徐亦淳

上海電力股份有限公司

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)研究

徐亦淳

上海電力股份有限公司

介紹了氣溫對(duì)天然氣輪機(jī)和出力和熱耗的影響，詳細(xì)分析了天然氣輪機(jī)進(jìn)氣的幾種冷卻技術(shù)，最后列舉了進(jìn)氣噴霧冷卻的優(yōu)勢(shì)和工程案例。

燃?xì)廨啓C(jī)；進(jìn)氣冷卻；節(jié)能降耗

1 氣溫對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響

1.1 氣溫對(duì)燃機(jī)出力的影響

由于壓氣機(jī)是定容設(shè)備，即在既定的轉(zhuǎn)速下運(yùn)送恒定容量的空氣，其質(zhì)量流量與空氣溫度成反比，隨著環(huán)境大氣溫度升高，壓氣機(jī)進(jìn)氣在容積流量不變的情況下，質(zhì)量流量將降低，燃機(jī)燃料消耗量減小，燃機(jī)透平工質(zhì)相應(yīng)減少，燃機(jī)出力隨之降低。對(duì)燃機(jī)而言，環(huán)境溫度每升高1℃，出力將下降0.5%～0.9%。

以GE公司PG9351FA燃機(jī)為例，燃機(jī)出力隨著壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度的升高而降低。如圖1所示，PG9351FA燃機(jī)進(jìn)口氣溫從性能保證工況的氣溫15.6℃氣溫升至40℃時(shí)，燃機(jī)出力從253.83 MW（100%）降低至209.06 MW，出力下降幅度達(dá)到17.6%。進(jìn)氣溫度每降低1℃，燃機(jī)出力可增加1.834MW。

1.2 氣溫對(duì)燃機(jī)熱耗的影響

隨著大氣溫度升高，壓氣機(jī)耗功增加，在燃機(jī)輸出功率降低的同時(shí)，燃機(jī)熱效率隨之降低，熱耗增加。環(huán)境溫度每升高1℃，熱耗將增加0.2%～0.3%。

燃機(jī)熱耗隨著壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度的升高而升高，尤其是在高氣溫情況下更為明顯。如圖2所示，PG9351燃機(jī)進(jìn)氣溫度從性能保證工況時(shí)的15.6℃升至40℃時(shí)，燃機(jī)熱耗從9 744 kJ/kWh 增加至10360 kJ/kWh，即熱耗增加6.3%。

因此，燃機(jī)在夏季高溫條件下運(yùn)行，已不能滿足設(shè)計(jì)進(jìn)口氣溫的要求，造成燃機(jī)熱耗率增加，最大增加6%左右，而且機(jī)組出力嚴(yán)重受限，最大下降超過(guò)17%，使機(jī)組經(jīng)濟(jì)性大幅降低。在夏季用電高峰期間出力下降嚴(yán)重，削弱了其調(diào)峰能力，也影響了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

2 進(jìn)氣冷卻幾種技術(shù)分析

燃?xì)廨啓C(jī)出力隨進(jìn)氣溫度升高而降低的問(wèn)題可以通過(guò)冷卻燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣來(lái)解決，特別是高溫天氣條件下運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的壓氣機(jī)加裝進(jìn)氣冷卻裝置是增加其出力的最有效的方法。

圖1 PG9351FA燃機(jī)出力與壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度的關(guān)系

燃機(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)分為蒸發(fā)式冷卻和制冷式冷卻兩大類。前者根據(jù)冷卻器的結(jié)構(gòu)不同分為介質(zhì)式蒸發(fā)冷卻和高壓噴霧冷卻，后者根據(jù)冷源的獲取方式不同分為壓縮制冷冷卻、吸收制冷冷卻、蓄冷冷卻和LNG冷能冷卻。

2.1 蒸發(fā)式冷卻

蒸發(fā)式冷卻原理是利用水在未飽和空氣空氣中蒸發(fā)時(shí)吸收潛熱，從而降低空氣溫度。

（1）介質(zhì)式蒸發(fā)冷卻技術(shù)

介質(zhì)式蒸發(fā)冷卻主要由冷卻水泵、噴嘴、用以形成水膜的介質(zhì)、除水板、水箱等組成。將水膜式蒸發(fā)冷卻器置于空氣過(guò)濾器后，燃機(jī)進(jìn)氣與水膜接觸從而達(dá)到降溫加濕的目的。經(jīng)冷卻后的空氣，相對(duì)濕度可達(dá)95%，該方式的缺點(diǎn)是進(jìn)氣阻力大，安裝時(shí)進(jìn)氣道要進(jìn)行較大的改造，停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)。

（2）噴霧式冷卻技術(shù)

冷卻器將水高細(xì)度霧化后，直接噴入空氣氣流中，液態(tài)水在汽化過(guò)程中吸收汽化潛熱，從而降低空氣溫度，接近濕球溫度，可將空氣冷卻至飽和點(diǎn)附近（相對(duì)濕度達(dá)100%），并利用水霧化后表面積急劇增大的特點(diǎn)來(lái)強(qiáng)化蒸發(fā)冷卻的效果，具有很高的冷卻效率，且進(jìn)氣阻力小，特點(diǎn)是安裝時(shí)無(wú)需對(duì)進(jìn)氣道進(jìn)行改造，停機(jī)時(shí)間短。

2.2 制冷式冷卻

制冷式冷卻是在燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口處設(shè)置翅片式表面換熱器，空氣在管外翅片側(cè)流動(dòng)，冷源在管內(nèi)流動(dòng)。這種換熱器要考慮空氣中冷凝水的分離、收集與排放。

圖2 PG9351燃機(jī)熱耗與壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度的關(guān)系

（1）壓縮式制冷技術(shù)

壓縮式制冷采用壓縮制冷循環(huán)，向燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口的盤管冷卻器提供冷源，冷源的獲得以消耗機(jī)械功（電力）為代價(jià)，燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣在換熱器內(nèi)被冷卻水或吸收劑冷卻。壓縮制冷系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可以獲得較低的制冷溫度，但最大的缺點(diǎn)是需要消耗電力，燃機(jī)進(jìn)氣冷卻多發(fā)電的25%～30%要用于驅(qū)動(dòng)該系統(tǒng)，大大影響增加出力的效果。

（2）吸收式制冷技術(shù)

吸收式制冷利用電廠余熱驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)，向燃機(jī)進(jìn)氣提供冷源，通過(guò)表面式熱交換器降低燃機(jī)進(jìn)氣溫度，達(dá)到增加出力、提高效率的目的。吸收制冷根據(jù)其結(jié)構(gòu)有單級(jí)和雙級(jí)之分；根據(jù)所采用的制冷劑不同分為氨吸收制冷和溴化鋰吸收制冷兩種型式。氨吸收制冷雖可獲得較低的制冷溫度，但設(shè)備占地面積大、造價(jià)較高且防爆等級(jí)要求較高，運(yùn)行管理成本高。

（3）蓄冷冷卻技術(shù)

蓄冷冷卻技術(shù)是充分利用電網(wǎng)的峰谷差電價(jià)，即在電網(wǎng)低谷時(shí)，利用低價(jià)電驅(qū)動(dòng)壓縮制冷機(jī)制冷，把獲得的冷量?jī)?chǔ)藏在蓄冷裝置中，待電網(wǎng)高峰期，制冷裝置停止運(yùn)行，再把蓄冷裝置儲(chǔ)藏的冷量釋放出來(lái)，用以冷卻燃機(jī)進(jìn)口空氣，降低進(jìn)氣溫度增加出力、提高效率。該方式一方面可以增加低谷期用電量，增加高峰期發(fā)電量，起到調(diào)整電網(wǎng)負(fù)荷的作用；另一方面蓄冷用的是低價(jià)電，電網(wǎng)高峰期發(fā)電的電價(jià)高，獲取發(fā)電的差價(jià)利潤(rùn)，達(dá)到雙重效果。

（4） LNG冷能冷卻技術(shù)

LNG的溫度是-160°C，使用前必須在LNG接收站再氣化為天然氣，在氣化過(guò)程中釋放的大量冷能是可以回收利用的。其主要方式是利用中間傳熱介質(zhì)（乙二醇水溶液）通過(guò)兩級(jí)換熱器將LNG冷能傳遞給燃?xì)廨啓C(jī)入口空氣，達(dá)到冷卻燃機(jī)進(jìn)口空氣的目的。

2.3 進(jìn)氣冷卻幾種技術(shù)比較

已有的國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明, 這些進(jìn)氣冷卻技術(shù)已經(jīng)比較成熟, 幾種冷卻方式各有其特點(diǎn)，對(duì)于不同地區(qū)不同運(yùn)行條件的燃?xì)廨啓C(jī)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際條件選擇進(jìn)氣冷卻方式。蒸發(fā)式冷卻直接接觸式投資小, 施工工期短, 但冷卻能力較小, 特別適用于資金相對(duì)短缺、干燥炎熱的地區(qū)。LNG 冷能利用需要與LNG 接受站統(tǒng)一協(xié)調(diào)考慮。蓄冷式制冷與壓縮制冷、吸收制冷的投資相當(dāng),蓄冷制冷特別適用于電網(wǎng)峰谷電價(jià)差較大的地區(qū)，而溴化鋰吸收制冷則以其能充分利用電廠余熱、冷卻能力較大的優(yōu)越性。表1列舉了國(guó)內(nèi)幾個(gè)已采用進(jìn)汽冷卻技術(shù)燃?xì)廨啓C(jī)電廠。

3 進(jìn)氣噴霧冷卻的優(yōu)勢(shì)和工程案例

燃機(jī)進(jìn)氣噴霧冷卻系統(tǒng)無(wú)需對(duì)原有的進(jìn)氣室進(jìn)行大的改動(dòng)，安裝速度快、初始投資低、維護(hù)及保養(yǎng)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)耗水量小；系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)制造，占地小，安裝位置靈活，相比較常規(guī)蒸發(fā)冷卻和制冷冷卻，對(duì)燃機(jī)進(jìn)氣道幾乎不產(chǎn)生壓力降，改造技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)??；噴霧冷卻是一種成熟先進(jìn)的技術(shù)產(chǎn)品，并且在全球有超過(guò)970套的成功應(yīng)用案例。

表1 燃機(jī)進(jìn)氣冷卻國(guó)內(nèi)應(yīng)用情況

3.1 進(jìn)氣噴霧冷卻的工程布置

如圖3所示，噴霧系統(tǒng)主要包括高壓泵站、噴嘴矩陣、供水管道及疏水管道。泵站由多臺(tái)交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的陶瓷柱塞式高壓泵、0.35μm除鹽水進(jìn)水過(guò)濾器、測(cè)定空氣干球溫度和相對(duì)濕度的氣象站以及就地PLC控制系統(tǒng)組成。噴嘴矩陣為眾多噴嘴及歧管組成，并固定在壓氣機(jī)進(jìn)氣管道內(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)氣口底部的逆止閥，以確保運(yùn)行時(shí)正常疏水。

噴霧矩陣安裝在過(guò)濾器后、消音器前，此種安裝方式既能保證霧化的效果，又能防止水滴進(jìn)入壓氣機(jī)，是當(dāng)噴霧僅用于蒸發(fā)冷卻時(shí)的最佳選擇方案。

3.2 進(jìn)氣噴霧冷卻技術(shù)原理

進(jìn)氣噴霧的目標(biāo)是要將水分裂為盡可能小的霧滴，以獲得最大的表面積來(lái)增加霧滴表面和空氣之間的傳熱。任何壓力霧化噴嘴的根本原理是通過(guò)一個(gè)小孔將水的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)能。選擇噴嘴最重要的因素是霧滴尺寸和在進(jìn)氣道橫截面上霧滴的分布，因?yàn)檫@些都影響噴霧冷卻的效率和透平運(yùn)行的安全。目前，在燃機(jī)進(jìn)氣噴霧冷卻中占主導(dǎo)地位的是撞針式噴嘴。

如圖4所示，撞針式噴嘴是水強(qiáng)行通過(guò)一個(gè)光滑的小孔以高速正面撞擊一個(gè)位于噴孔上方的撞針。噴射的流速以及所產(chǎn)生的霧滴尺寸取決于噴水壓力。水流撞擊在撞針上形成一個(gè)薄的錐形膜，隨著錐形膜離開噴孔而擴(kuò)展，薄膜的面積也擴(kuò)張，因而水膜變得越來(lái)越薄，最后表面張力使水膜變成“指狀（梳狀）”，空氣流動(dòng)的不穩(wěn)定性使“指狀”破碎為絲線，然后變?yōu)殪F滴。水膜的厚度取決于孔的直徑、撞針的幾何形狀和水壓。提高水壓即增加引起水膜擴(kuò)張的速度從而使水膜厚度變薄，最終使霧滴尺寸減小以及噴嘴的流量增加。

3.3 進(jìn)氣噴霧冷卻經(jīng)濟(jì)分析

以某長(zhǎng)三角區(qū)域某2臺(tái)GE公司PG9351燃機(jī)電廠為例，夏季極限工況為37°C，實(shí)施進(jìn)氣噴霧后燃機(jī)出力從253.83MW（100%）降低至215MW，噴霧進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)的最大冷卻能力為進(jìn)氣溫度降低9.9°C，此時(shí)燃機(jī)出力可增加18.156MW，燃機(jī)出力可恢復(fù)至約233MW；而且，當(dāng)環(huán)境溫度進(jìn)一步升高時(shí)，燃機(jī)出力還將下降，因此，在夏季極限工況下燃機(jī)在投用噴霧進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)后的燃機(jī)負(fù)荷不會(huì)高于現(xiàn)有的銘牌出力。

圖3 噴霧冷卻系統(tǒng)示意圖

圖4 撞針式噴嘴

Study on Gas Turbine Inlet Air Cooling Technology

Xu Yichun
Shanghai Electric Power Co.,Ltd

The article introduces atmosphere temperature impact on output and heat consumption of gas turbine and analyzes several inlet air cooling technologies of gas turbine. The author lists advantages and engineering cases of inlet air spraying cooling.

Gas Turbine, Inlet Air Cooling, Energy Saving and Consumption Reducing

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.11.002

徐亦淳：（1979-），男，工程師，本科。從事發(fā)電技術(shù)節(jié)能管理工作，任職于上海電力股份有限公司。