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。