摘"要"燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的運行性能容易受到環(huán)境溫度的影響，使得機組在電力負荷需求高峰期面臨出力不足的問題. 為了解決這一問題，基于EBSILON軟件，對耦合溴化鋰制冷機組的SGT5-4000F型燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)進行仿真建模，并將冷卻裝置加裝到壓氣機入口處，模擬分析進氣溫度對聯(lián)合循環(huán)輸出功率和循環(huán)效率的影響規(guī)律. 研究表明：通過改變壓氣機進氣溫度可知降低進氣溫度可使得聯(lián)合循環(huán)發(fā)電功率提高4.73%-6.10%. 在溫度較高的夏季工況，在燃氣輪機的壓氣機進氣口處加裝進氣冷卻裝置可以提高機組的性能，并且溫度越高，聯(lián)合循環(huán)輸出功率提高的效果更好.

關鍵詞"燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán);進氣冷卻;溴化鋰吸收式制冷;發(fā)電效率;EBSILON

中圖分類號"TK47""文獻標識碼"A

0"引"言

最近幾年，人們越來越重視環(huán)境問題，節(jié)能減排的需求也越來越迫切[1]，天然氣作為一種極具發(fā)展前景的新型能源，具有低排放、高效率等特點. 燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是一個由燃氣輪機循環(huán)和蒸汽輪機循環(huán)結合而成的綜合發(fā)電系統(tǒng)，具有熱效率較高、啟動快、調(diào)峰能力強、減少污染等優(yōu)點[2].

但是在夏天，隨著進入壓氣機空氣入口的溫度提高，其輸出電功率明顯下降. 這一時期，一般是由空調(diào)系統(tǒng)引起的電能需求高峰. 為此，許多學者針對該問題開展了相關的研究，并采用多種模擬軟件對該系統(tǒng)進行了模擬計算.

黃巖[3]對200 MW燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組建模，通過建模仿真分析了進氣溫度變化對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響. 在壓氣機進氣口加裝進氣冷卻裝置，發(fā)現(xiàn)進氣冷卻技術能夠提升聯(lián)合循環(huán)機組的效率，但同時會增加機組的熱耗率，進而降低機組的發(fā)電經(jīng)濟性. 張楊林子等[4]建立了一套基于EBSILON的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學模型，并在不同的壓力入口條件下對其進行了數(shù)值模擬，由EBSILON的模擬結果可知，在較低的環(huán)境溫度下，或較低的相對濕度下，機組的熱效率較高. 因此，在夏季高溫條件下，在燃氣透平的壓氣機入口安裝進氣冷卻器，可有效改善其工作特性. 在相對濕度較大的南方地區(qū)，我們可以選擇增加進氣防雨霧篩網(wǎng)，或是采用進氣干燥措施，這些都可以有效地提高燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的系統(tǒng)性能，從而確保機組高效、可靠地工作. 張高強等[5]采用Aspen Plus軟件建立了PG9171E燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學模型，并在此基礎上進行了汽水系統(tǒng)分段的熱力平衡計算. 對于裝有進氣冷卻器的壓氣機來說，入口溫度每降低10 ℃左右，燃機端的輸出功率將提高約9%，消耗的熱量也會增加大約6%，同時余熱鍋爐的進氣流量也會增加大約3.6%. 結果表明，余熱鍋爐的排煙溫度升高15 ℃左右，其效率降低約3%. 在安裝進氣冷卻裝置之后，可以調(diào)節(jié)余熱鍋爐的給水流量，以提高主蒸汽流量. 保持余熱鍋爐的效率在設計工況下，那么隨著進氣溫度的下降，聯(lián)合循環(huán)出力的增幅也會隨之增加，每下降10 ℃，功率輸出就會增加2.1 MW左右. Dawoud. B等[6]根據(jù)阿曼的數(shù)據(jù)分析得出，吸收式制冷與蒸發(fā)式制冷相比較，吸收式制冷可使得燃氣輪機循環(huán)提高大約20%的輸出功. Ameri和Hejazi[7]研究得出在Chabahar GT發(fā)電廠使用吸收式制冷可以提高其功率輸出，功率輸出增加了約11%. Sanaye等[8]還研究了簡單循環(huán)燃氣輪機發(fā)電廠中吸收制冷將進氣溫度從48 ℃降至15 ℃的效果. 根據(jù)他們的研究可知，燃氣輪機發(fā)電廠的功率輸出提高了25.34%. Boonnasa等[9]使用吸收式制冷來提高聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機發(fā)電站的性能. 簡單循環(huán)的功率輸出增加了約10%，聯(lián)合循環(huán)燃氣輪機發(fā)電廠的功率輸出提高了6%.

現(xiàn)在常運用的冷卻技術是在余熱鍋爐尾部加裝蒸汽發(fā)生器，用來對驅(qū)動溴化鋰制冷機的蒸汽進行加熱的新系統(tǒng)，這就等于是多利用了原系統(tǒng)的一部分廢熱. 然而，隨著聯(lián)合循環(huán)機組參數(shù)的不斷提高，余熱鍋爐尾部可利用的熱能在不斷下降，如果繼續(xù)降低出口參數(shù)，將會低于煙氣酸露點，進而發(fā)生腐蝕余熱鍋爐煙道的情況. 因此，本文將進氣冷卻裝置加裝到壓氣機入口并基于EBSILON軟件，模擬研究降低壓氣機進氣溫度對聯(lián)合循環(huán)性能的影響.

1"系統(tǒng)介紹

1.1"燃氣輪機組基本參數(shù)

本文選定SGT5-4000F型燃氣輪機組作為聯(lián)合循環(huán)的一部分，機組設計參數(shù)見表1.

SGT5-4000F型燃氣輪機可以適應多種燃料;在超過40%負荷的情況下，仍能維持較低的NOx及CO排放量;在燃料閥門與壓氣機入口可旋轉(zhuǎn)的導葉同步工作時，可旋轉(zhuǎn)葉片迅速工作，負荷反應迅速，因此更適合應用于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組.

1.2"余熱鍋爐及蒸汽輪機組基本參數(shù)

聯(lián)合循環(huán)配置的底循環(huán)余熱鍋爐采用三壓、再熱無補燃的自然循環(huán)鍋爐（如圖1），余熱鍋爐和汽輪機的設計參數(shù)如表2.

1.3"模型建立

本文以熱力系統(tǒng)分析為基礎，首先基于EBSILON建立了以SGT5-4000F型重型燃氣輪機為聯(lián)合循環(huán)頂循環(huán)，以三壓、再熱、無補燃的自然循環(huán)鍋爐為底循環(huán)的模型（如圖2）

然后對該系統(tǒng)進行模擬計算，驗證壓氣機進氣溫度對燃氣- 蒸汽聯(lián)合循環(huán)效率的影響，計算用的模型參數(shù)值來源于機組設計規(guī)范書. 最后，基于EBSILON軟件對加裝進氣冷卻裝置后的燃氣- 蒸汽聯(lián)合循環(huán)模型進行仿真，分析加裝進氣冷卻裝置后循環(huán)機組發(fā)電效率以及輸出功率的變化規(guī)律.

2"進氣溫度對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的影響

2.1"燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的數(shù)學模型

由相關知識可以推出壓氣機的耗功為Ny：

[Ny=MacpaT1（ε """"""-1）][][]（1）

式中：cpa-空氣定壓比熱;Ma-壓氣機入口空氣流量;ε-壓氣機的壓比;ηy-壓氣機的效率;ka-空氣的絕熱指數(shù).

燃氣透平輸出功率為Nt：

[Nt=Mr cprT3][[1-δ][-

]][ηt]（2）

式中：Mr-燃氣的質(zhì)量流量;cpr-燃氣的定壓熱容;δ-燃氣輪機的膨脹比;kr-燃氣的絕熱指數(shù);ηt-燃氣輪機效率;ε-壓氣機的壓比;ηy-壓氣機的效率;ka-空氣的絕熱指數(shù).

蒸汽輪機的輸出功率Nst的計算式為：

Nst=[MH（hH-hst）+ML s（hL-hst）]ηi（3）

式中：MH-高壓蒸汽流量;ML s-低壓蒸汽流量;hH-汽輪機進口高壓蒸汽焓值;hL-低壓蒸汽焓值;hst-汽輪機出口蒸汽焓值;ηi-汽輪機相對內(nèi)效率.

燃氣-蒸汽循環(huán)機組的總功率N為：

N=Nt+Ns t-Ny-Nz l（4）

式中：Nz l-制冷機組消耗的功.

燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的效率η為：

η=（5）

式中：N-循環(huán)機組的功率;ηB-燃燒室效率;Qd-燃氣的低位發(fā)熱量;Mf -燃燒室燃料的質(zhì)量流量.

2.2"工況模擬

進氣溫度是影響燃氣輪機性能的重要參數(shù)之一，通過在空氣不同濕度下對機組性能進行模擬，發(fā)現(xiàn)空氣濕度在20%～80%大范圍變化時，機組的輸出功率在0.2%以內(nèi). 這是因為在環(huán)境溫度為30 ℃、相對濕度為60%的設計工況下，水分含量僅有0.64%[10]，因此濕度比的變化對發(fā)電廠功率輸出的影響可以忽略不計. 模擬聯(lián)合循環(huán)機組進氣壓力設定為101.3 kPa，本文分別對進氣溫度5 ℃，10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃，40 ℃的8個運行工況進行仿真，通過仿真得到了聯(lián)合循環(huán)機組不同進氣溫度下的性能參數(shù)（見表3及圖3）.

2.3"參數(shù)分析

根據(jù)表3中的運行數(shù)據(jù)結合圖3進行分析. 可以看出，隨著進氣溫度從5 ℃上升到40 ℃，聯(lián)合循環(huán)效率基本維持在57%上下，略有浮動，但是聯(lián)合循環(huán)輸出功率下降了39.363 MW，汽輪機輸出功率相對較為穩(wěn)定. 由此可知，聯(lián)合循環(huán)機組輸出功率主要由燃氣輪機的性能決定，降低進氣溫度可以極大地提升燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的出力. 造成這種現(xiàn)象的原因有兩點：（1） 燃氣輪機是一種定容量的發(fā)動機，它的輸出量與進氣量成比例[11-12]. 隨著環(huán)境溫度的上升，大氣密度值的降低，使得進入壓氣機及燃氣輪機的空氣量減少，燃氣輪機的輸出功率降低. （2） 隨著環(huán)境溫度的上升，壓氣機壓縮比下降，燃氣渦輪作功量下降，壓氣機耗功增加，從而導致渦輪輸出功率下降.

3"進氣冷卻裝置對聯(lián)合循環(huán)機組性能的影響

3.1"進氣冷卻裝置的選擇

目前，國內(nèi)外普遍采用的兩種進氣冷卻方式是噴霧蒸發(fā)冷卻方式和溴化鋰吸收制冷方式.

噴霧蒸發(fā)冷卻過程：在燃氣輪機的進氣口上設置一定數(shù)量的噴嘴順向噴水，也可以在進氣道的尾部設置一定數(shù)量的噴嘴反向噴水. 將除鹽的冷卻水通過系統(tǒng)內(nèi)的增壓泵輸送到噴嘴陣列，在噴嘴陣列中進行霧化后，再將其噴灑到空氣中，由于經(jīng)過霧化的水與空氣接觸的表面積快速增加，所以蒸發(fā)冷卻的效果也增強，同時可以將空氣加濕到飽和點，此時空氣溫度冷卻到最低. 噴霧式冷卻技術具有前期投資少，易于安裝，運行、維護費用低的優(yōu)點[13].

吸收式制冷能夠通過低位熱能實現(xiàn)制冷. 以燃氣輪機排氣余熱為動力，不僅可以實現(xiàn)余熱的回收，而且可以提高燃機的效率，可以最大限度地利用燃機的余熱來實現(xiàn)制冷目的，使得吸收式制冷裝置能減少整個機組在運行時的成本. 研究表明該制冷系統(tǒng)在制冷負荷變動幅度為20%-100%的時候，運行效率相對較高，此特點決定了吸收式制冷系統(tǒng)適合應用于氣溫差異相對較大的地方，并且吸收式制冷機具有需要能量較少的優(yōu)點[14].

兩種制冷方式均可提高耦合循環(huán)的功率與效率. 雖然噴霧冷卻技術裝置簡單、初期投資低，但效果受空氣相對濕度的影響，當空氣的相對濕度增加時，其冷卻效果將會降低. 在空氣相對濕度高的南方地區(qū)，采用溴化鋰吸收型制冷效果更佳[15].

溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)主要包括：發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、泵、節(jié)流閥、換熱器等[16].

3.2"進氣冷卻系統(tǒng)對聯(lián)合循環(huán)出力的影響

本文將進氣冷卻裝置布置在了壓氣機進氣通道外部，這樣可以使換熱器迎風面積增大，從而減小換熱器的壓降. 在圖2所示模型的基礎上，基于EBSILON熱力仿真平臺建立了增設吸收式制冷系統(tǒng)的燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組熱力性能仿真模型（如圖4），仿真結果見表4及圖5、圖6所示.

結合表4、圖5和圖6可知，加裝進氣冷卻裝置以后，在進氣溫度分別為20 ℃、30 ℃、40 ℃時，燃氣輪機輸出功率分別增加：0.045 MW、0.455 MW、1.166 MW，聯(lián)合循環(huán)輸出功率分別增加：0.358 MW、0.678 MW、1.178 MW. 由此可以看出在燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)中，在壓氣機前加裝進氣冷卻裝置可以使燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)中燃氣輪機輸出功率和聯(lián)合循環(huán)輸出功率有所提高，并且在圖5、圖6中可以明顯看出進氣溫度越高，進氣冷卻裝置使燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)中燃氣輪機輸出功率和聯(lián)合循環(huán)輸出功率提高的效果越明顯. 由于本文在EBSILON軟件對燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組建模時未考慮進氣冷卻系統(tǒng)耗功的影響，導致模擬結果比實際運行時的聯(lián)合循環(huán)效率和聯(lián)合循環(huán)功率略大，從而聯(lián)合循環(huán)效率以及功率會隨著進氣溫度的降低升高的較為緩慢.

由于不同區(qū)域上網(wǎng)電價和天然氣氣價都不同，所以不同區(qū)域能否進行進氣冷卻裝置的改造還需要綜合考慮當?shù)氐纳暇W(wǎng)電價、天然氣氣價和收益條件[17].

4"總"結

本文基于EBSILON熱力仿真平臺利用模塊化建模的方法，建立了燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組各部分以及進氣冷卻系統(tǒng)的數(shù)學模型，在進氣溫度從5 ℃提升至40 ℃時，模擬了聯(lián)合循環(huán)的功率、效率及燃氣輪機輸出功率的變化，得到了壓氣機進氣溫度對聯(lián)合循環(huán)機組效率以及功率的影響，驗證了進氣冷卻裝置對聯(lián)合循環(huán)機組效率的影響，主要結論如下：

（1） 在聯(lián)合循環(huán)機組未加裝進氣冷卻裝置時，壓氣機進氣溫度由5 ℃上升至40 ℃，聯(lián)合循環(huán)效率基本維持在57%上下略有浮動，但是聯(lián)合循環(huán)輸出功率下降了39.363 MW，汽輪機輸出功率相對較為穩(wěn)定，表明聯(lián)合循環(huán)機組出力的波動主要是由燃氣輪機引起的，且壓氣機進氣溫度是影響燃氣輪機性能的重要參數(shù)，降低壓氣機進氣溫度可以大幅度提升燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組的出力.

（2） 對比加裝進氣冷卻裝置前后的聯(lián)合循環(huán)機組性能參數(shù)，可知在燃氣輪機前加裝進氣冷卻裝置可提高聯(lián)合循環(huán)中燃氣輪機輸出功率和聯(lián)合循環(huán)輸出功率，并且進氣溫度越高，功率提高的效果越明顯.

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Performance Analysis of Gas-Steam Combined Cycle

With Coupled Lithium Bromide Refrigeration Unit

LIU Yufei， LU Xuxiang， FAN Runyu， GUO Jingqi， ZHANG Bo

（1. College of Energy and Power Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， Hunan， China;

2. Hunan Vocational College of Science and Technology， Changsha 410004， Hunan， China）

Abstract "The gas-steam combined cycle unit"，s performance is vulnerable to changes in ambient temperature， resulting in a lack of output when the electric load is at its peak. To address this issue， EBSILON software is used to simulate the SGT5-4000F gas-steam combined cycle in conjunction with the lithium bromide refrigeration unit. The cooling device is placed in the pressurizer"，s inlet to assess the effect of the inlet temperature on the combined cycle output power and cycle efficiency. The research indicates that altering the compressor"，s inlet temperature can result in a 4.73%-6.10% increase in the total cycle power. By incorporating an inlet cooling device into the compressor inlet of the gas turbine during the summer working season， one can enhance the unit"，s performance. As the temperature rises， the collective cycle output power experiences a significant boost.

Keywords "gas-steam combined cycle; intake air cooling; lithium bromide absorption refrigeration; power generation efficiency; EBSILON