塔河油田索拉燃气轮机发电机组进气蒸发冷却自动系统的设计

【摘 要】本论文介绍了新疆塔河油田夏季环境温度高影响索拉燃气轮机发电机组出力的问题，通过设计一套燃气轮机进气蒸发冷却自动系统解决该问题。本套燃气轮机进气蒸发冷却自动系统的设计有几个特点：1、利用锅炉尾气的热量生产蒸馏水，实现了变废为宝；2、选用蒸馏水作为冷却蒸发介质，对机组部件的腐蚀很小；3、改造已有的滑油风冷系统对冷却水介质进一步降温；4、利用PLC控制系统实现了燃气轮机进气蒸发冷却系统运转的自动化。

【关键词】燃气轮机；水帘；除水板；PLC控制系统

引言

塔河油田地处塔克拉玛干沙漠北缘，该地区夏季温度高，湿度低，最高环境温度可达40℃。环境温度高影响了塔河油田发电一厂的3台索拉燃气轮机发电机组TITAN130的出力。通常环境温度每升高1℃，机组的出力将下降0.5%-0.9%，效率下降0.2%-0.3%。从近几年机组的实际运行数据看，夏季机组出力最高只能达9300kw，冬季机组出力最高可达11000kw。降低机组进口空气温度，能有效的提升机组的出力，本文根据塔河油田发电一厂的实际情况，设计一套适合本单位的燃气轮机进气蒸发冷却系统。

1 环境温度与机组出力和效率的关系

索拉燃气轮机发电机组TITAN130是单轴恒转速机组，其出力和效率与空气进气温度密切相关，具体如下：

（1）环境温度升高，入口空气密度降低，流过燃气轮机的质量流量减少，引起燃气轮机出力下降。

（2）环境温度升高，压气机压比变小，压气机的耗功增加。

（3）环境温度升高，压气机排气温度升高，在最大给定的燃气初温下，可加给燃气的热量减少。

综上分析，环境温度降低能提高机组出力。

2 燃气轮机进气冷却方式简介

燃气轮机进气冷却的方法有两大类：一是间接接触式，它通过在燃气轮机进气道装设冷却器来吸收空气的热量；一是蒸发为特征的直接接触式，冷却介质有水、液化空气和甲醇，一般为水。直接接触冷却方式又有水膜蒸发和喷雾蒸发两种。

间接接触冷却优点是可获得较低的冷却度，缺点是设备复杂、投资大、维护费用高和进气阻力大。直接接触冷却的优点有：设备简单、投资少、维护费用低。

因此，本文设计的燃气轮机进气蒸发冷却系统采用水膜蒸发的直接接触冷却系统。

3 塔河油田索拉燃气轮机进气蒸发冷却自动系统设计

3.1进气蒸发冷却系统主要构成部件

索拉燃气轮机进气蒸发冷却自动系统设计为水膜蒸发式直接接触冷却，主要由湿帘、喷水头、除水板、水箱、循环泵、风冷系统和蒸馏水产生装置构成。（见图1）

3.2 进气蒸发冷却自动系统主要工作流程

索拉燃气轮机进气蒸发冷却自动系统的工作流程分冷却水循环流程和蒸馏水生产和补充流程，其过程由PLC控制系统实现自动控制。

冷却水循环流程为：环境温度高到设定值后，启动循环泵3和油风冷电机，循环泵3将冷却水箱的水经风冷系统冷却后送至喷水头，喷水头将水均匀地洒在湿帘表面，由于重力作用，冷却水从上而下如水帘洒下，与流经过滤器的空气进行热湿交换。未蒸发的水流回水箱，重新循环。部分水因吸收空气的显热气化蒸发后变成水蒸气，流向除水板，其中的小水滴和部分水雾在除水板上凝结成水滴，并在重力作用下流回水箱，重新循环。

蒸馏水生产和补充流程为：冷却水箱的水液位到低限后，启动补水泵2从蒸馏水存储罐给冷却水箱补水，补水到液位高限后，停止补水泵2。蒸馏水存储罐的水液位到低限，同时蒸馏水罐的液位也到低限，启动进水泵1给蒸馏水罐补水，补水到蒸馏水罐液位高限或者蒸馏水存储罐液位高限后，停止进水泵1。

图1 索拉燃气轮机进气蒸发冷却系统结构图

3.3 进气蒸发冷却系统的PLC自动控制系统设计

3.3.1 进气蒸发冷却系统的PLC自动控制系统的I/O地址表

PLC输入输出地址表

输入I 输出O

元件代号 输入继电器 元件代号 输出继电器

蒸馏水罐液位低限开关SQ0 X0 进水泵1 Y0

蒸馏水罐液位高限开关SQ1 X1 补水泵2 Y1

蒸馏水存储罐液位低限开关SQ2 X2 循环泵3 Y2

蒸馏水存储罐液位高限开关SQ3 X3 风冷电机继电器KM Y3

冷却水罐液位低限开关SQ4 X4

冷却水罐液位高限开关SQ5 X5

进气空气温度低限开关SQ6 X6

进气空气温度高限开关SQ7 X7

系统投入退出选择开关 X8

3.3.2 进气蒸发冷却系统的PLC自动控制系统接线图

3.3.3 进气蒸发冷却系统的PLC自动控制系统梯形图

4 索拉燃气轮机进气蒸发冷却自动系统部件设计选用

4.1 湿帘规格尺寸设计选用

湿帘选用应考虑减少湿帘后飞水的可能性，根据索拉机组空气管道的迎面风速确定湿帘的高度和宽度。湿帘的厚度与湿帘的蒸发冷却效率成正比，与空气的阻力成反比，根据湿帘厂家提供的蒸发冷却效率曲线，选择湿帘的厚度，满足蒸发冷却效率和空气阻力。

4.2 冷却水介质的选用

新疆塔河油田的自来水为盐碱水，经供水站处理后到用户的水质化验报告为：PH值：7.8（偏碱性）；硬度：48mg/L；氯化物：115 mg/L；硫酸盐：122 mg/L。

从水质化验报告可以看出：

（1）如果用塔河油田的自来水作冷却介质，由于水质偏碱性，会腐蚀机组部件，影响机组寿命。

（2）对于蒸发冷却系统而言，由于水的不断蒸发，溶于水的矿物质会析出并沉积在湿帘、除水板表面形成水垢，影响湿帘的蒸发效率和使用寿命，另外增加了空气阻力，反而影响机组出力；如果矿物质沉积到机组部件上，会腐蚀机组部件，影响机组出力。

因此，不能用自来水作为冷却介质，必须对自来水进行软化脱盐等处理。本单位有一套对自来水的除氧和软化处理系统，但处理后的水PH值偏碱性，干燥后仍然有大量的盐碱结晶。为了将冷却介质对机组腐蚀降到最低，本文选择用蒸馏水作为冷却介质。

4.3 除水板的设计选用

除水板的作用是防止因湿帘损坏产生飞水，空气带水会造成压气机叶片表面受水侵蚀。除水板设计的除水效率在实际风速下对100?m及其以上应达99.9%，所增加的空气阻力小于80Pa。一般选用百叶式结构的除水板。

5 全年预期效益分析

5.1 经济效益分析

环境温度每降低1℃，单台索拉机组的出力增加65-117kw。新疆塔河油田全年8760小时，温度在30℃的小时数约为4000。以环境温度降低5℃，索拉机组增加出力500kw算，单台机组1年可以多发200万kwh的电量，以塔河油田外购电价为1度电0.5元算，3台索拉机组1年带来的经济效益为300万元。

5.2 环境效益分析

进气空气湿度的增加，可以较大幅度地降低NOX的排放。

6 结论

本套索拉燃气轮机的进口空气冷却系统简单经济，易于改造，便于维护，能有效的实现节能减排，提高天然气热值的利用率，同时还能降低NOX的排放。

参考文献：

[1]Klaus Brun Rainer Kurz .《燃气轮机理论入门基本概念综述》.

[2]涂恩霁，李卓，高南兴.燃气轮机进气喷雾冷却的理论和实践[J].燃气轮机发电技术，2010（10）.

作者简介：

姓名：蒲军，年龄：32岁，学历：大学本科，职称：工程师，工作单位：中石化西北油田分公司。