燃气轮机进气冷却技术分析

燃气轮机进气冷却技术分析

1引言：燃气轮机电站由于具有热效率高、环境性能好、启停快、运行灵活等优点,得到了广泛的应用。燃气轮机的性能与其所处的环境温度密切相关。当环境温度上升时，空气密度较小，由于燃气轮机是定容式动力机械，从而导致流过压气机和透平的质量流量减少，引起燃气轮机的出力下降。透平的出力降低可通过冷却压气机的进气而避免。燃汽轮机的进气冷却时增加其出力的最有效的办法。

Alstom公司某燃气轮机发电机组性能与环境空气温度之间的变化关系见下图。从图中可以得出燃气轮机进气流量及出力与环境空气温度之间的关系式如下:

P（%）=111.172-0.7448T（1）

m（%）=105.466-0.3644T（2）

其中,m为空气的质量流量与

额定工况下的百分比,P为输

出功率和额定工况下的百分

比,T为环境温度(∀)。从式(1)、(2)可以看出燃气轮机输出功率及进气流量与环境温度之间的变化关系。在环境空气温度为5℃时,燃气轮机输出功率为额定出力的107%,而在35℃时只有额定值的85%。燃气轮机性能受环境温度影响较大,而我国燃气轮机电站装机容量的30%集中在常年温度较高的长江三角洲和珠江三角洲地区,高温时段难以发挥燃气轮机及其联合循环电站的调峰性能。燃气轮机出力随进气温度升高而降低的问题可以通过冷却燃气轮机压气机进气来解决。

2.燃气轮机冷却技术

按燃气轮机进气冷却器的结构型式，燃气轮机进气冷却技术分为直接接触式和间接接触式。

2.1直接接触式

直接接触式有水膜式蒸发冷却和喷雾冷却。直接接触式制冷的原理是利用水在空气中蒸发时所吸收的潜热来降低空气温度。当未饱和空气与水接触时,两者之间便会发生传热、传质过程。结果是空气的显热变为水蒸发时所吸收的潜热,从而使其温度降低。理论上可将这一过程近似看做对空气的绝热加湿过程。水膜式蒸发冷却与带填料层的喷水室结构相似,冷却后的相对湿度可达95%,对进气阻力较大。美国唐纳森公司生产的进气蒸发冷却装置,在大气湿度为70%~80%时,可降低空气温度4℃~6℃,在大气湿度较小时,甚至可以降低进气温度8℃以上。每降低1℃,增加出力0.7%。

80年代末国际上首次出现了燃机进气用的雾化式蒸发冷却器。这种冷却器将水高细度雾化后,喷入空气流中,利用水雾化后表面积急剧增大的特点来强化蒸发冷却效果,可以将空气冷却至饱和点附近,具有很高的冷却效率,并且阻力损失小。喷雾滴径一般在2μm~5μm,经过冷却后的空气,其相对湿度达97%~100%。美国Mee喷雾冷却系统应用于5MW~250MW燃气轮机进气冷却,每降低进温度11℃增加出力10%~18%。世界范围内已经有373台燃气轮机应用了此装置,共计多发电2112MW,美国西部电网20台燃气轮机装置通过安装该进气冷却设施,增加出力200MW。直接接触式冷却装置的最大优点是初投资较

少,运行及维护费用较低,但冷度也较低,最多只能冷却到湿球温度附近,受环境湿度影响较大,适合应用于干燥炎热的地区。

2.2间接接触式冷却

间接接触式有压缩制冷冷却,吸收

制冷冷却,蓄冷冷却和液化天然气

(LNG)冷能利用。间接接触式冷却是

在燃气轮机压气机进口处设置一翅

片式表面换热器,空气在管外翅片侧

流动,冷源在管内流动。与常规管翅

式换热器不同,这种换热器要考虑空

气中冷凝水的分离、收集与排放,空气冷却过程见图。在图中,a点表示环境条件,c点表示要把空气冷却到的进气状态。随着空气通过表面式换热器把显热传给冷源,空气的相对湿度增加,空气温度逐渐降低到露点温度(b点)。如果要把空气温度降低到露点温度以下,除了这部分显热外,还需要空气中水蒸汽凝结时的潜热。从b点到c点空气中的水蒸汽开始凝结,使得c点的湿度达到100%(处于饱和状态)。a-b和b-c分别表示显热和潜热。

（1）压缩制冷

压缩制冷采用压缩制冷循环,冷源的获得以消耗机械功(电力)为代价。燃机压气机进气在换热器内被冷却水或吸收剂冷却。系统简单,初投资较低,可以获得较低的制冷温度,但最大的缺点是需要消耗电力,燃机进气冷却多发电的25%~30%要用于驱动该系统，从而削弱了冷

却进气所带来的效益,所以该系统应用较少。

（2）吸收制冷

吸收制冷利用电厂余热驱动制冷机,向燃机进气提供冷源,通过表面式热交换器降低燃机进气温度,达到增加出力提高效率的目的。由于该冷却方式利用的是低品位的热能,且可以充分利用电站余热,因此发展较快应用较多。

吸收制冷根据其结构有单级和双级之分;根据所采用的制冷剂不同分为氨吸收制冷和LiBr吸收制冷两种型式。氨吸收制冷虽然可以获得较低的制冷温度,但设备庞大、占地面积大、造价较高且防爆等级要求较高,所以应用较少。LiBr吸收制冷机组具有运转部件少、结构简单、冷量调节范围广、环境性能好等优点,因此目前应用较多。

（3）蓄冷冷却

蓄冷冷却在本质上也是压缩制冷冷却,蓄冷冷却技术的出现正是基于压缩制冷耗费机械功(电能)的原因发展起来的。其主要是充分利用电网的峰谷差电价,即在电网低谷时期,利用低价电驱动压缩制冷机制冷,把获得的冷量储藏在蓄冷装置中,到电网高峰期,制冷装置停止运行,再把蓄冷装置储藏的冷量释放出来,

用以冷却燃气轮机进气,降低进气温度增加出力提高效率。一方面可以增加低谷期用电量,同时扩大高峰期发电,起到调整电网负荷的作用;而蓄冷用的是低价电,电网高峰期发电是高价电,从中可以取得电的差价利润,达到双重效果。该冷却装置特别适用于峰谷电价差较大的地区,且在蓄冷期间可以全负荷运行,这在一定程度上减小了制冷

设备的投资。

（4）LNG冷能应用

LNG的温度是-160℃,处于超低温状态,使用前必须在LNG接受站再气化为天然气,在气化过程中释放的大量冷能是可以回收利用的。利用中间传热介质通过2级换热器将LNG冷能传递给燃气轮机入口处空气,中间传热工质是乙二醇水溶液

回收LNG冷能冷却燃气轮机进气的投资不高与直接接触式相当。目前国内还没有利用LNG冷能冷却燃气轮机进气的电厂实例,随着“引进液化天然气”工程的实施,LNG冷能的利用有待进一步研究。

3.燃气轮机进气冷却技术在我国的发展

一直以来,我国的燃气轮机进气冷却技术发展相当缓慢，投入运行的燃机电站还较少，主要有以下两方面的原因：(1)我国燃机电站在总装机容量中所占比例较小。(2)燃机进气冷却技术还没有引起足够的重视，几乎所有新建燃机电站都没有直接设计安装进气冷却系统。随着“西气东输”、“引进液化天然气”工程的实施,我国将在东南沿海等温度较高的地区建设大批燃气轮机电站,第一批800万KW燃气轮机联合循环电站打捆招标项目已经陆续开始实施,第二批也将开始招标,这为我国发展燃气轮机进气冷却技术提供了新的发展机遇。

已有的国内外运行经验表明,这些进气冷却技术已经比较成熟,从技术角度,完全可以应用到我国的燃机电站中,只是应该注意以下问题:

(1)冷却方式的选择。间接接触式冷却的冷却能力较大,增加的出力