高效低碳燃气轮机试验装置项目试验平台初步设计-高效新型循环试验台

2019年9月9日21:27:14高效低碳燃气轮机试验装置项目试验平台初步设计-高效新型循环试验台已关闭评论 55 views

(一)采购标的需实现的功能或者目标,以及为落实政府采购政策需满足的要求

1.1 试验台功能

高效新型循环试验台用于开展以空气为工质的燃气轮机新型循环试验。既能为用户开展高效新型循环系统特性研究提供试验条件,同时也能为用户研究关键单元的性能及其对循环特性的影响提供试验条件。

基于该循环试验台可以研究的热力循环包括:燃气轮机回热循环、注水回热循环、注蒸汽回热循环、湿空气透平循环、部分湿化燃气轮机循环等。针对上述循环,本试验台能够开展试验研究包括:

  • 燃气轮机循环启停特性试验研究
  • 燃气轮机循环动态特性试验研究
  • 燃气轮机循环受环境温度影响特性试验研究
  • 燃气轮机循环部分负荷特性试验研究
  • 燃气轮机循环的控制策略试验研究
  • 燃气轮机循环的热电比调节特性试验研究

基于该循环试验台可以研究关键单元技术的特性及其对循环性能的影响:

  • 压气机新型进气冷却技术试验研究
  • 湿压缩试验研究
  • 湿空气燃烧试验研究
  • 压缩空气冷却试验研究
  • 压缩空气的新型加热加湿过程试验研究
  • 新型回热器试验研究
  • 排气水回收利用试验研究

1.2 试验台基本流程与参数

循环试验台基本流程简图

本项目高效新型循环试验台基本流程如图所示。该试验台包括压气机、燃烧室、透平、压气机进气冷却及湿压缩、回热器、后冷器、空气湿化器、蒸发器、省煤器、燃料加热加湿(图中未示出)、烟气水回收等部件和系统。不同部件和系统之间以不同的方式连接时,可构成不同的循环。

环境空气经过进气冷却以后,在进入压缩机之前通过进口喷雾,如果进口喷雾形成过喷,则空气进入压气机中的压缩过程为湿压缩过程,空气在被压缩的过程中,同时被水雾的蒸发冷却,降低压气机的耗功,同时降低压气机出口温度。空气经过压气机加压后,温度压力升高。从压气机排出的空气进入后冷器冷却,降低空气温度,空气释放的热量用于产生热水。经后冷器降温以后空气进入空气湿化器。在湿化器中,空气与从湿化器顶部喷入的热水直接逆流接触,热水与空气间传热传质,空气被加热加湿后从顶部排出,热水降温以后从底部排出。从压气机排出的空气,可以全部或者部分进入后冷器、湿化器,不经过后冷器、湿化器的空气可以直接进入回热器,也可以通过直接喷雾的方式对空气进行加湿。经过加湿以后的空气进入回热器,空气在进入回热器之前,可以与蒸发器产生的蒸汽混合。在回热器中,空气与透平排气换热升温,被加热后送往燃气轮机燃烧室。在燃烧室中,燃料与(湿)空气反应生成高温燃气,高温燃气进入透平膨胀做功,降压以后从透平排出,透平排出的高温烟气进入回热器,在回热器中与压缩空气换热以后,透平排气降温,降温以后的气体进入蒸发器,加热水产生蒸汽,然后再进一步进入省煤器中加热水,烟气进一步降温。进一步降温以后的烟气进入烟囱,其中一部分可以分流进入排气水回收装置,供用户开展排气水回收试验。

基于该试验台流程,可构成简单循环、回热循环、注水回热循环、注蒸汽回热循环、湿空气透平循环、部分空气湿化循环等。各循环既可以发电,也可以同时对外输出蒸汽或者热水,构成热电联供系统。

本项目循环试验台的空气流量按约50kg/s,压气机压比按7-15考虑。

当基于某10MW级燃气轮机构建本项目循环试验台时,几种典型的循环流程如下:

a)湿空气透平循环

湿空气透平循环

湿空气透平循环总体参数表

名称 数值
压气机进口流量,kg/s 50
燃料(天然气)消耗量,Nm3/hr 3895
燃料热负荷,MWth 37.5
循环净输出功率,MW 13.5
循环排气温度,℃ 70
循环排气流量,kg/s 52.6
补水量,t/hr 27

 

 

b)注水回热循环

注水回热燃气轮机循环流程图

注水回热燃气轮机循环总体参数如表所示。

注水回热燃气轮机循环总体参数

名称 数值
压气机进口流量,kg/s 48.8
燃料(天然气)消耗量,Nm3/hr 3907
燃料热负荷,MWth 37.6
循环净输出功率,MW 13.5
循环排气温度,℃ 122.5
循环排气流量,kg/s 53.5
补水量,t/hr 23

 

c)回热循环热电联供

燃气轮机回热循环热电联供流程如图所示。

回热循环热电联供流程图

回热循环热电联供总体参数如表所示。

回热循环热电联供总体参数

名称 数值
压气机进口流量,kg/s 50.3
燃料(天然气)消耗量,Nm3/hr 3069
燃料热负荷,MWth 29.5
循环净输出功率,MW 10.3
蒸汽产量,t/hr 15.76
循环排气温度,℃ 136
循环排气流量,kg/s 51
补水量,t/hr 15.8

d)注蒸汽回热循环

注蒸汽回热循环流程如图所示。

注蒸汽回热循环总体参数表

名称 数值
压气机进口流量,kg/s 48.5
燃料(天然气)消耗量,Nm3/hr 3680
燃料热负荷,MWth 35.4
循环净输出功率,MW 13.9
循环排气温度,℃ 132.6
循环排气流量,kg/s 54.7
补水量,t/hr 19.6

 

1.3 试验台主要构成部分

本项目高效新型循环试验台的建设内容主要包括:压气机-燃烧室-透平系统、压气机进气系统、压气机进口空气冷却/喷雾系统、压气机出口放气/排气系统、燃料系统、负载与耗功系统、空气/烟气冷却热回收系统、空气加热加湿系统、燃料加热加湿系统、排气水回收系统、电气系统、冷却水系统、润滑及冷却系统、测试及测控系统等。

(1)、压气机-燃烧室-透平

压气机-燃烧室-透平系统的流量规模50kg/s,本项目压气机-燃烧室-透平基于10MW等级燃气轮机。燃料热负荷不低于25MW。

(2)、压气机进气系统

进气系统的主要功能是通过过滤、除水等措施为燃气轮机提供清洁的空气,以保证燃机正常运行。通过一级或多级过滤器,防止空气中的灰尘颗粒对叶片产生磨损以及防止微粒堵塞透平叶片冷却空气孔而使叶片表面局部过热。在进气道中布置消声板,可以有效的降低压气机进口管道的噪声。在进气系统中布置热气源,防止在外界温度较低的工况下,进入系统的空气出现结冰而影响过滤效率或影响压气机工作特性。进气道采用保温密封结构,保证过滤后的空气以清洁的状态输送至压气机。

(3)、压气机进口空气冷却/喷雾系统

压气机进口喷雾分为两种,一种是提供100%蒸发冷却能力,即在压气机进口达到湿球温度;另一种是提供中间喷雾冷却,即提供过量的喷雾,没有蒸发的雾随空气流进入压气机,在压气机中蒸发并得到一个中间冷却效果,降低压缩机耗功。进口喷雾冷却是提高燃气轮机循环功率和效率的一个重要手段,本装置设置压气机进口喷雾系统,为用户研究进口喷雾对燃气轮机循环的影响特性提供研究条件。喷雾系统由一系列安装在一块底板上的高压泵、以可编程逻辑控制器为基础的控制系统以及温度和湿度传感器和安装在进口空气管道内的喷雾喷嘴排组成。喷雾是用高压软化水和专门设计的喷雾喷嘴排来产生。在其他因素相同的情况下,雾滴的蒸发速度原则上取决于暴露在空气中的水的表面积,用高压喷雾,雾滴表面积大。

(4)、压气机出口放气/排气系统

压气机出口放气可作为用户研究新型湿化器、后冷器、回热器的气源,同时也是循环试验台调节压气机和透平通流匹配的手段。

由于本循环试验平台需要适应不同的用户需求,要求循环的调节措施更多更灵活,如循环可以工作在湿空气循环或者回热循环,压气机进口空气喷雾冷却或者喷雾中冷等。压气机放气是调节压气机工作点,保证循环能适应多种工况的措施之一。

压气机出口放气系统包括接口、管路、流量和背压控制、温度、流量、压力测量等。

本装置中气体的排气有多处:省煤器出口烟气;经排气水回收以后的烟气;压气机出口放气的排气。与常规排气系统不同的是,既要考虑气体的排放,又要考虑气体作为气源为用户试验提供条件。

本高效新型循环试验台的排气含有大量的水蒸气,本试验台抽出部分烟气进行排气水回收。

(5)、燃料系统

燃料系统的功能是为燃气轮机燃烧室提供连续稳定的燃料气。本试验台的燃料系统包括天然气和合成气。

(6)、负载与耗功系统

本高效新型循环的透平输出功一部分用于驱动与之相连的压气机,另一部分对外输出,输出功的消耗一般可以采取发电机发电。发电机所发电力通过上网或者电阻消耗。

(7)、空气/烟气冷却热回收系统

空气/烟气冷却热回收系统主要包括后冷器、回热器、蒸发器、省煤器。

后冷器的功能是对压气机出口空气进行冷却,经过冷却以后的空气作为提供湿化器的压缩空气。压气机出口空气冷却后进入加压空气加热加湿器,并将空气冷却释放的热用于产生空气加热加湿的热水,实现空气加热加湿过程热量的梯级利用。本试验台同时为用户研究新型空气冷却器提供热压缩空气、冷却水和相应的换热器性能测试手段。冷却器热侧介质为空气或者湿空气,冷侧介质为水。

(8)、空气加热加湿

空气加热加湿系统的核心是空气湿化器。空气湿化器是湿化燃气轮机循环(HAT)的独特关键部件,其功能主要是回收循环低温热量和增加工质流量。在加热加湿器中,热水从加热加湿器顶部喷下,加压空气从加热加湿器底部送入,热水与加压空气进行逆流的直接接触,实现热水的变温蒸发。加热加湿器的传热传质强度、设备的紧凑性、出口液滴的分离、设备的压力损失、设备的动态响应特性等都对循环性能产生很大影响。空气加热加湿器的进气分布、填料选择、喷头布置等都需要研究试验。本装置中初步采用填料塔进行加压空气的加热加湿,同时为研究各种新型的加湿加湿器以及研究加湿加湿器内部的传热传质与流动特性提供研究条件。

空气加热加湿还包括对压气机出口空气采用直接喷雾冷却的方式。

(9)、燃料加热加湿系统

燃料加热加湿系统对燃料气体进行加热加湿,燃料在燃料气加热加湿器中与热水直接接触,燃料气的温度与湿度同时提高,并通过燃料过热器进一步过热燃料。

燃料加热加湿器的设计流量7000Nm3/hr,操作压力15bar。

(10)、排气水回收系统

湿化循环燃气轮机排气中水蒸气含量最高达30%vol,排气中的水蒸气携带大量的潜热。通过排气水回收,可实现循环的净耗水为0。本试验台排烟分流出10000Nm3/h烟气,进行排气水回收。

(11)、测试与控制系统

高效新型循环试验台测试包括单元部件节点及其内部物理量测试以及循环性能的测试。

高效新型循环试验台测试主要包括各单元部件节点温度、压力、流量测试、单元部件内部—湿化器内部气流沿程温度、压力变化情况、进气喷雾测试、压气机出口喷雾冷却测试以及最终排放烟气组分测试等。

高效新型循环的控制系统包括循环的启停、变负荷、热电比调节、事故工况等。

(二)采购标的需执行的国家相关标准、行业标准、地方标准或其他标准、规范

本项目参考的相关标准包括但不限于:

《燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定》(DL/T5174-2003)

《小型火力发电厂设计规范》(GB 50049-2011)

《火力发电厂初步设计文件内容深度规定》(DL/T 5427-2009)

《火力发电厂汽水管道设计规范》DL/T 5054-2016

《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》DL/T 5121-2000

《建设工程工程量清单计价规范》(GB50500-2013)

《通用安装工程工程量计算规范》(GB50856-2013)

《电力建设工程工程量清单计价规范》

(三)采购标的需满足的质量、安全、技术规格、物理特性等要求;

本项目高效新型循环试验台建设地点为江苏省连云港市经济技术开发区。

高效新型循环试验台的初步设计,包括工艺系统,电气系统,自控系统,设备基础及地基处理等。不包括试验台厂房建筑结构、给排水系统、通风空调系统、消防系统等辅助系统。详细内容深度参考DL/T 5427-2009《火力发电厂初步设计内容深度规定》,如果该深度不能满足本试验台所属的高效低碳燃气轮机试验装置项目初步设计评审的深度要求,以项目对初步设计评审的深度要求为准。

为满足本工程施工、投产所需的全部生产及辅助生产系统、附属设施工程均属于本工程设计范围(除设备制造厂提交的设计图纸);包括编制概算,建安安装工程招标配合工作。

具体的设计工作范围如下:

1)总体工程设计:

◆  燃气轮机高效新型循环系统的设计;

◆  电气工程设计以及试验装置的厂用电系统等;

◆  仪表和控制设计;

◆  各系统之间接口设计;

◆  试验台与配套设施基础设计与地基处理方案设计

厂房内的照明、暖通供电、接地网及通信由主体设计院进行设计,不在本工程设计范围内。

3)工程项目概算编制参照《建设工程工程量清单计价规范》(GB50500-2013)、《通用安装工程工程量计算规范》(GB50856-2013)《电力建设工程工程量清单计价规范》 以及江苏省工程量清单计价相关规定编制招标工程量清单完成,同时需满足本试验台所属的高效低碳燃气轮机试验装置项目初步设计概算评审的要求。

设计分界如下:

(1)天然气及合成气管线设计:厂界(本试验台厂房)外1m;

(2)外供蒸汽、热水及补水、冷却水管线设计:厂界(本试验台厂房)外1m;

(3) 供电设计:设计接口位于10kV馈线开关柜电缆室,CHP10kV配电系统负责提供IDC所需10kV电源,其内部配电(含电缆等)由IDC设计负责。

(4)外接电一次设计:能源站10kV配电系统与电网连接采用4回10kV线路,设计接口位于10kV进线开关柜电缆室,供电公司负责将电缆接至能源站10kV进线开关柜。

(5)外接电二次设计:10kV线路保护、系统通信、远动控制、关口计量等涉网设备的设计由接入系统设计单位负责。投标人应负责上述系统设备布置及接口的设计。

(6)与数据中心的接口:DCS系统的接口机

上述给出了对投标人工作范围的要求,投标人总的工作范围应包括本项目高效新型循环试验台初步设计(除土建、公用工程外)的全部内容,在实际设计工作中对接口的小的调整导致的设计范围的改变而造成设计工作量的增加或者减少,不改变合同的价格。

 

投标人的初步设计工作应符合但不限于下列技术要求:

3.1 高效新型循环试验台的热力系统

招标人根据高效新型循环试验台的试验功能,提供了试验台的热力系统基本流程与参数,投标人有义务从满足试验台试验功能、工程可行性、运行经济性等角度对该热力系统进行进一步完善。形成本试验台的工艺系统流程图及在各种循环模式下的参数表。投标人完善以后的热力系统应该能够满足本章第一部分对试验台功能的要求以及本部分对试验台各组成部分的功能要求。

3.2 高效新型循环试验台流程的P&ID图及管道、仪表、阀门清单

投标人应根据高效新型循环试验台的功能需求和试验台热力系统,结合招标人的要求,给出试验台的P&ID图,P&ID图应包括不限于:工艺管道、手动阀门、电控阀门、仪表等。

管道、仪表、阀门清单包括不限于:管道选型参数、仪表规格参数、阀门规格参数。投标人应结合试验台P&ID图,对开展各种循环试验和单元过程试验的流程和运行控制进行说明。

3.3 压气机进气系统及进口空气冷却/喷雾系统

招标人提出压气机进气系统及进口空气冷却/喷雾系统功能需求的功能需求,投标人在初步设计中与第三方压气机进气系统设计单位配合,形成压气机进气系统初步设计方案。最终由投标人归口在第三方设计成果基础上形成压气机进气系统及进口空气冷却、喷雾系统初步设计方案,提供进气系统及进口空气冷却/喷雾系统说明书及土建条件图。

本项目高效新型循环试验台压气机进气系统及进口空气冷却/喷雾系统除满足常规的燃气轮机进气需求外,还需为用户开展进气加热、进气冷却、湿压缩试验提供试验条件,进气系统的设计应充分考虑模块化、通用性、扩展性等。

3.4 压气机-燃烧室-透平

本项目以10MW级燃气轮机为基础构建循环试验台,投标人应提出满足本试验台需求的燃气轮机选型建议。在初步设计中配合招标人提出对燃气轮机的技术资料需求,并负责资料深度的审核。最终由投标人形成压气机-燃烧室-透平系统初步设计方案,提供系统说明书及土建条件图。

3.5 压气机出口放气/排气系统

压气机出口放气系统是为了解决燃气轮机试验台的通流匹配而采取的技术措施,根据招标人提出的压气机出口放气位置和放气量及功能需求,投标人负责放气系统的初步设计,包括但不限于阀门仪表初步选型及管道布置与设计等,并形成压气机出口放气/排气系统说明书及土建条件图。

燃气轮机的排气系统还包括透平的排烟以及水回收以后烟气的排放。

3.6 空气/烟气冷却热回收系统

空气冷却系统包括后冷器。

烟气冷却热回收系统包括回热器、蒸发器、省煤器。

根据热力系统提出上述设备的基本参数需求,投标人有义务结合试验台功能需求对招标人提出的基本工艺参数进行必要的优化完善。投标人根据初步设计深度的要求与与第三方余热锅炉及换热器设计单位配合,归口在第三方设计成果基础上形成空气/烟气冷却热回收系统初步设计方案,并最终由投标人形成空气/烟气冷却热回收系统说明书及土建条件图。

3.7 燃料系统

燃料系统包括天然气燃料系统和合成气燃料系统。投标人进行燃料系统初步设计,形成燃料系统说明书及土建条件图。

3.8 空气加热加湿

空气加热加湿包括采用湿化器对空气加热加湿以及对压气机出口空气喷雾加湿,招标人提出空气加热加湿器的基本参数需求。投标人根据初步设计深度的要求与与第三方设备设计单位配合,归口在第三方设计成果基础上形成空气加热加湿的初步设计方案,并最终由投标人形成空气加热加湿的设备说明书及土建条件图。

3.9 负载与耗功系统

本项目试验台的输出功通过发电机发电,所发电力既可以上网,也可以通过电阻消耗。对发电上网,投标人的工作范围不包括电力的输出;对于电阻耗电,投标人的工作范围包括耗电电阻的选型及相应的初步设计工作。投标人还应在循环的控制方案中考虑发电上网与电阻耗电的切换及配合功能。最终由投标人形成负载与耗功系统说明书及土建条件图。

3.10 燃料加热加湿系统

燃料加热加湿系统的主要设备包括燃料湿化器和换热器,招标人提供燃料加热加湿系统的基本流程和工艺参数以及主要设备参数,以及类似系统的参考设计资料。投标人根据招标人提供的资料开展燃料加热加湿系统的初步设计工作,包括但不限于阀门仪表、管道、布置、主设备选型工作,形成燃料加热加湿系统说明书及土建条件图。

3.11 排气水回收系统

投标人应配合招标人提出排气水回收系统初步设计资料的需求,并对第三方设计单位提供的资料进行审核,归口在第三方设计成果基础上形成排气水回收系统设计方案包括但不限于阀门仪表、管道、布置、主设备选型工作,并最终由投标人形成排气水回收系统的设备说明书及土建条件图。

3.12 测试与控制系统

投标人应根据招标人对测试控制的功能要求,结合循环试验台的工程可行性需求,形成测试与控制的初步设计方案。提供以下内容:

测控系统组成与网络结构。包括不限于控制网络示意图、测控系统I/O清单、控制系统硬件配置清单、控制机柜布局等。

中控室方案。要求操作工位6个以上,视频监控集中显示,高效新型循环试验台中控显示和操作,包括不限于中控室占地、布局,土建、电气和信息化要求等

3.13 各部件与系统的接口与配合

投标人作为循环试验台初步设计单位,负责试验台各部件与系统之间的接口及其配合,同时负责本项目循环试验台与项目主体设计单位及土建设计单位之间的配合。

(四)采购标的的数量、采购项目交付或者实施的时间和地点;

投标人向招标人提供提供的所有资料都应包括可编辑电子版本。在完成初步设计以后,投标人应提供深度和内容满足项目初步设计审查所需的全部资料,包括但不限于以下资料:

 

 

内容 交付形式
试验设备与子系统的功能说明 报告
总体设计方案
工艺说明书
试验设备的总体参数、各子系统主要参数
设备及系统/子系统说明书
管道系统说明书
管道等级表
管道材料表
电控阀门规格书
自动控制及仪表说明书(测控系统I/O清单、自控系统材料估算表、控制系统硬件配置清单、仪表数据表)
电气说明书
电气设备表
电气材料估算表
对交付周期较长的部件的说明
需要进行分析、计算的项目及拟采用的方法
对合同技术要求的偏离,偏离的影响评估
对较高风险项的初步识别,提供控制与应对措施
调试和验收程序概要
试验设备与公共工程(水、电、气等)相关接口的初步说明
工艺流程图 设计图纸
初步的厂房布局图
初步的设备总体布局图
P&ID图
控制网络示意图
中控室布置图
气体检测报警布置图
初步的管道布局图
初步的电气及控制原理图
配电间布置图
电气单线图
测试原理图
各设备的设备条件图
标准单体设备的主要规格参数、原产地、供货周期和初步报价 设备清单
非标单体设备的设计输入参数、初步方案、供货周期和初步报价
投资概算及单价100万以上外购设备的概算依据 概算表

除上述资料外,投标人需配合招标人完成试验台初步设计材料的归档,提供相关的必要资料。

(五)采购标的需满足的服务标准、期限、效率等要求;

服务标准:按时完成服务工作,与业主保持良好沟通,及时解答业主问题,按时、保质、保量完成业主提出的服务要求。本试验台是中国科学院工程热物理研究所承担的国家重大科技基础设施“高效低碳燃气轮机试验装置”的一部分,投标人所形成的初步设计深度需至少满足该项目通过初步设计评审的需求。

服务期限:签订合同后60日内。

服务效率:服务期内如需沟通或交付材料,供方在接到通知后,及时响应,按时、保质、保量完成服务任务。

 

(六)采购标的的验收标准;

执行相关标准规范、合同、招标文件及中标人投标文件条款,达到验收合格标准。本试验台是中国科学院工程热物理研究所承担的国家重大科技基础设施“高效低碳燃气轮机试验装置”的一部分,“高效低碳燃气轮机试验装置”项目的初步设计评审(包括技术评审和概算评审)验收视同本项目试验台初步设计的验收。

(七)采购标的的其他技术、服务等要求。

履行合同要求的同时,按照采购人要求提供后续相关服务。

 

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