压气机进气温度对联合循环机组性能影响的探讨

压气机进气温度对联合循环机组性能影响的探讨
孙衍锋;姚挺生
【摘要】通过热力学模型分析和热力系统平衡计算,研究了9F级燃气轮机压气机进气温度变化对燃气轮机及联合循环发电机输出功率及效率的影响,压气机进气温度变化不仅对燃气轮机联合循环机组满负荷时的性能有影响,在部分负荷运行时对机组的效率也有影响.通过对压气机进气温度进行调节,可以改善燃气轮机联合循环的运行性能.%Through analyzing on thermal dynamic model and calculating on balance of heat system, it researches the influence of temperature changes of the compressor of the 9F class gas turbine on gas turbine and the CCPP related generator output and efficiency.It shows that the changes of intake gas temperatures of the compressor not only impact on the performance of the CCPP unit at its full load, but also impact on the performance at its partial load.Operation performances of the gas turbine CCPP unit can be enhanced through adjusting the intake gas temperatures of compressor.
【期刊名称】《燃气轮机技术》
【年(卷),期】2017(030)001
【总页数】4页(P53-56)
【关键词】燃气轮机;进气温度调节;机组性能
【作者】孙衍锋;姚挺生
【作者单位】珠海市钰海电力有限公司,广东珠海 519055;珠海市钰海电力有限公司,广东珠海 519055
【正文语种】中文
【中图分类】TK477
以往分析压气机进气温度变化对燃气轮机及联合循环出力及效率的影响时，主要着眼于机组在满负荷运行工况下，机组达到最大出力和最高效率的情况进行研究，对于部分负荷工况下压气机进气温度变化对机组效率的影响往往被忽略。

这主要因为项目从可行性研究开始，就以机组的利用小时开展相关经济分析，以及燃气轮机部分负荷工况下始终属于动态过程控制，工作状况复杂，不易进行定量研究。

本文主要研究了燃气轮机压气机进气温度变化对联合循环发电机输出功率和效率的影响。

燃气轮机是一种定容式动力机械, 机组在压气机进气可转导叶IGV全开、满负荷运行时，影响燃气轮机系统性能的主要参数有: 压气机进气温度、空气相对湿度、环境大气压力、进出口压力损失以及负荷率[1]。

燃气轮机的进出口压力损失主要与实际安装条件有关，对于已经安装好的机组，相同工况下，燃气轮机的进出口压力损失是固定不变的。

常规条件下，同一地区的相对湿度变化对燃气轮机性能的影响较小，所以在工程计算中可不予考虑。

而压气机进气温度的变化对燃气轮机的出力及效率影响比较明显，压气机进气温度升高, 空气密度下降, 空气的质量流量减小, 相应供给的燃料按比例下降，导致燃气轮机输出功率降低,效率下降。

因此，通过对压气机进气进行预冷来增加空气的质量流量, 从而提高燃气轮机的功率输出，改善机组运行的经济性。

压气机进气温度和机组性能之间的关系见图1所示。

根据上海电气提供的AE94.3A的热力系统平衡图，环境温度分别为2.2 ℃、15.0 ℃、22.5 ℃、26.0 ℃、30.2 ℃、38.7 ℃时，机组对应的主要性能参数如表1所示[2]。

从表1中可以看出，在满负荷工况下，压气机进气温度为15 ℃时，联合循环机组的热效率最高，随着压气机进气温度降低，发电机输出功率增大，效率有所下降。

而压气机进气温度大于15 ℃时，随着压气机进气温度的上升，机组的出力和效率都有所下降。

燃气轮机在部分负荷运行时，通过调节压气机进气可转导叶IGV的开度，改变压
气机进气流量，保持燃气轮机的透平前温度为较高温度，保证燃气轮机的运行效率。

压气机进气可转导叶IGV开度由燃气轮机排气平均温度、压气机排气压力和压气
机进口温度的函数进行控制，这些参数与机组的负荷相互影响。

IGV的调节范围在设定的最小运行角度和最大运行角度之间，调节范围对应的燃气轮机负荷在60%～95%额定运行负荷之间，不同的机组或机型的调节角度与所对应的负荷不
完全相同。

2.1 采用进气加热时各参数变化情况
为了深入研究部分负荷下压气机进气温度对燃气轮机及联合循环性能的影响，钰海电力委托主机厂以进气温度调节对燃气轮机及联合循环性能的影响进行数学建模分析，利用热力系统平衡计算软件IESpro(上海电气)和软件gatecycle(GE公司)进行热力系统平衡计算。

以钰海项目的性能保证工况(珠海地区全年平均气候条件为大气温度22.5℃，大气压力100.73 kPa，相对湿度79%)为条件，选择某F级燃气轮机为研究对象，当
燃气轮机带70%的额定负荷(194.477 MW)运行时，燃气净比能为46 155 kJ/kg, 燃料温度204℃ ,计算结果如表2所示[3]。

从表2可以看出，发电机输出功率维持在194.477 MW部分额定负荷不变时，通过将22.5 ℃的压气机进气加热到40.0 ℃，压气机的进气可转导叶IGV开度由62°开大至71.3°，所消耗的热耗量和热耗率比22.5 ℃时下降了0.3%，排烟气量和焓
值分别增加了2.1%和2.0%，焓值增加见图2所示。

增加的烟气焓值经余热锅炉吸收后，可用于加热压气机进气及汽轮机做功，进一步提高部分负荷运行时联合循环的效率。

这时燃气轮机的负荷仍然维持在194.477 MW，是压气机进气温度为22.5 ℃时对应额定负荷的70%，是压气机进气温度为40.0 ℃时对应额定负荷的85%，燃气轮机负荷率提高了15%。

由以上分析可见，采用进气加热后，燃气轮机的负荷率升高，排烟气量和焓值增加，燃气轮机及联合循环的效率得到提升。

进气加热的热源取自余热锅炉低压省煤器的热水，因此，运行时余热锅炉排烟温度的变化跟压气机进气加热温度的提升值有关。

压气机进气加热温度提升越高，需要从低压省煤器抽取的热水量越多，低压省煤器的换热量就越大，余热回收率更高，排向大气的废热减少。

因此，进气加热系统相当于低品位余热回收的"回热"循环系统，有助于改善机组部分负荷时的联合循环效率。

2.2 参数变化对联合循环效率的影响
根据建模分析，在钰海项目性能保证工况的条件下，联合循环效率随燃气轮机负荷率变化而变化，即联合循环效率会随燃气轮机负荷率的升高而升高，见图3所示[4]。

因此，在实际运行中，应尽量减少燃气轮机在低负荷运行。

为研究方便，分别选取钰海项目所在地温度为15.0 ℃和38.7 ℃作为压气机进气的初始温度，采用加热压气机进气逐渐提高进气温度，通过建模分析温度上升对联合循环效率的影响，得到的温度变化对联合循环效率的影响的关系曲线如图4和图5所示[3]。

部分负荷时压气机初始进气温度越低，采用进气加热对机组的效率提升越明显(见图4和图5)，但当进气温度升至50 ℃时，机组效率的提升将出现拐点(见图5所示)。

如图6所示，在性能保证工况时，燃气轮机负荷分别为70%和60%额定负荷，设定发电机输出功率不变，采用加热提升压气机进气温度，使进气温度从22.5 ℃升
高到50 ℃，70 %额定负荷时联合循环效率提高了约0.86 %，60 %额定负荷时效率提高约0.94 %。

经研究发现，机组运行在IGV最小运行角度及最大运行角度之间时，负荷越低，投运进气加热后机组的效率提升更为明显[4]。

燃烧过程中生成的氮氧化物(NOx)主要可分为燃料NOx和热力NOx两种类型。

燃料NOx的数量主要是由燃料中氮氧化物的含量来决定的，在燃烧过程中无法控制。

热力NOx是空气中的氮气和氧气在高温条件下化合的结果，其主要成分是
NO (占其中的90%～95%)。

热力NOx的生成率与温度的关系十分密切，在燃烧室温度小于1 600 ℃时，热力NOx的生成率是很低的，但是在1 650 ℃以上，
特别是1 700 ℃以上时，其生成率会大幅提高，且随着温度的上升越来越高[5]。

部分负荷时利用压气机进气加热提高燃气轮机运行的负荷率，配合进气可转导叶调节，可改善燃气轮机低负荷时的污染物排放，拓宽燃烧稳定的低负荷限定范围。

对于燃烧器上设计有值班喷嘴运行的燃气轮机，满负荷运行时，尽管燃气轮机的燃烧模式基本上为预混燃烧，但作为值班火焰的扩散燃烧依然维持在最小运行阀位。

当负荷降低时，预混燃烧控制阀关小，空燃比系数加大。

为维持燃烧的稳定性，扩散燃烧的值班气控制阀开大，火焰温度升高，高温的火焰面积增大，提高了NOx
等燃烧污染物生成的机会。

以实际运行的东方三菱M701F4燃气轮机为例，当机
组并网，燃气轮机负荷为15 MW时，各喷嘴流量控制阀开度为：值班气开度57.37%，主A开度25.34%，主B开度27.44%，顶环开度为15.57%，氮氧化物排放量为67.3 mg/m3；当燃气轮机带满负荷272.69 MW时，各喷嘴流量控制
阀开度为：值班气开度33.58%，主A开度49.94%，主B开度52.05%，顶环开度为47.43%，氮氧化物排放量为38mg/m3。

当机组部分负荷时，采用压气机进气加热方式，提高联合循环运行的负荷率，尽可能维持扩散燃烧模式的值班气控制阀在最小阀位运行，降低高温的火焰的燃烧面积。

如通过加热压气机进气并配合进气可转导叶调节，进一步减少空气质量流量，维持
相对恒定的空燃比，将避免大空气流量对燃烧组织的影响，维持燃烧火焰的稳定性，对减少扩散燃烧的比例和NOx污染物生成有所帮助。

通过对各机型长期的跟踪调研发现，值班火焰对燃烧污染物的排放的影响较大。

在机组满负荷运行时，燃烧器设计有值班火焰的西门子和东方三菱F级燃气轮机，
其燃烧污染物排放浓度达到40 mg/m3左右，而燃烧器没有设计值班火焰的GE F 级燃气轮机，其燃烧污染物排放浓度都可以控制在30mg/m3以下长期运行。

通过研究压气机进气温度变化对联合循环机组性能影响，表明根据机组的不同运行工况灵活采用进气温度调节技术可以提高燃气轮机及其联合循环的性能，但燃气轮机的出力及效率与外部条件之间并非一一对应，而是极其复杂的关系。

要掌握燃气轮机各负荷率下进气温度变化对燃气轮机及其联合循环效率的影响，需要有条件的专业机构进行大量的定量分析研究。

【相关文献】
[1] 姜周曙，胡亚才，缪盛华.燃气蒸汽联合循环进气冷却系统技术经济分析[J].热力发电,2007，
36(2)：5- 8.
[2] 上海电气.钰海项目AE94.3A热力系统平衡图[R].2015.
[3] GE创新中心.9FB进气温度调节专题报告[R].2015.
[4] 上海电气.钰海项目AE94.3A进气温度调节专题报告[R].2015.
[5] 中国华电集团公司.大型燃气-蒸汽联合循环发电技术丛书(综合分册)[M].北京：中国电力出版社,2009.。