高南興

（上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海200240）

以空氣為工質(zhì)的燃?xì)廨啓C(jī)，其輸出功率與進(jìn)氣的空氣質(zhì)量流量成正比，進(jìn)氣的空氣質(zhì)量流量與大氣絕對(duì)溫度成反比。大氣溫度每升高1K，簡(jiǎn)單循環(huán)的單軸燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率通常將下降0.5%～0.9%，效率下降0.2%～0.3%（氣溫對(duì)由自由渦輪輸出功率的分軸型機(jī)組性能影響更大）；而對(duì)于許多燃?xì)廨啓C(jī)特別是調(diào)峰的發(fā)電機(jī)組，往往希望在高溫季節(jié)有更高的輸出功率。解決這一矛盾的有效方法是通過冷卻降低燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣溫度。

在眾多進(jìn)氣冷卻方式中，進(jìn)氣噴霧冷卻因其投資少、設(shè)備簡(jiǎn)單、維護(hù)費(fèi)用低、能適當(dāng)降低NOx排放、減少壓氣機(jī)葉片清洗、進(jìn)氣阻力小到可以忽略不計(jì)和能夠?qū)崿F(xiàn)“過噴”以進(jìn)一步提高輸出功率等特點(diǎn)成為人們的首選，其中尤以美國米氏工業(yè)公司的MeeFogTM噴霧系統(tǒng)得到最廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是采用了可以產(chǎn)生微小水滴和煙幕狀霧冠的撞針式噴嘴，從而消除或減輕了對(duì)壓氣機(jī)葉片的侵蝕。至2013年，MeeFogTM噴霧系統(tǒng)在全球已銷售了將近900套。該系統(tǒng)在我國發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)中也有7套在使用，都收到了良好效果。

筆者對(duì)進(jìn)氣噴霧冷卻的一些參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，列出了圖表，并提供國內(nèi)現(xiàn)有燃?xì)廨啓C(jī)采用MeeFogTM進(jìn)氣噴霧冷卻系統(tǒng)的一些參數(shù)，可供有關(guān)人員參考。

1 理論依據(jù)和計(jì)算

1.1 空氣濕度圖

圖1為1個(gè)大氣壓力（0.101 325MPa）下的空氣濕度圖，它表示空氣的干球溫度、濕球溫度、相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度之間的關(guān)系：

圖1 空氣濕度圖

式中：H 為空氣絕對(duì)濕度或空氣含濕量，kg／kg干空氣；pa為大氣壓力，MPa；Ψ 為空氣相對(duì)濕度；ps·s為空氣干球溫度下的飽和水蒸氣分壓力，MPa。

圖1是噴霧冷卻的計(jì)算依據(jù)［1］。從圖1可以按空氣的干球溫度TD和相對(duì)濕度Ψ查得經(jīng)過噴霧冷卻達(dá)到飽和后的空氣濕球溫度Tw以及冷卻前后空氣的絕對(duì)濕度之差，由此算出所需的噴水量。干、濕球溫度之差即為噴霧冷卻的最大可能降溫量△T1。

1.2 空氣溫度和濕度對(duì)噴霧冷卻的影響

影響噴霧冷卻的兩大主要因素是空氣溫度和空氣濕度。眾所周知，水在溫度越高和相對(duì)濕度越小的空氣中，越易蒸發(fā)。米氏工業(yè)公司制造的MeeFogTM撞針式噴嘴能產(chǎn)生滴徑Dv90≤18μm的微小水滴，其蒸發(fā)效率接近100%。向進(jìn)口空氣中噴霧，使其相對(duì)濕度達(dá)到100%，進(jìn)氣溫度便可降到相應(yīng)的干球溫度和相對(duì)濕度下的濕球溫度，由此確定噴霧冷卻可造成的壓氣機(jī)進(jìn)氣的最大溫降為：

圖2為壓氣機(jī)進(jìn)氣最大可能溫降△T1與大氣溫度T1干球和相對(duì)濕度Ψ的關(guān)系。

圖2 進(jìn)氣最大可能溫降與氣溫、空氣相對(duì)濕度的關(guān)系

由圖2可見：T1干球越高、Ψ越小，則噴霧冷卻后的△T1就越大，即噴霧冷卻在高氣溫和低相對(duì)濕度的環(huán)境下具有顯著的降溫效果。

圖3則以另一種形式表示了△T1和T1干球、Ψ之間的關(guān)系，除了有與圖2相同的結(jié)論外，還表示出T1干球?qū)Α鱐1的影響遠(yuǎn)不如Ψ，從而表明在干燥地區(qū)采用進(jìn)氣噴霧冷卻最為有效。

圖3 進(jìn)氣最大可能溫降與空氣相對(duì)濕度、氣溫的關(guān)系

1.3 噴水量計(jì)算

進(jìn)氣噴霧冷卻是利用水滴在蒸發(fā)過程中吸收其周圍空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為水的潛熱或稱“汽化熱”，從而使空氣降溫的物理過程。

常溫、常壓下水在空氣中蒸發(fā)（汽化）的平均吸熱量q為2 558kJ／kg，空氣的平均比熱容c為1.005kJ／（kg·K），1kg空氣降溫1K所需蒸發(fā)的水量，即噴水率g水＝c／q＝0.000 393kg／（kg·K）。

通過圖1也可得到這個(gè)數(shù)值，由此得到噴霧用水量G水與空氣流量G空氣和噴霧蒸發(fā)冷卻后的壓氣機(jī)進(jìn)氣溫降△T的關(guān)系：

由式（3）可見：G水與G空氣和△T 均呈簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，從而可作出噴水量與空氣流量和進(jìn)氣溫降的關(guān)系曲線（見圖4）。由圖4可根據(jù)燃?xì)廨啓C(jī)的G空氣和△T查得所需的噴水量。

圖4 噴水量與空氣流量和進(jìn)氣溫降的關(guān)系

另外，由g水可以得到單位空氣量溫降為△T時(shí)的噴水率g′水：

g′水和△T間呈線性關(guān)系見圖5。由式（4）和圖5可知：?jiǎn)挝豢諝鈬娝恐慌c△T有關(guān)，即不論是高溫季節(jié)還是低溫季節(jié)，只要△T相同，則單位空氣流量（或總空氣流量）的噴水量相同。

圖5 單位噴水量g′水與溫降△T的關(guān)系

圖6表示單位空氣最大噴水量g″水與T1干球和Ψ的關(guān)系。

圖6 單位空氣最大噴水量與空氣相對(duì)濕度、氣溫的關(guān)系

由圖6可見：最大噴水量將隨T1干球的升高和Ψ的降低而增加，除非極端情況，噴水量一般不會(huì)超過燃?xì)廨啓C(jī)空氣流量的1%。

在計(jì)算噴水量時(shí)必須注意的一點(diǎn)是：噴霧冷卻過程中會(huì)有一部分霧滴與進(jìn)氣道中的障礙物或壁面碰撞后聚合而形成未能蒸發(fā)的自由水，這些水必須排出機(jī)外以免進(jìn)入壓氣機(jī)造成葉片損傷。未能蒸發(fā)掉的水量與進(jìn)氣道的結(jié)構(gòu)有關(guān)，一般在噴水量的0～10%，建議取5%。

為了防止噴霧系統(tǒng)堵塞、腐蝕，以及對(duì)壓氣機(jī)葉片的侵蝕，噴霧系統(tǒng)必須使用經(jīng)高精濾的除鹽水。

2 噴霧系統(tǒng)設(shè)備及計(jì)算

MeeFogTM進(jìn)氣噴霧冷卻系統(tǒng)主要包括泵站、噴嘴矩陣、供水管道及疏水管道等。泵站是由交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的陶瓷活塞式高壓泵、過濾器、測(cè)定空氣干球溫度和相對(duì)濕度的氣象站，以及PLC控制計(jì)量系統(tǒng)組成為一個(gè)可以露天布置的撬體；噴嘴矩陣為由眾多噴嘴及歧管組成，并固定在壓氣機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)的噴嘴組合；供水管則是連接泵站和噴嘴矩陣的高壓不銹鋼管道；疏水管是布置在進(jìn)氣室和壓氣機(jī)進(jìn)氣缸底部的排水管道，其端部裝有逆止閥，確保運(yùn)行時(shí)正常疏水。

高壓供水泵的型號(hào)和數(shù)量根據(jù)要求的供水壓力和噴水量來確定。MeeFogTM推薦供水壓力為13.8MPa（足以保證水的霧化細(xì)度的要求）。選用噴孔為0.15mm的撞針式噴嘴，每個(gè)噴嘴在上述供水壓力下的流量qw為0.010 2t／h（0.17 L／min），所需噴嘴數(shù)為：

將計(jì)算結(jié)果向上取整得到合適的噴嘴數(shù)Z′。

根據(jù)△T1確定噴霧級(jí)數(shù)，每級(jí)溫降為1～2K。每級(jí)噴嘴數(shù)相同，由此也可取整到合適的噴嘴總數(shù)Z″。最大溫降達(dá)10K以上時(shí)，一般都推薦取8級(jí)或更多。噴嘴歧管在矩陣上的布置應(yīng)確保在各種工況下噴霧分布均勻。

3 國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)采用進(jìn)氣噴霧冷卻時(shí)的參數(shù)估算

顯然，噴霧系統(tǒng)參數(shù)與當(dāng)?shù)貧庀髼l件、燃?xì)廨啓C(jī)的空氣流量和冷卻的溫降要求有關(guān)。為了有一個(gè)大致的概念，將設(shè)計(jì)氣象條件統(tǒng)一取為夏季，T1干球?yàn)?7℃、Ψ 為40%，此時(shí)，空氣濕度圖上查得T1濕球＝25.3℃，由此得出壓氣機(jī)進(jìn)氣最大溫降△T1＝T1干球-T1濕球＝11.7K。

由式（5）可確定單位空氣的噴水率為：

也可從圖1（空氣濕度圖）上按噴水后25.3℃相對(duì)濕度為100%和噴水前47℃相對(duì)濕度為40%時(shí)的絕對(duì)濕度（即干空氣中的含水量）之差求得單位噴水率g′水＝0.020 4-0.015 8＝0.004 6 kg／kg空氣。

對(duì)固定轉(zhuǎn)速的發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)，壓氣機(jī)進(jìn)氣的容積流量不變，質(zhì)量流量與進(jìn)口溫度有關(guān)，經(jīng)過進(jìn)氣噴霧冷卻后的空氣流量G空氣25.3為：

式中：G空氣ISO為燃?xì)廨啓C(jī)制造廠給出的ISO條件（T1＝15℃）下壓氣機(jī)的進(jìn)氣流量，kg／s。

將△T1和G空氣25.3代入式（3）后，便可得到總噴水量：

考慮5%的疏水量后的總噴水量為：選用噴孔為0.15mm的撞針式噴嘴，根據(jù)式（5），可求得噴嘴總數(shù)：

按分組原則并將噴嘴分為每級(jí)噴嘴數(shù)相同的8級(jí)后取整到合適的噴嘴數(shù)Z′，最終得到總噴水量為：若設(shè)計(jì)條件改變，則可由新的條件按上述步驟計(jì)算出相應(yīng)參數(shù)。

總噴水量也可按不同機(jī)型的G空氣和△T1從圖4中查得，并加5%的疏水量，但要注意，G空氣必須是進(jìn)氣冷卻后的氣溫下的數(shù)值（可按式（6）求得）；而噴嘴總數(shù)則按式（9）計(jì)算、分組并向上取整到合適的值。

表1列出了目前國內(nèi)常用的燃?xì)廨啓C(jī)采用MeeFogTM進(jìn)氣噴霧冷卻系統(tǒng)時(shí)的參數(shù)估算結(jié)果，可供參考，其設(shè)計(jì)條件為大氣干球溫度37℃、相對(duì)濕度40%，噴霧級(jí)數(shù)8級(jí)。

表1 國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)采用進(jìn)氣噴霧冷卻的估算

表1 （續(xù)）

4 國內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)采用進(jìn)氣噴霧冷卻遇到的問題

進(jìn)氣噴霧冷卻有許多優(yōu)點(diǎn)，在國外燃?xì)廨啓C(jī)上已獲得大量應(yīng)用，但人們對(duì)此項(xiàng)技術(shù)還有一些疑慮。

4.1 會(huì)對(duì)壓氣機(jī)葉片造成損傷

人們擔(dān)心在壓氣機(jī)進(jìn)口噴入大量水滴是否會(huì)造成壓氣機(jī)葉片侵蝕。理論和試驗(yàn)證明：小于20μm的水滴會(huì)跟隨氣流流動(dòng)而不會(huì)撞擊葉片，因而噴霧冷卻的關(guān)鍵在于制造微小的水滴。MeeFogTM的撞針式噴嘴正好能滿足這一要求。美國GE公司的航機(jī)衍生型燃?xì)廨啓C(jī)LM6000 Sprint在高、低壓壓氣機(jī)入口用空氣霧化噴嘴進(jìn)行噴霧冷卻，使輸出功率提高20%～30%，有數(shù)百臺(tái)這樣的機(jī)組在全球成功運(yùn)行，就足以證明燃?xì)廨啓C(jī)采用進(jìn)氣噴霧冷卻是安全可靠的。

4.2 只適合于高溫干燥的地區(qū)

一般的氣象服務(wù)往往只提供某地區(qū)每日的最高氣溫和最高濕度，但這二者卻不是同時(shí)發(fā)生的。圖7表示地面典型的日氣象條件的變化情況［2］?？梢钥吹?，早晚氣溫較低，相對(duì)濕度較高，而在中午時(shí)分氣溫最高時(shí)的相對(duì)濕度卻最低，表明此時(shí)為燃?xì)廨啓C(jī)采用進(jìn)口空氣噴霧蒸發(fā)冷卻的好時(shí)段。

理論上講只要空氣的相對(duì)濕度＜100%，即圖7上的干、濕球溫度曲線不重合，就都能進(jìn)行進(jìn)氣噴霧冷卻。當(dāng)然，為防止壓氣機(jī)進(jìn)氣喇叭口上因高速氣流的溫降造成結(jié)冰，進(jìn)氣采用噴霧冷卻后的溫度不能低于12.8℃。

圖7 典型的日氣象參數(shù)

事實(shí)上，在美國北部各州的寒冷地區(qū)，有大量的燃?xì)廨啓C(jī)采用了進(jìn)氣噴霧冷卻，我國北方地區(qū)應(yīng)該也不例外。

4.3 進(jìn)氣噴霧冷卻的經(jīng)濟(jì)性問題

燃?xì)廨啓C(jī)在采用了進(jìn)氣噴霧冷卻后每年所能增發(fā)的電量△P為［1］：

式中：ECDH為表征蒸發(fā)冷卻潛能的“蒸發(fā)冷卻度時(shí)”，℃·h；φ 為 噴 霧 冷 卻 利 用 系 數(shù) ＝為大氣溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的影響度，kW／℃，由機(jī)組制造廠提供。

圖7中濕球溫度線與干球溫度線之間的區(qū)域面積即為當(dāng)日的ECDH，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，都可以投入噴霧冷卻。通?？蓮臍庀缶侄嗄攴e累的氣象資料中獲得各個(gè)地區(qū)每日、周、月和年度的ECDH。上海恩誠公司網(wǎng)站（www.enchengsh.com）提供了我國一些主要城市或地區(qū)的年ECDH值，可供參考。

由式（11）可見：對(duì)于年運(yùn)行小時(shí)較多的燃?xì)廨啓C(jī)，例如熱電聯(lián)供、高爐煤氣發(fā)電、輸氣管線增壓等，采用進(jìn)氣噴霧冷卻是較有利的。對(duì)于年運(yùn)行小時(shí)較少的調(diào)峰發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)，其經(jīng)濟(jì)效益應(yīng)通過上網(wǎng)電價(jià)的峰谷差來獲得，但調(diào)峰機(jī)組的社會(huì)效益是不可低估的。

5 結(jié)語

進(jìn)氣噴霧冷卻是恢復(fù)燃?xì)廨啓C(jī)在高溫季節(jié)下輸出功率和效率損失最經(jīng)濟(jì)和有效的措施，是已得到廣泛應(yīng)用的成熟技術(shù)，即使在低溫潮濕的地區(qū)，也有不少成功運(yùn)行的先例，包括“過噴”（濕壓縮）。

進(jìn)氣噴霧冷卻的響應(yīng)時(shí)間很短，一般只要1～2min就能達(dá)到所設(shè)定的工況。若作為技改項(xiàng)目，壓氣機(jī)進(jìn)氣道無需做大的改動(dòng)，停機(jī)時(shí)間也只要2～3天。

噴霧系統(tǒng)的噴水量取決于燃?xì)廨啓C(jī)的空氣流量和壓氣機(jī)進(jìn)氣溫降，一般不到燃?xì)廨啓C(jī)空氣流量的1%，“過噴”的耗水量一般為空氣流量的0.6%～1.0%。即使在簡(jiǎn)單循環(huán)電廠，制備這樣少量的除鹽水也不存在困難。

消除一些對(duì)進(jìn)氣噴霧冷卻認(rèn)識(shí)上的誤區(qū)，就能使這一技術(shù)在我國各種用途的各型燃?xì)廨啓C(jī)上得到廣泛應(yīng)用。

［1］高南興，涂恩霽，李卓.燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣噴霧冷卻的理論和實(shí)踐［C］／／燃?xì)廨啓C(jī)論文集.上海：上海思誠有限公司，2013：95-100.

［2］李立軍，張紀(jì)平.噴霧冷卻系統(tǒng)在重型燃?xì)廨啓C(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用研究［C］／／燃?xì)廨啓C(jī)論文集.上海：上海思誠有限公司，2013：157-163.