范雪飛， 蔣 俊， 劉網(wǎng)扣， 朱志劼， 王思遠

(上海發(fā)電設備成套設計研究院有限責任公司,上海 200240)

大型高效燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的變工況熱力性能受大氣溫度和負荷要求影響很大[1]：夏季往往是用電高峰，而此時由于進氣溫度高，機組在基本負荷下的發(fā)電功率降低；在非用電高峰期間，機組長時間在部分負荷下運行，機組的發(fā)電效率偏低。從電廠生產(chǎn)運行角度出發(fā)，既要提高夏季用電高峰時基本負荷下機組的發(fā)電功率，又要提升部分負荷下機組的發(fā)電效率。圍繞這2項需求，國內(nèi)外的研究機構(gòu)和燃氣輪機(以下簡稱燃機)電廠通過改變壓氣機進氣溫度以提升機組的熱力性能，開發(fā)出基本負荷下進氣冷卻、部分負荷下進氣加熱的技術[2]。

進氣冷卻可采用溴化鋰吸收式制冷+空氣表面冷卻的方案，該方案對大氣濕度的適應性好、耗水量少,同時可避免水進入壓氣機可能產(chǎn)生的不利影響，該方案已應用在以下機組中：東莞天明電力有限公司S106B機組改造后進氣溫度最大降低17 K，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電功率升高4 MW左右[3]；深圳金崗電力有限公司PG6541B機組改造后進氣溫度下降14 K，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電功率升高了10.7%[4]；浙江浙能金華燃機發(fā)電有限責任公司PG6551B機組改造后進氣溫度下降10～12 K，燃機發(fā)電功率升高2～2.3 MW[5]；伊朗Chabahar燃機電廠GE Frame5機組改造后，進氣溫度降低15 K，燃機發(fā)電功率最大升高1.88 MW[4,6]；沙特某燃機電廠GE 7EA機組改造后，進氣溫度由25.8 ℃降低到15 ℃，燃機發(fā)電功率升高5.7 MW[7]。

進氣加熱的熱源選用余熱鍋爐的排煙可以提高能源的利用效率，天津華電福源熱電有限公司的9E機組采用進氣加熱后，其進氣溫度最大可提高20 K，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率提高0.75%[8]。

現(xiàn)有改造案例中的機組均分別具備進氣冷卻或進氣加熱的功能，而在同一機組上，為提高機組熱力性能，同時具備進氣冷卻和進氣加熱功能的改造案例還沒有。為同時滿足上述2項需求，實現(xiàn)進氣溫度的優(yōu)化調(diào)節(jié)，筆者以GE S109FA燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組為研究對象，提出了分別利用余熱鍋爐低壓蒸汽、尾部煙道排煙實現(xiàn)進氣冷卻、進氣加熱的綜合優(yōu)化方案，并建立了相應的熱力系統(tǒng)模型，采用GT Pro軟件計算并分析了不同大氣溫度、不同負荷指令下進氣冷卻或進氣加熱對機組熱力性能的影響，為進氣溫度的調(diào)節(jié)策略提供參考。

1 進氣溫度調(diào)節(jié)方案及設計參數(shù)

1.1 綜合優(yōu)化方案

本文中熱力計算選擇的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組型號為GE S109FA。燃機型號為PG9351FA，余熱鍋爐為三壓、再熱、自然循環(huán)鍋爐，汽輪機為三壓、一次中間再熱、雙缸雙排汽冷凝式汽輪機，燃料為天然氣。所提出的綜合優(yōu)化方案是在1臺機組上綜合了進氣冷卻和進氣加熱的功能，如圖1所示。

圖1 進氣溫度調(diào)節(jié)方案示意圖

進氣冷卻選擇溴化鋰制冷機加表面式換熱器的方案。溴化鋰制冷機采用雙效型，以余熱鍋爐低壓蒸汽作為驅(qū)動熱源，循環(huán)水作為冷卻水，蒸汽在制冷機中做功后回水,與其他熱水混合后進入低壓省煤器，產(chǎn)生的冷水進入水-空氣換熱器以冷卻壓氣機進氣。進氣加熱方案為在鍋爐尾部煙道加裝煙氣-水換熱器，熱水吸收鍋爐排氣的廢熱后進入水-空氣換熱器以加熱壓氣機進氣。

通過隔離閥實現(xiàn)進氣冷卻、進氣加熱的切換。由于進氣加熱和進氣冷卻可以共用1套水-空氣換熱器，且系統(tǒng)的部分管路可以共用，故系統(tǒng)緊湊，可節(jié)約投資。

1.2 進氣冷卻方案分析及熱力參數(shù)

采用水-空氣表面式換熱器對進氣(空氣)進行冷卻時，由于空氣為未飽和的濕空氣，冷卻過程先是等濕降溫，相對濕度不斷增大，當相對濕度達到100%后，冷卻過程為去濕冷卻，此時空氣溫度繼續(xù)下降并有凝結(jié)水析出。與蒸發(fā)式冷卻相比，表面式冷卻在空氣相對濕度達到100%后還能繼續(xù)降低進氣溫度。

對機組進氣冷卻需要有足夠的冷量，而余熱鍋爐的排煙溫度在90 ℃左右，其熱能品位較低不適合作為驅(qū)動熱泵的熱源，進氣冷卻方案采用從余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器抽汽(溫度為146.80 ℃、壓力為0.436 9 MPa)作為驅(qū)動溴化鋰制冷機的熱源。

進氣冷卻方案的設計參數(shù)見表1。溴化鋰制冷機的制冷系數(shù)(COP)為1.08，制冷量為7 824 kW。一般進氣冷卻適用的場景為夏季高負荷，故大氣溫度設定為35 ℃，負荷率為100%，空氣經(jīng)過濾器后的壓力和相對濕度由0.101 3 MPa、60%變?yōu)?.100 3 MPa、59.41%，經(jīng)過水-空氣換熱器后，空氣的溫度被溴化鋰制冷機輸出的冷卻水降低10 K(由35 ℃降低到25 ℃)，空氣相對濕度達到100%，析出的冷凝水質(zhì)量流量為2.3 t/h。

表1 進氣冷卻方案的設計參數(shù)

1.3 進氣加熱方案分析及熱力參數(shù)

以某運行的PG9351FA燃機對應的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組為例,其排煙溫度在冬季為89 ℃，在夏季為92 ℃，由于國內(nèi)燃燒用的天然氣含硫量低，有望進一步將余熱鍋爐排煙溫度降低到70 ℃[9]。

進氣加熱方案的設計參數(shù)見表2。設計條件下大氣溫度為15 ℃，進氣加熱前燃機負荷率為50%，尾部煙道排煙溫度為89 ℃，通過進氣加熱，進氣溫度由15 ℃提高到35 ℃，煙囪排煙溫度降低到70.7 ℃。在不同負荷下，燃機進氣質(zhì)量流量與煙道排煙質(zhì)量流量同時增減，如果保持排煙溫度降低到70.7 ℃不變，進氣溫度可提高20 K左右。

表2 進氣加熱方案的設計參數(shù)

1.4 進氣壓損影響分析

由于在壓氣機進氣系統(tǒng)中新增煙氣-水換熱器，壓氣機的進氣阻力增加，進氣壓損會對機組的性能產(chǎn)生影響。當進氣溫度為25 ℃時，在基本工況下水-空氣換熱器產(chǎn)生的進氣壓損從0 Pa升高到1 500 Pa的過程中，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電功率和發(fā)電效率的變化見圖2。由圖2可知，每100 Pa的進氣壓損會使聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率降低0.006%，參考文獻[8]，仿真計算中的換熱器新增進氣壓損設計值為300 Pa(預計會使聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率降低0.018%)。

圖2 進氣壓損對聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響

1.5 主要新增設備投資及耗電量估算

溴化鋰制冷系統(tǒng)可采用2臺蒸汽型一體式冷水機組，單臺冷水機組的制冷量為4 070 kW，額定蒸汽壓力為0.4 MPa，冷水進口溫度為12 ℃，出口溫度為7 ℃，冷水額定質(zhì)量流量為700 t/h。2臺制冷機組共占地體積約為6 500 mm×6 500 mm×3 660 mm，預計新增投資600萬元。

在壓氣機進氣處新增1臺水-空氣換熱器，進氣冷卻或進氣加熱的額定參數(shù)分別見表1和表2。進氣冷卻換熱量約為7 824 kW，進氣加熱換熱量約為8 500 kW，預計新增投資800萬元。

在鍋爐尾部煙道處新增1臺煙氣-水換熱器，煙氣質(zhì)量流量為1 601 t/h，換熱量約為8 500 kW，預計新增投資400萬元。

新增運行能耗主要集中在進氣冷卻系統(tǒng)中的溴化鋰制冷機、冷水泵和冷卻水泵的功率，預計在進氣冷卻時新增運行能耗300 kW。

改造所需的主要設備投資估算為1 800萬元，在進氣冷卻時額定新增耗電量預計為300 kW。

2 基本負荷下進氣冷卻對機組熱力性能的影響及分析

2.1 大氣溫度對機組熱力性能的影響

在壓氣機轉(zhuǎn)速和體積流量不變時，忽略大氣溫度對氣流馬赫數(shù)的影響，近似認為外界對1 kg空氣的絕熱壓縮功Δhs不變，計算公式[10]如下：

(1)

式中:γ為絕熱指數(shù)；R為氣體常數(shù)，J/(kg·K)；Ta為大氣溫度，K；π為壓比。

隨著大氣溫度升高，進氣密度減小,壓氣機進氣質(zhì)量流量qm減少，壓氣機壓比π和聯(lián)合循環(huán)的發(fā)電功率降低,故在高溫下，可以通過降低機組進氣溫度來提高聯(lián)合循環(huán)機組基本負荷下的發(fā)電功率。經(jīng)計算,不同大氣溫度下的性能參數(shù)見表3。

表3 不同大氣溫度下的性能參數(shù)

大氣溫度對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率的影響見圖3。由圖3可知，隨著大氣溫度升高，壓比降低導致燃機發(fā)電效率降低，透平排氣溫度升高使得汽輪機發(fā)電效率略有升高，而總的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率降低。

圖3 發(fā)電效率隨大氣溫度的變化

2.2 進氣冷卻對機組熱力性能的影響

大氣溫度Ta分別設定為25 ℃、30 ℃、35 ℃和40 ℃，壓氣機進氣通過水-空氣換熱器后，其溫度降低10 K。進氣冷卻后，qm、π及透平排氣溫度Tet的變化見表4，對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電功率的影響見圖4。計算結(jié)果表明，通過降低壓氣機進氣溫度可以提高聯(lián)合循環(huán)機組在基本負荷下的進氣質(zhì)量流量、壓比及發(fā)電功率，其中發(fā)電功率升高了4.73%～6.10%，且大氣溫度越高時采用進氣冷卻的效果越明顯。

表4 進氣冷卻后性能參數(shù)的變化

圖4 進氣冷卻對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電功率的影響

進氣冷卻對發(fā)電效率的影響見表5。由表5可知，在燃機基本負荷下進氣冷卻提高了壓氣機的壓比，燃機發(fā)電效率提高。同時,由于進氣冷卻降低了透平排氣溫度并且從余熱鍋爐低壓蒸發(fā)器抽汽用于驅(qū)動溴化鋰制冷機，汽輪機發(fā)電效率降低。綜合兩者，同時考慮到溴化鋰制冷機的耗電量，改造后機組聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率略有降低，降低了0.20%～0.28%。

表5 進氣冷卻對發(fā)電效率的影響

3 部分負荷下進氣加熱對機組熱力性能的影響及分析

燃機負荷率的定義[11]為：

kp=W2/Wmax

(2)

式中：kp為燃機負荷率,%；W2為燃機實際發(fā)電功率，MW；Wmax為燃機在當前進氣溫度下的最大發(fā)電功率，MW。

當聯(lián)合循環(huán)機組的發(fā)電功率為定值，進氣溫度升高時，燃機實際發(fā)電功率W2降低，但是由于進氣溫度升高后燃機的最大發(fā)電功率Wmax降低幅度更大，導致燃機負荷率上升(見表6)。分別選取進氣加熱前的燃機負荷率為50%、75%和86%，當進氣溫度由15 ℃提高到35 ℃時，在相同的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電功率下，燃機負荷率提高8%～14%。

表6 進氣溫度由15 ℃提高到35 ℃時負荷率的對比

在進氣溫度為15 ℃、燃機負荷率為86%時，進氣溫度升高20 K，聯(lián)合循環(huán)機組負荷不變時燃機負荷率剛好達到100%，對于不同的大氣溫度，進氣溫度升高20 K后,燃機負荷率達到100%時的相關參數(shù)見表7。在大氣溫度較高，進氣加熱時進氣溫度升高的幅度不宜過大，否則會降低聯(lián)合循環(huán)發(fā)電功率，可以通過減少加熱水的質(zhì)量流量來控制進氣溫度的升高幅度。

表7 燃機達到100%負荷率時的相關參數(shù)

進氣加熱對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率的影響見圖5。由圖5可知,在不同的燃機負荷率下(50%、75%、86%)，通過進氣加熱使進氣溫度提高20 K后，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率提高0.88%左右。

聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率提升的原因主要有以下2點：第一是因為進氣吸收了鍋爐排煙的廢熱能量，這部分能量又進入聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)做功，如表8所示，由空氣攜帶進入壓氣機的能量升高，機組所需的燃料減少；第二是由于進氣溫度提高后，燃機負荷率上升，燃機的發(fā)電效率可以進一步升高(見圖6)。

對于連續(xù)部分負荷下運行的燃機，進氣加熱除了能提高燃機的發(fā)電效率外，還能防止壓氣機進氣結(jié)冰，提高預混燃燒的范圍，從而降低污染物排放。

圖5 進氣加熱對聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率的影響

表8 燃機負荷率為50%時燃料能量和進氣能量

圖6 進氣加熱對燃機發(fā)電效率的影響

4 結(jié) 論

(1) 根據(jù)所提出的基于進氣溫度調(diào)節(jié)的綜合優(yōu)化方案，可以綜合當前的大氣溫度、機組負荷以及運行目標對進氣溫度進行冷卻或加熱調(diào)節(jié)。

(2) 進氣冷卻可有效提升聯(lián)合循環(huán)機組基本負荷下的發(fā)電功率。通過降低壓氣機進氣溫度，基本負荷下聯(lián)合循環(huán)發(fā)電功率升高4.73%～6.10%，且大氣溫度越高時采用進氣冷卻提高聯(lián)合循環(huán)發(fā)電功率的效果越明顯，而聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率略有降低，降低了0.20%～0.28%。

(3) 進氣加熱可有效提高部分負荷下聯(lián)合循環(huán)機組的經(jīng)濟性。在不同的燃機負荷率下(50%、75%、86%)，通過吸收余熱鍋爐煙氣廢熱，進氣溫度由15 ℃升高到35 ℃時，在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電功率不變的情況下，燃機負荷率上升8%～14%，聯(lián)合循環(huán)發(fā)電效率提高0.88%左右。

(4) 本文綜合優(yōu)化方案的具體實施以及詳細技術方案應該根據(jù)機組實際運行參數(shù)、現(xiàn)場安裝空間來制定，技術方案需解決余熱鍋爐尾部煙道煙氣-水換熱器選型設計、水-空氣換熱器選型設計和鍋爐鋼結(jié)構(gòu)校核等重難點問題。