燃气轮机进气冷却技术分析

1、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*去旧宅盅堆气流雷机组出力1巩 15 2ft 253035压气机进气温度X：度之间的关系式如

2、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5C时，燃气轮机 输出功率为额定出力的107%,而在35C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

3、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

4、气温度4C6C,在大气湿度较小时，甚至可以降低进气温度 8C以上。每降低1C,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2p m5p m,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5MW250MW燃气轮机进气冷却，每降低进温度11C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

5、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0.030显痛潜热0,0250.0200.015 0.010-0.005L： 11()QQQ101520253035网45干球温度（P）气中冷凝

6、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

7、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

8、、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

9、 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-160C,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

10、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：冷却方式的选择。间接接触式冷却的冷却能力较

11、大，增加的出力 也较大，但初投资和运行费用也较高;如果采用直接接触式冷却，虽然 初投资较小，但由于冷度较低达不到增加出力的目的。冷却系统冷却能力的确定。对间接接触式冷却而言，如果冷却能 力较大即冷却后的进气温度较低，虽然增加的出力较大，但由于设备的 初投资和运行费用也较高，投资回收期反而较长。采用直接接触式和间接接触式相结合的冷却方式。对于资金相 对短缺的电站来说，可以先投资建设直接接触式冷却方式，再逐步实施 建设间接接触式冷却方式，最终达到最大限度增加出力的目的。加紧制订燃气轮机进气冷却系统选型、优化设计的相关导则及 强制性措施，以利于在燃机电站的建设初期统一规划设计合适的燃机 进气冷却系统

12、。4结论前述几种冷却方式各有其特点，直接接触式投资小，施工工期短，最 大的缺点是冷却能力较小，特别适用于资金相对短缺、干燥炎热的地 区。LNG冷能利用需要与LNG接受站统一协调考虑，在有LNG的地 区,LNG冷能利用应为冷却燃机进气的首选方案。蓄冷式制冷与压缩 制冷、吸收制冷的投资相当，蓄冷制冷特别适用于电网峰谷电价差较 大的地区，但电耗仍然较大。至于在工程实际中选用哪种进气冷却方式，应结合具体的工程实际 情况,综合考虑峰谷电价差、资金情况、气象参数、年运行时间等因 素进行技术经济分析确定。参考文献1董卫国.发展燃气轮机优化火电结构J .燃气轮机发电技术.2000,2(34):3336.焦树建.燃气蒸汽联合循环M.机械工业出版社.孔水源，孔祥伟,张秋耀.燃气轮机进气制冷技术J .燃气轮机技术.1999,12(3):3336.许教运.一种新型的燃气轮机进气冷却装置J.燃气轮机技术.2002,15(1) :7375.林枫，闻雪