燃气轮机进气冷却技术现状及发展趋势

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由此可见,加装进气冷却装置,在夏季尖峰负 荷期间能提高联合循环电站的发电能力,具有较高 的社会效益和经济效益。另外,进气冷却还可减小 NOX 的排放 [3],保持燃气轮机发电的稳定性,减少 机组维护费用。
2 进气冷却技术
目前,进气冷却技术主要有两类:一类是直接 接触制冷,以除去进气显热;另一类是间接接触式
中图分类号:TM611.31 文献标识码:A
1概述
燃气轮机以其体积小、启动速度快等优点,被 认为是最适合用于调峰的机组,但在夏季用电高峰 时段,因温度较高导致机组出力下降,调峰能力大 大削弱。据研究,环境温度升高 1 ℃最大可导致 燃气轮机额定发电能力下降 1% 。 [1]
燃气轮机出力随环境温度升高而下降,主要是 由于燃气轮机是恒体积流量的动力设备, 流过的空 气质量取决于空气密度, 气温越高密度越低, 致使 吸入压气机的空气质量流量减少,机组的作功能力 随之变小。另外,压气机的耗功量随吸入空气的热 力学温度成正比变化, 即大气温度升高时, 压气机 耗功增加,燃气轮机的净出力减小 。 [2]
摘要:对燃气-蒸汽联合循环加装进气冷却装置,可以在夏季高温时期增加机组出力,满足调峰需要。介 绍了几种燃气轮机进气冷却技术,并对其进行比较,提出了一种冷却燃机进气的方法——热管废热利用型 LiBr 吸收式制冷。该方法充分利用了电站低品位热能,使工质传热效率高、设备运行可靠、设备运行及维 护费用低。
关键词:燃气轮机;进气冷却;废热;热管
(1)蒸汽或热水型 LiBr 吸收式制冷 蒸汽或热水型 LiBr 吸收式制冷:利用联合循 环电站中 HRSG 排烟制取蒸汽或热水作为 LiBr 制 冷机的热源,制取冷冻水,用以冷却燃机进口空 气。由于该冷却方式利用的是低品位的热能,可以 充分利用电站余热,且蒸汽或热水型溴化锂吸收式 制冷技术比较成熟,因此发展较快,应用较多。伊 朗 Chabahar 燃气电厂 [11] 安装吸收式制冷系统,年 出力增加约 14 GW h,内部收益率为 23.4%,系 统投资大约 4.2 年可回收。1997 年,我国首台自 行设计生产的燃气轮机进气冷却装置在深圳金岗投 入运行,技术改造的实际投资回报期为 2 年,其生 产过程如图 3 所示。我国浙江金华燃机发电有限公 司 [15] 完全利用低压蒸发器的余热驱动溴冷机,使 进气温度下降 10~12 ℃,燃气轮机功率增加 2 000~2 300 kW。 该系统 需加装两 个表面 式换热 器 (蒸汽发 生 器、空气热交换器)。一方面两个换热器均存在传 热端差,影响到热能的有效利用;另一方面,制冷 设备所用蒸汽或热水由加装于 HRSG 尾部烟道的 加热器提供,若加热器出现故障,如管道腐蚀泄漏 等,则整个冷却系统均须停止运行;而且增加一个 换热设备,也会使整个系统的初投资增加:因此可
联合循环电站 HRSG 的排烟温度一般低于 200℃,故可将分离式热管换热器与单效 LiBr 吸 收式制冷相结合,热管材料选为高性能、长寿命、 低成本的水 碳钢热管。
采用热管废热利用型溴化锂吸收式制冷的优 点:
(1)发生器直接吸收废热,省去了中间换热设 备的费用,而且采用分离热管换热器费用比其他换 热设备低,可节省初投资。
采用冰蓄冷技术最大的优点是利用了夜晚廉价 低谷电,但其系统复杂,初投资和占地面积大,冷 源来自于电力驱动的压缩式制冷机,电耗较大。该 方法既不节电也不节能 [6],适用于峰谷电价差较大 的地区。1992 年,美国 Nebraska 电站为一台最大 功率为 57 MW 的燃气轮机安装了冰蓄冷系统,使 其出力增加 10.1 MW。 2.2.2 LNG 冷能利用
制冷,以除去进气的显热和潜热。 2.1 直接接触式冷却
直接接触制冷是利用水在空气中蒸发吸热来达 到降低空气温度的目的,水不断喷向空气,湿空气 相对湿度不断提高,当相对湿度达到 100%时,蒸 发降温过程停止。其基本生产过程如图 1 所示。直 接接触制冷系统简单,投资少,运行及维护费用 低;但冷度较低,冷却后进气温度只能接近,却永 远也达不到环境湿球温度,受环境湿度及水温影响 较大,一般多用于高温、干燥的地区 [4]。我国新疆 塔里木油田轮南电站 [17] 夏季气温常常超过 40 ℃, 相对湿度在 10%左右,加装了蒸发空冷器后,机 组功率增加,热耗率和排气温度有所下降。
天然气
LNG 乙醇 溶液换热器 LNG
空 冷却后的空气 气
干 燥 乙二醇溶液/ 器 空气换热器
至燃气轮机
空气
图 2 LNG 冷能回收冷却进气
回收 LNG 冷能投资与直接接触式相当,新增 发电容量的单位 kW 投资为 100~150 美元 [8]。印 度 Dabhol 液化天然气/燃气电厂,LNG 接收站和 电厂都由美国安然公司投资,投资回收期不到 2 年。
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电力科学与工程
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冷和废热制冷等几种形式。 2.2.1 冰蓄冷冷却
冰蓄冷冷却是利用冰的潜热蓄能, 在电网低谷 的 16 h 内,利用低价电驱动压缩制冷机制冰储存 冷量;在电网高峰的 8 h 内,制冷装置停运,将储 藏的冷量释放出来,用以冷却压气机进气。这样, 发电机运行一方面可以起到削峰填谷的作用,另一 方面可利用峰谷电的差价获得利润。
(2)热管废热利用型 LiBr 吸收式制冷 热管废热利用型 LiBr 吸收式制冷是通过热管 换热器将烟气中的废热直接传递给 LiBr 制冷机的 发生器,而无须在 HRSG 中加装蒸汽发生器。利 用热管作为烟气余热回收的传热元件,可使溴化锂 机组充分利用余热,且减少发生器体积。 热管是一种新型、高效的传热元件,其导热是 借助于饱和工质的汽化与凝结换热而实现的,相变传 热只需极小的温差,且传递的是潜热,传热强度很 大。从热量数量的传递来看,热管可以比一般固体导 热大几个数量级,其导热能力决非一般导热器件或材 料所能比拟的。研究表明,外径相同的热管和铜棒相 比,热管的传送热量约为铜棒的几百倍 。其工 [18,19] 作过程如图 4 所示。
经初步研究分析,燃气轮机对 LNG 冷能的利 用适用于炎热干燥地区带基本负荷运行的电厂,在 中国北纬 22°以北地区的大型燃气轮机不适合利用 LNG 冷能 。 [9] 2.2.3 压缩式制冷
压缩式制冷以消耗电力为代价获得冷源。这种
制冷方式不受环境影响,系统简单,体积小,占地 少,可以获得较低的制冷温度;但其最大的缺点是 需要消耗电力,尤其是在高峰时段要使用大量高峰 电,削弱了调峰电厂的调峰能力。另外,压缩式制 冷机所使用的 CFC 类工质会对臭氧层产生破坏作 用,影响人类的健康及生存。根据《蒙特利尔议定 书》[10] 有关规定,该类工质即将停止使用。 2.2.4 废热制冷
如上所述,热管换热器在这几个方面都具有独 特的优点,与 LiBr 制冷机结合回收联合循环电站 余热以冷却燃机进口空气,是可行且高效的。
3 结论
采用进气冷却技术可提高燃气轮机性能,且比 新建燃机电站节省投资。进气冷却有多种方式,各 机组可根据当地的气象资料、机组气温特性、燃料
价格、电价、资金情况等,选择适合本机组的冷却 方式。一般,对于资金短缺的电站,若处于炎热干 燥的地区,可考虑采用直接接触式冷却;若条件允 许,优先考虑利用 LNG 冷能;而对于有低品位热 能可以利用的电站,采用废热热管型溴化锂吸收制 冷不失为一种明智的选择,该方式充分利用电厂低 品位热能,热效率高,运行可靠,且运行及维护费 用低。
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图 5 废热热管型溴化锂吸收式制冷原理
件。因热管换热器由各个独立的热管元件组成的, 故即使设备运行时单根热管元件损坏,整个设备仍 可照常运行。
(4)热管废热溴化锂制冷运行费用极低,仅为 一般制冷设备运行费用的 5%左右。
(5)因气侧热阻占主导地位,热管换热器可在 烟气侧加装肋片,以强化传热。
[2] 焦树建. 燃气—蒸汽联合循环 [M]. 北京: 机械工业出版 社,2002.
[3] Yousef S H. Enhancement of performance of gas turbine engines by inletair cooling and cogeneration system [J]. Applied Thermal Engineering, 1996,16 (2): 163-173.
(6)通过大幅度地调整加热段与放热段的面积 比例,即可大幅度地调节加热段壁温,以避开管壁 的低温腐蚀。
能否进一步回收烟气余热,主要考虑到下列因 素 : [18]
(1)回收一定热量的传热面积不要太大,即余 热回收设备不要太庞大。
(2)冷热介质流过余热回收设备的动力消耗不 要太大。
(3)能否避开烟气露点,使余热回收设备有较 好的抗低温腐蚀性能。
第2期
王松岭,等 燃气轮机进气冷却技术现状及发展趋势
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排烟
蒸汽发生器 余热锅炉
燃料
除氧水箱补水
蒸汽 轮机
温度计
燃烧Βιβλιοθήκη Baidu 燃气轮机
压气机
溴化锂制冷机
循环水回冷却塔 冷却塔来循环水
温控排水阀 补水阀
空气热交换器
凝汽器
空气
图 3 深圳金岗 PG6541B 型燃机进气冷却系统
考虑将烟气热量直接传递给制冷设备,而不借助于 蒸汽或热水。

大气
冷空气
压气机
燃气 轮机
发电机
图 1 直接接触式制冷
2.2 间接接触式冷却 间接接触式冷却:冷却介质与空气不直接接
触,通过空气冷却器冷却压气机进口空气。目前主 要方法有冰蓄冷冷却、LNG 冷能利用、压缩式制
收稿日期:2008 12 10. 作者简介:王松岭 (1954 -), 男, 华北电力大学能源与动力工程学院教授.
将低温废热作为驱动热源进行制冷是现阶段众 多学者研究的一个热门课题。在燃气 蒸汽联合循 环电站,余热锅炉尾部烟气蕴含丰富余热,如果有 效利用,则可以大大提高能源利用率。利用废热制 冷一般考虑采用氨 水、溴化锂 水等吸收式制冷 方式。因氨吸收式制冷机的现场安装工艺性强,设 备庞大,造价高,防爆等级要求较高,且即使低浓 度的氨也很有毒性,所以一般考虑采用溴化锂吸收 式制冷技术。废气温度在 350~400 ℃以上选用双 效机组, 350 ℃以下选用单效机组。其应用方式 主要有两种:蒸汽或热水型溴化锂吸收式制冷、热 管废热利用型溴化锂吸收式制冷。
管壳 吸液芯
蒸发段
工质蒸汽 工质液体 图 4 热管工作过程
凝结段
热管换热器有很多种类型。考虑到现场安装位 置的灵活性,用于联合循环电站废热利用型 LiBr 制冷装置,可采用分离式热管换热器,其特点是: 蒸发段和凝结段互相分开,它们之间通过专门的 汽、液导管连通而形成工质的闭合循环回路。热管 内的工作液体在蒸发段被加热变成蒸汽通过汽导管 上升到凝结段,被管外流过的冷流体(溴化锂稀溶 液)冷却而凝结为液体,凝结液沿液导管下降到蒸 发段,继续被加热蒸发。如此不断循环达到传输热 量的目的。废热热管型 LiBr 吸收式制冷原理如图 5 所示。
参考文献:
[1] Mohanty B, aloso Jr G P. Enhangcing Gas Turbine Performance by Intake Air Cooling Using an Absorption Chiller [J]. Heat Recovery Systems & CHP, 1995,15 (1): 41-50.
(2) 考虑到热管的传热极限和热管安装不方 便,热管设计时留足够多余量。热管损坏率在 10% 以下时,对总的传热效果影响不大,所以换热器寿 命很长。
(3)热管仅将余热锅炉烟气的热量传递到发生 器中,制冷机与烟气不直接接触,有效防止了烟气 对主体设备的腐蚀,运行时仅需要定期检修热管元
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电力科学与工程
LNG 被认为是地球上最干净的化石能源,同 时又是一种质量极高的冷能源。LNG 储存的温度 一般为 160 ℃,使用前必须在 LNG 接受站再气 化为天然气,气化过程中会释放大量冷能,由于 LNG 气化温度较低,故用一种易挥发的物质(一 般为乙二醇溶液)作为中间载冷剂,经过两级换热 器,将冷能传递给燃气轮机入口空气。在该过程 中,冷却温度须严格控制在 0 ℃以上,以防止水蒸 汽冻结在冷却器表面。其生产过程 [7] 如图 2 所示。
第 25 卷第 2 期 2009 年 2 月
电力科学与工程 Electric Power Science and Engineering
Vol.25, No.2
Feb., 2009
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燃气轮机进气冷却技术现状及发展趋势
王松岭,张莉娜,张学镭
(华北电力大学 能源与动力工程学院,河北 保定 071003)
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