ＴＭ６２１
文献 标识 码 ：Ａ
文章 编号 ：２０９６—４３９０（ ２０１８）２２—００３５—０２
动 关闭 。
在一 次启 动燃 机 时 ，并 网后 升 负荷 至 １２０ＭＷ 过 程 中 ＴＣＳ控
制 系统 报 ＴＣＡ流 量低 报 警 ，运 行人 员立 即手动 干 预 ＴＣＡ凝 汽
器 侧流量 控制 阀 ，提 高 ＴＣＡ流 量 ，待燃 机 负荷稳 定 ，重 新将 ＴＣＡ
凝汽器侧流量控制阀投 自动 ，查取历史曲线发现 ＴＣＡ流量最低
文章 编号 ：２０９６—４３９０（２０１８）２２—００３６—０２
１ 概 述
填 采矿 法 的 比重 已经 达 到 了百 分 之 四 十之 上 ，如 若再 加 上 空场
所谓充填法指的是对地下由于采矿而形成的采空区，使用 嗣 后 的充填 ，那 么 ，使用 充 填采 矿法 的 比重则 已经 占到 了百分 之
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【关键词】燃气轮机；气源；气动执行器；透平；流量
一、概述
燃气轮机透平冷却空气系统执行两个基本功能：第一个功能是给暴露在烟气通道，温度高于工作金属的温度极限的部件提供直接冷却。
第二个功能是给透平环境控制提供服务。
为确保整个透平维持设计的环境，系统在不同临界点提供正确压力和温度的冷却空气，通过使冷却空气向烟气通道正流动，高温烟气将会从壳体支撑结构和透平动叶盘中排出。
冷却转子和透平动叶的空气来自轴流式压气机排气，压气机排气经过水冷式冷却器tca冷却并过滤后来冷却转子。
直接冷却发生在每一级动叶枞树形根部。
这种冷却方式向暴露在燃气通道高温的动叶和透平转子轮盘间提供热障，因此透平冷却空气系统的冷却效果直接影响着燃气轮机透平的安全运行。
透平冷却空气冷却器tca的冷却水来自冷却水泵的高压给水，回水经过两个气动调节阀导入高压汽包和凝汽器（见右系统图a）。
两个疏水阀的动作如下：tca回水导高压汽包的流量控制阀参与高压汽包的水位联锁，当高压汽包水位高于设定水位时，tca回水导高压汽包的流量控制阀关闭，导向凝汽器的流量控制阀打开；当高压汽包水位低于设定值时，两个流量控制阀动作相反。
二、存在问题
根据三菱m701f4型燃机透平生产工艺流程看，透平冷却空气系统tca的空气冷却效果直接影响到燃气透平热通道的安全，因此透平冷却空气系统tca的冷却介质必须时时畅通、流量充足才能保证给转子提供合格的冷却空气，保证燃机的安全运行，杜绝设备损坏，提高设备的有效运行小时数（eoh），延长机组运行周期，降低机组的检修费用。
因此要求tca的两个回水调节阀在失效的情况下（断电、断气、断控制信号的情况即为失效）必须快速打开。
了解现场实际：tca回水阀至高压汽包的调节阀的执行器为气关式，满足工艺流程，即在失去气源、电磁阀电源断开、控制信号失去等时靠执行器弹簧的力量阀门能够打开；而tca回水至凝汽器的调节阀的执行器为活塞式，虽然带有电磁阀，靠控制逻辑可以实现快速打开，但是在断控制信号（模拟量）、断气源、控制电磁阀失电等时阀门无法快速打开，违背了f701f4型燃机透平冷却的工艺流程，执行器实物见下图，原理图见下面附图b。
三、解决方案
针对f701f4型燃机透平冷却器tca回水导凝汽器的回水阀执行器的实际情况，要想实现工艺流程要求的实现断气源、断控制信号、断电等的快速打开，需要对气源控制回路进行改造：
1、使用带有断信号保护（断信号输出最大）的定位器解决断控制信号4～20ma阀门快速全开。
2、增加一个储气罐（0.5立方米左右），保证在外部压缩空气中断时此储气罐接替工作，为阀门因断气后的快速开启提供动力源。
3、执行器的气源控制回路增加两个三通控制阀，使之与新增的储气罐配合实现断气源后阀门的快速开启功能。
改造后的原理图见下附图c，工作过程如下：
正常时压缩空气气源压力满足，把气源加到三通压力控制阀的控制部分，三通控制阀的u-s导通，使电气转换器输出的两路调节信号加到执行器的上下腔室，执行器接受调节信号进行正常调节；当出现事故，系统气源消失，三通控制阀将复位到图中所示的位置，排掉三通控制阀的控制信号，三通控制阀复位，u-s断开，u-e导通，上面的三通控制阀的u-e导通排掉执行器上腔室内的压缩空气，下面的三通控制阀的u-e导通使储气罐中的压力直接加到执行器的下腔室中，执行器会快速打开。
（注：因储气罐的入口装有逆止阀，因此在外部供汽
断开时，储气罐中的压缩空气是不会卸掉的，因此能够保证执行器快速开启。
）
四、效果
按照上图的原理对整个气源控制回路进行了改造，改造后模拟了三种工况对tca回水至凝汽器的回水阀进行了测试：
1、中断供气气源，因三通控制阀的控制信号排掉，三通控制阀复位到上图中所示的位置，u-s断开，u-e导通。
上面的三通控制阀的u-e导通排掉执行器上腔室内的压缩空气，下面的三通控制阀的u-e导通使储气罐中的压力直接加到执行器的下腔室中，执行器在2s内快速打开。
2、断开控制信号4～20ma，阀门能够在2s内快速打开。
3、断开电磁阀电源，阀门能够在2s内快速打开。
经过气源控制回路的改造，透平冷却空气冷却器tca的冷却水回水至凝汽器的回水调节阀能够实现在断气源、断电磁阀电源、断控制信号等情况下阀门在近短的时间内快速关闭（两秒内），满足了三菱f701f4燃机生产工艺流程的要求。
另外在选择西门子带有断信号保护的定位器的同时，考虑到系统运行中的振动可能引起执行器上采用硬连接固定的定位器等气源管路的断裂导致回水调节阀故障等因素，本次改造采用了西门子的分体定位器，使整个气源控制回路和执行器分开安装在独立的控制箱内，控制回路与执行器连接只需一颗两芯电缆和两个金属软管连接，这样在满足断控制信号阀门能够快速打开的同时又解决了因系统振动导致的阀门控制气源管路断裂导致的阀门故障的隐患。
五、效益分析
按照一年杜绝一次因tca冷却系统故障考虑：
减少一次非停，节省一次启动费用：按照启动一次耗气量2万方计算2万方×2.41元/方=4.82万元；
一次满负荷跳闸热部件寿命的削减将比正常停机快10倍，降低机组有效利用200小时左右。
按照与三菱广州jv公司长协服务合同价格计算（长协价格：一个大修周期48000小时为4.8亿元rmb），避免一次满负荷跳闸可以节省200万元/次。