喷雾蒸发冷却技术在燃气轮机上的应用..

喷雾蒸发冷却技术在燃气轮机上的应用
陈仁贵1，赵现如1，赵东海1，蔺志兴1张大中2，闻雪友2，顾简2，许盛凯2 [（1. 塔里木石油指挥部，新疆库尔勒841000； 2. 七O三研究所, 黑龙江哈尔滨150036）]
0 前言
众所周知，大气温度对于燃气轮机的工作性能有很大的影响。

以MARS-100 燃气轮机发电机组为例，15 ℃时机组在塔里木油田轮南现场的出力为9040kW，热耗率为11727 kJ/kW·h，排气温度为485 ℃；当气温升到40 ℃时，机组的出力为7630 kW，热耗率为12314 kJ/kW·h，排气温度为507 ℃。

这就是说，燃机的进气温度升高了25 ℃，机组的出力下降了15.37%，热耗上升了 5%，排气温度升高了22 ℃。

表1 和图1 是MARS-100 燃气轮机发电机组在轮南现场的温度特性。

燃机的这种温度特性常常与人们的需要相违背：大气温度越高，电网的电量需求越大，而燃机的实际出力又越小。

为了提高燃机在高温季节的实际出力，比较有效的办法是降低燃机的进气温度。

这对降低燃机的热耗，延长机组的使用寿命，也是十分有益的。

降低燃机进气温度的方法主要有以下两类：
⑴制冷（压缩式、吸收式）降温法（如无锡华达电厂的AMS 系统）
⑵蒸发冷却法（湿膜、喷水雾化等）（美国Donaldson 公司、AAF 公司产品）以上几种方法都能够有效地降低燃机的进气温度。

但是，对于某些特定的地区、特定的用户，究竟采用哪种进气降温方法最合适，仍有待于进一步研究。

1 两种进气冷却方法比较
1.1 进气冷却的基本原理及设计依据
空气冷却降温的热力计算基础是湿空气的焓-湿图（h-ω图）。

图2 是湿空气在某大气压下的实际焓-湿图。

根据湿空气在降温过程中焓-湿的变化过程，降温方法基本可以分成两大类：一种是依靠冷冻热交换来降温的“等湿冷却法”和“去湿冷却法”。

冷却过程中湿空气从“A”点先沿等湿线垂直向下移动，进行等湿冷却；当达到露点温度t DP 后，若温度继续降低，则工作点沿露点温度线向偏左方向移动，进行去湿冷却，直到设计的温度点，整个过程中焓值都在变化，这类降温方法可以统称为“冷冻换热法”。

无锡华达电厂的AMS 空气系统即属于这一类。

另一种是利用水的自然蒸发来实现空气降温的“蒸发冷却法”。

它是利用水在蒸发过程中吸收空气中的显热来达到空气降温的目的：向空气中不断喷水加湿，水雾会自然蒸发。

随着湿空气相对湿度的提高，湿空气的干球温度会自然下降，当相对湿度达到100%时，这种蒸发降温的过程即自然停止，这时湿空气的干球温度达到或接近湿空气在新的水蒸气压力条件下的露点温度t′DP。

由于整个降温过程是沿湿空气的“等焓线”向下偏右方向移动，所以这种方法被称之为“等焓蒸发冷却法”，简称“蒸发冷却法”。

美国Donalson 公司的Kool 系列湿膜蒸发冷却器就是利用这种原理制成的燃机空气蒸发冷却器。

分析图2，我们不难发现：冷冻换热降温法要消耗一定的外功，但降温幅度较大；蒸发冷却法几乎不消耗外功，但降温幅度小，且降温效果受空气相对湿度的影响较大。

我国西部地区夏季干燥炎热，严重缺水。

以塔里木油田轮南地区为例，夏季气温常常高于40 ℃，相对湿度在10%左右。

塔中、吐鲁番等地的夏季最高气温在50 ℃以上，相对湿度接近0%。

在这种大气条件下采用哪种燃机进气冷却方式最合适？只有通过定量的计算分析，才会有比较准确的认识。

针对轮南燃机电站的具体条件，我们的设计依据是：
⑴3×10.6 MW MARS-100 机组，在t1=20℃时燃机的空气质量流速Gy=130 200 kg（干）/h
⑵设计点A，空气干球温度t a=40 ℃，φ1=10%~60%
⑶降温幅度△t= t a－t1=20 ℃（t1 为燃机入口温度）
⑷当地大气压P b=902×102 Pa
⑸燃机允许携水率：厂商规定1.7gpm（368 kg/h）
1.2 冷冻换热法基本设计参数
当t a =40 ℃，相对湿度分别为10%、30%、60%，t1 分别为40 ℃、30 ℃、20 ℃时各种状态下冷冻换热时湿空气主要热力参数的计算结果如表2 所示。

表2 表明：当P b=902×102 Pa、t a=40 ℃、相对湿度小于30%，t a－t1=20 ℃时，冷冻换热法消耗的总焓H=Gy×△h=130 200 kg/h×（53.5 kJ/kg－33.5 kJ/kg）=130 200 kg/h
×（80 kJ/kg－60 kJ/kg） =260.4×104 kJ/h=733 kW，此时燃机进气不含水。

当t a=40℃、φ1=60%，降温幅度仍为20℃时，冷冻换热法进入去湿冷却过程，冷冻换热消耗的总焓H=130 200 kg/h×（123 kJ/kg－62 kJ/kg）=794.2×104 kJ/h=2 200 kW，此时冷冻换热不仅能耗急剧增加，而且燃机进气携带冷凝水量为2 025 kg/h，是机组允许值的6倍，这是不允许的。

考虑一定的设计余度，每台机组可选取314×104 kJ/h 溴化锂制冷机一台，或两台机组选择628 ×104 kJ/h 溴化锂制冷机一台。

这时需冷却水250～500 m3/h，燃机进气压力损失增加值约250 Pa，功率损失40～45 kW。

但当φ1=60%时，降温幅度只能为10℃左右。

1.3 蒸发冷却法基本设计参数
当P b=902×102 Pa、t a=40℃、相对湿度φ1=10%～40%条件下，蒸发冷却时湿空气主要热力参数的计算结果如表3 所示。

表3表明：当P b=902×102 Pa、t a=40 ℃、φ1=10%，采用蒸发冷却技术，进气湿度φ2 提高至90%～95%时，燃机进气温度可降低21.2～22 ℃，此时耗水1 107～1 146 kg/h，若其他条件不变，φ1=40%时，燃机进气温度可降低11.1～11.6 ℃，此时耗水586～612 kg/h。

安装湿膜式蒸发冷却器后，燃机的进气压力损失增加值约250 Pa，功率损失40～45 kW。

整个进气冷却过程几乎不消耗外功。

2 喷雾蒸发冷却的特点
2.1 喷雾蒸发冷却系统
通过以上计算分析，我们不难发现：在干旱炎热的地区为燃机进气系统选配蒸发冷却器，不仅降温显著，能够明显地提高燃机出力、降低综合能耗，而且投资省、运行维护简单。

但是，目前传统的湿膜式蒸发冷却器体积大，安装空间常常受到限制；进气损失较大，常年影响燃机的部分出力；
同时蒸发效率也较低。

因此我们根据蒸发冷却的基本原理，设计了如图3 所示的喷雾蒸发冷却器。

水以水雾状直接喷入燃机进气道。

在气流的搅动下，一部分水雾直接蒸发，使进气的相对湿度大幅度提高，湿空气的温度随之降低。

同时，有部分水雾由于相互碰撞等原因，又形成较大的水滴。

为避免这部分水滴进入燃机，在水雾进气方向设置一个结构特殊的湿膜式水雾分离器。

水滴经水雾分离器滤除，直接回流到给水系统。

这时，湿空气又经过湿膜的二次蒸发，进气的湿度进一步提高，其干球温度接近露点温度，从而达到蒸发冷却的目的。

2.2 喷雾蒸发冷却技术要解决的技术难题
要达到工程实用的要求，该项技术需解决以下几项技术关键：
⑴、在很短的时间内（小于1 秒）实现水的绝热蒸发，并使进气的相对湿度达到90%以上。

为此，需设计性能优异的喷雾器（喷嘴）。

⑵、根据燃机的功率、进气的温度、湿度和大气压力适时调节喷水量。

要既能最大限度提高进气的相对湿度，又要严格控制进入燃机的含水量。

⑶、严格控制给水的水质，防止燃机叶片结垢。

⑷、喷雾蒸发冷却器的测量、控制、保护系统必须可靠,结构必须合理,以确保燃机的安全。

2.3 喷雾蒸发冷却器的技术特点
⑴、与北京航空航天大学合作，研制成功2.0～2.5 MPa 的中压喷嘴，当供水压力为2.0 MPa
时，单个喷嘴的额定流量是45 kg/h。

⑵、控制系统采用SIMENS S7-200 可编程控制器，可实现由一台可编程控制器分别或同时控制三台机组，画面显示的操作平台使用GP570 触摸屏，重要参数如温度、湿度、给水量等用仪表显示。

整个控制系统具有相当的先进性。

⑶、采用8 t/h 反渗透水处理装置使给水达到或超过燃机厂商规定的给水标准，再经过一台
2 t/h 混床水处理装置可以同时提供燃机叶片清洗的用水。

为了取得一系列工程数据，并确保燃机安全，我们首先针对塔中燃机电站TAURUS-60（ISO：4 750 kW）燃气轮机发电机组，按照进气量1/11.7 的比例，等风速、等进气道长度设计了一套模拟试验装置。

该装置于1999 年5月试验，试验结果如表4 所示。

从表中数据可以看到，试验结果与理论计算结果十分接近。

装于MARS-100 机组的喷雾蒸发冷却器本体及控制屏实物图片见图4、图5。

整套装置于2000 年7月安装完毕。

3 喷雾蒸发冷却器的试验及运行结果
3.1 典型的试验结果
2000 年8 月，我国首台喷雾蒸发冷却器在轮南燃机电站MARS-100 燃气轮机发电机组上进行联试验和商业试运行，典型的试验结果如下：
⑴、在温控线运行时测试结果使MARS-100 燃气轮机发电机组维持在最大输出功率条件下运行（即机组在温控线下运行），测量机组最大输出功率提高值及热效率提高值，结果见表5。

⑵、在等温运行时测试结果
在蒸发冷却器投运前使MARS-100 机组的输出功率固定在6000 kW 左右，这时测量到
t5 温度为683 ℃，然后使蒸发冷却器投运并维持t5 温度在683 ℃左右不变，测量机组输出功率提高值和热效率提高值，结果见表6。

3.2 相对湿度及携水率有关分析
典型的一组试验结果如表7 所示。

比较表1 及表7，我们发现：在t a=t1=40 ℃时，合同规定燃机出力7630 kW，现场实测结果（机组自动计算并显示）为7366 kW，小于合同规定值264 kW；在t1=20 ℃时，合同规定值为8803kW，现场实测结果为8985 kW，高于合同规定值182 kW。

据此：合同规定值大气温度从40 ℃时降到 20 ℃时，机组功率增加15.37%，而实际试验结果是燃机t1 温度从39.7 ℃时降到20.1 ℃时，机组功率增加毛值22.91%，远高于合同规定值。

我们分析产生这种现象的主要原因是：Solar 公司在理论计算燃机现场出力时，空气相对湿度φ1 是按50%，而实际为11.4%，因此进气质量流速相差2 550 kg/h，输出功率由此而降低；同理，当t1 温度降至20.1 ℃，进气的相对湿度升至91.84%，进气质量流速比预计高1300 kg/h 左右，同时，又有226.5 kg/h 的携水进入压气机，在压气机内进一步气化降温。

所有这些，都十分有利于燃机实际出力的提高。

由此可见,在干旱炎热的地区,相对湿度的大幅度变化,对燃机的出力也会有较大的影响。

3.3 喷雾蒸发冷却的降温、升温曲线
燃机在运行中，向燃机进气道喷入水雾，其降温过程曲线如图6 所示。

停止喷水后，其升温过程曲线如图7 所示。

试验结果表明：在向进气道喷水后进气的相对湿度是缓慢上升，进气温度是同步缓慢下降，达到稳定状态需要25～30 分钟；同样，停止喷水后，进气相对湿度是缓慢下降，进气温度是同步缓慢上升，达到稳定状态需要15～20 分钟。

我们认为，这种温度升降特性是有利于燃机平稳运行的，不会因为突然喷水或突然停止喷水而造成燃机许用功率的突然变化。

3.4 机组振动、叶片表面等方面检查
在喷雾蒸发冷却器投运的过程中，我们密切监视机组各级振动的变化情况。

机组振动值的变化仅随输出功率的变化而变化，均在允许值范围内。

我们在分析化验中间水箱回水水质时发现，当喷雾蒸发冷却器投入运行仅一小时左右，中间水箱的给水水质的电导率由4.7 μs/cm 升高到8.9 μs/cm。

电导率的提高显然是来自进气中残留的盐份。

这说明喷雾蒸发冷却器的投运也十分有利于燃机进气的净化。

事后检查压气机、涡轮叶片，所有叶片十分光洁。

4 几种进气冷却方案综合比较及经济效益分析
轮南3×10.6 MW 燃机电站喷雾蒸发冷却器单台设备造价73 万元，参考相关资料，我们将几种进气冷却方案的经济技术指标综合如表8 所示。

以轮南燃机电站为例：经测算，每年在5～9 月期间，若二台喷雾蒸发冷却器每天平均使用8 小时，机组功率增加平均值为15.95%，效率增加平均值为4.07%，年运行840 小时；按照当地电价0.94 元/kW·h，天然气价0.818 元/Nm3 计，年增加电费收入113.1 万元，降低燃料费用40.6 万元，二项合计增收节支153.7 万元，当年即可收回设备投资。

目前我国新疆境内已建有燃气轮机发电机组40台套，随着西气东输项目的启动和西部油田的进一步开发，燃气轮机在我国西部地区必将得到进一步应用。

因此，该项喷雾蒸发冷却技术具有十分广阔的应用前景。

5 结论
理论分析和实践证明，喷雾蒸发冷却技术是一项值得进一步推广应用的新技术。

但是作为任何一项技术，它同样需要不断地完善和提高。

该项技术成果已获得中华人民共和国知识产权局专利，专利号：ZL00207392.7
参考文献：
[1]Irwin Stambler .对进气和压气机气流喷水冷却以增加高温季节电厂的额定功率. 燃气轮机工程技术第11 卷
[2]林枫, 闻雪友,栾坤. 湿空气透平（HAT）循环的研究发展现状. 热能动力工程,1998,13
[3]燃气轮机燃料、空气、水（或整体）技术规范.规范号：ES-98，E 版美国索拉透平公司
[4]C.White，S.Raghu，G.Giannotti，H. Giannotti. Power Boost of Gas Turbine by Inlet Air Cooling IEEE，1996
作者简介：
陈仁贵，高级工程师，塔里木石油指挥部副总指挥
赵现如，工程师，塔里木石油指挥部水电大队副大队长
张大中，高级工程师，703 研究所无锡分所高级工程师
闻雪友，研究员，703 所所长，博导。