燃氣輪機排氣廢熱驅(qū)動的吸收式制冷循環(huán)特性研究

張麗娜 徐士鳴 李見波

(大連理工大學能源與動力學院 大連 116024)

燃氣輪機排氣廢熱驅(qū)動的吸收式制冷循環(huán)特性研究

張麗娜 徐士鳴 李見波

(大連理工大學能源與動力學院 大連 116024)

燃氣輪機的性能受到環(huán)境溫度的影響，其輸出功率和效率隨進氣溫度升高而降低，這一問題可以采用進氣冷卻的方法來解決。本文根據(jù)天然氣長輸管線加壓站燃氣輪機排氣廢熱及其使用場合的特點，在滿足燃氣輪機進氣冷卻要求的基礎上，提出一種以R124-DMAC為工質(zhì)的廢熱驅(qū)動的全空冷型吸收式制冷系統(tǒng)的燃氣輪機進氣冷卻方案，并對此方案進行循環(huán)熱力計算及性能影響因素分析。理論研究結(jié)果表明:該制冷循環(huán)切實可行，在環(huán)境溫度較高時也能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行和較高性能系數(shù)。

進氣冷卻；吸收式制冷；燃氣輪機；R124-DMAC

燃氣輪機因其具有重量輕、體積小、設備簡單、啟動加速快、高效率、低噪聲等優(yōu)點，被視為最適于天然氣長輸管線加壓站的動力設備。然而燃氣輪機是一種定進氣體積流量的動力設備，其工作性能與其所處的環(huán)境溫度密切相關(guān)。當環(huán)境溫度升高時，空氣密度減小，進入壓氣機和燃氣透平的空氣質(zhì)量減少，使得燃氣輪機的出力下降。環(huán)境溫度升高還會使壓氣機的工作效率及壓縮比降低，同時壓氣機的耗功也隨之增大，從而導致燃氣輪機的出力進一步下降。文獻[1]由燃氣輪機性能曲線推導出如下結(jié)論:當環(huán)境空氣溫度從15℃(ISO規(guī)定的燃氣輪機標準進氣溫度)升高到30℃時，燃氣輪機的輸出功率會下降近10%。此外，燃氣輪機有大量高溫排氣廢熱，如果不回收利用此廢熱，會造成能源的浪費和對環(huán)境的熱污染。如果利用燃氣輪機排氣廢熱驅(qū)動吸收式制冷機來冷卻進氣，既能有效利用燃氣輪機的排氣廢熱，又能提升燃氣輪機的性能，不失為是一種較好的廢熱利用方案[2－4]。

Sahil Popli等[5]針對中東地區(qū)高溫高濕的特點，設計了廢熱驅(qū)動的單效溴化鋰吸收式制冷機對進氣進行冷卻的系統(tǒng)。其研究結(jié)果顯示，17 MW燃機排出的廢熱驅(qū)動的溴化鋰制冷機組可提供12.3 MW的冷量，并可把進氣溫度冷卻到10℃左右。M.Ameri 等[6]設計了緊湊型雙效溴化鋰吸收式制冷機燃氣輪機進氣冷卻系統(tǒng)，在高溫環(huán)境下可使燃氣輪機動力輸出提高11.3%，項目投資回收期為4.2年。王松嶺等[7]利用Aspen Plus軟件模擬了采用熱管型溴化鋰吸收式制冷的燃機進氣冷卻技術(shù)，可使壓氣機進口氣溫下降10℃到15℃，且運行費用僅為壓縮制冷系統(tǒng)的5%左右。浙江金華燃機發(fā)電有限公司完全利用低壓蒸發(fā)器的余熱驅(qū)動溴化鋰制冷機，使燃機進氣溫度下降10～12℃，燃機功率增加約2150 kW[8]。

然而溴化鋰機組在運行中一方面要耗用大量冷卻水，另一方面使用的冷卻水一般都取自未處理的硬水(含城市自來水)，在應用環(huán)境較差的情況下，容易造成吸收器、冷凝器管內(nèi)結(jié)垢，從而影響傳熱效果，降低機組制冷量和使用壽命。針對我國多處于水資源匱乏的高溫干旱(沙漠)地區(qū)的天然氣加壓站[9]，其燃氣輪機進氣冷卻系統(tǒng)則不適宜采用溴化鋰-水吸收式制冷系統(tǒng)，必須采用直接空氣冷卻方案。因此經(jīng)過分析認為，在直接空冷的要求下，采用有機工質(zhì)對R124-DMAC(一氯四氟乙烷和二甲基乙酰胺)作為吸收式制冷工質(zhì)比較合適?；疚镄詤?shù)如表1所列，工質(zhì)熱物性參數(shù)(壓力、溫度、質(zhì)量分數(shù)、比焓等)關(guān)聯(lián)計算方程已有學者進行了測試[10]。此工質(zhì)對具有低毒、低可燃性、不結(jié)晶、對金屬無腐蝕作用、對環(huán)境影響較小、在空冷條件下工作壓力較低等特點。

表1 標準狀態(tài)下R124和DMAC基本物性參數(shù)Tab.1 Basic physical parameters of R124 and DMAC at standard state

1 燃氣輪機廢熱制冷循環(huán)

圖1以R124-DMAC為工質(zhì)的燃氣輪機廢熱驅(qū)動的空冷型單級單效吸收式制冷循環(huán)流程圖。該循環(huán)由發(fā)生器、氣液分離器、吸收器、冷凝器、蒸發(fā)器、溶液熱交換器、溶液泵及節(jié)流閥等所組成。利用燃氣輪機排氣廢熱作為熱源，在發(fā)生器中加熱一定濃度的溶液，使溶液部分氣化，并通過氣液分離器內(nèi)分離出制冷劑(R124)蒸氣。制冷劑蒸氣在空冷式冷凝器中凝結(jié)成液體，再經(jīng)過冷器降溫、節(jié)流閥降壓至蒸發(fā)壓力后進入蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，產(chǎn)生冷量去冷卻燃氣輪機進氣。蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生的低壓制冷劑蒸氣過熱后再流入空冷吸收器中，被來自氣液分離器并經(jīng)溶液熱交換器冷卻后的稀溶液吸收。吸收制冷劑蒸氣后的溶液(濃溶液)經(jīng)溶液泵升壓并經(jīng)溶液熱交換器升溫后進入發(fā)生器，再次被燃氣輪機排氣加熱，完成一個工作循環(huán)。

2 循環(huán)熱力計算模型

2.1 建模假設

1)忽略循環(huán)內(nèi)所有設備散熱損失；

2)只考慮對流換熱，忽略輻射換熱；

3)忽略不凝氣體對換熱的影響；

4)考慮到管路阻力，設定吸收壓力比蒸發(fā)壓力低0.01 MPa；

5)當換熱管內(nèi)的溶液和蒸氣共存時，溶液和蒸氣處于氣液平衡狀態(tài)。

2.2 熱力循環(huán)計算模型

1)各設備單位質(zhì)量制冷劑換熱量

圖1 燃氣輪機廢熱驅(qū)動的空冷型吸收式制冷循環(huán)流程Fig.1 The working flow of air-cooling absorption refrigeration driven by gas-turbine waste heat

以上各式中:q為單位質(zhì)量制冷劑換熱量，kJ/ kg；f為溶液循環(huán)倍率，kg/kg；h為比焓，kJ/kg；ξ為質(zhì)量分數(shù)；ρ為密度，kg/m3；η為效率；pg為發(fā)生壓力，Pa；pa為吸收壓力，Pa；pq·b為飽和空氣的水蒸氣分壓力，kPa；φ為空氣相對濕度；t為溫度，℃；m為質(zhì)量流量，kg/s；Δp為壓降，Pa；cp為定壓比熱，kJ/ (kg·K)；下標:1～19為圖中的位置點；g為發(fā)生；c為冷凝；sc為過冷；e為蒸發(fā)；ab為吸收；ex為溶液熱交換；r為制冷劑；s為濃溶液；w為稀溶液；a為空氣；y為煙氣。

3 循環(huán)熱力計算特性分析

3.1 制冷循環(huán)設計參數(shù)

燃氣輪機排氣廢熱驅(qū)動的，以R124-DMAC為工質(zhì)的空冷型吸收式制冷循環(huán)設計工況參數(shù)如表2所列。由于燃氣輪機銘牌參數(shù)只給出了額定工況下的排氣流量，因此其進氣流量需要進行推算。

表2 制冷循環(huán)設計工況參數(shù)Tab.2 Given parameters of refrigeration cycle

設燃料成分為(CxHyOzN′uSv)n，1摩爾燃料完全燃燒需要的理論量空氣的摩爾數(shù)為[11]: β摩爾燃料與L0摩爾空氣的燃燒方程為[11]:

式中:α為過量空氣系數(shù)；β為燃料系數(shù)(為過量空氣系數(shù)的倒數(shù))。

根據(jù)式(27)和(28)燃氣輪機以天然氣作為燃料時，根據(jù)已知的額定工況下燃氣輪機的排氣量和空氣系數(shù)，可以求得該燃氣輪機的進氣流量ma為85.9 kg/s。

3.2 設計工況循環(huán)熱力計算結(jié)果

燃氣輪機排氣廢熱驅(qū)動的，以R124－DMAC為工質(zhì)的空冷型吸收式制冷循環(huán)設計工況下循環(huán)熱力計算結(jié)果如表3所列。

表3 設計工況下燃氣輪機廢熱制冷循環(huán)熱力計算結(jié)果Tab.3 Thermal calculation results of refrigeration cycle driven by gas-turbine waste heat under given conditions

設計工況下計算得到的制冷循環(huán)COP值為0.52。在50℃冷凝溫度條件下，制冷系統(tǒng)的最高工作壓力僅為0.76 MPa(絕壓)，出發(fā)生器的溶液溫度為129.3℃。

4 循環(huán)性能影響因素分析

4.1 放氣范圍變化對循環(huán)性能的影響

放氣范圍(稀、濃溶液之間的濃度差)，對吸收式制冷循環(huán)的工作特性有較大的影響。合適的放氣范圍，可使制冷循環(huán)在較低的溶液泵流量條件下，達到較高的COP值，這對減低溶液泵耗功非常重要。從圖2中可以看出，當其它工作參數(shù)不變時，隨著放氣范圍的增大，溶液循環(huán)倍率隨之減小，而循環(huán)COP值隨之增大。當放氣范圍繼續(xù)增大時，循環(huán)COP值的增幅趨于平緩。當濃溶液濃度不變時，放氣范圍的增大會意味著稀溶液濃度的降低，這將導致出發(fā)生器的溶液溫度升高，對回收廢熱不利。另外，由于R124-DMAC工質(zhì)對的沸點差只有176℃，稀溶液濃度降低，也會使發(fā)生出的混合蒸氣中吸收劑的含量增加，對無精餾設備的制冷系統(tǒng)而言，制冷劑中吸收劑含量增大，其制冷能力減小。因此，經(jīng)綜合考慮，設計的制冷循環(huán)的放氣范圍確定為0.09。

4.2 發(fā)生器負荷率的影響

由于吸收式制冷循環(huán)的動力來源是燃氣輪機排放的廢熱，而燃氣輪機工作時不能保證任何時刻都處于額定功率下運行。實際的燃機進氣量和排放的廢熱量隨其出力的變化而發(fā)生變化，進而使得發(fā)生器負荷和制冷負荷也隨之變化。為分析發(fā)生器負荷的變化對制冷循環(huán)特性的影響，將溶液泵流量按兩種策略進行控制:一種是溶液泵流量不變控制策略(case1)，另一種是保持溶液放氣范圍不變(case2)的控制策略。在case2控制策略下，溶液泵出口流量隨發(fā)生器負荷率的變化進行調(diào)節(jié)。圖3給出了兩種溶液泵控制策略下其他工作參數(shù)不變時，循環(huán)制冷量隨發(fā)生器負荷率的變化關(guān)系。圖中可見，在相同的發(fā)生器負荷率下，case2的制冷量大于case1。表明采用保持溶液放氣范圍不變的溶液流量控制策略，發(fā)生器負荷變化對循環(huán)制冷量的影響相對較小。考慮到所研究的制冷系統(tǒng)制冷負荷量級較大，采用控制溶液放氣范圍不變的策略控制較為適宜。

4.3 環(huán)境溫度的影響

由于所研究的廢熱制冷循環(huán)采用純空冷方式，吸收器和冷凝器的冷卻都通過空氣。所以環(huán)境溫度的高低影響冷凝溫度和吸收終了的溶液溫度，進而影響制冷系統(tǒng)各運行參數(shù)。對于一個設計參數(shù)確定的廢熱制冷系統(tǒng)，其系統(tǒng)內(nèi)各換熱和運轉(zhuǎn)設備的結(jié)構(gòu)形式及傳熱面積是一定的。所以可以將發(fā)生器的負荷設為已知參數(shù)，即取設計工況下的發(fā)生器負荷。在溶液放氣范圍不變的控制策略下，對不同環(huán)境溫度下的循環(huán)進行熱力計算，其計算結(jié)果如圖4和圖5所示。兩圖分別給出了制冷負荷和燃機進氣溫度，溶液循環(huán)倍率和循環(huán)COP值隨環(huán)境溫度變化關(guān)系。圖中可以看出，當環(huán)境溫度從設計的環(huán)境溫度(35℃)升高到40℃時，吸收終了的濃溶液濃度將會降低，溶液循環(huán)倍率上升，制冷量和循環(huán)COP值下降。由于環(huán)境溫度升高，導致系統(tǒng)制冷能力的下降，使得燃氣輪機進氣溫度從設計值(15 ℃)上升到大約20℃。由此可見，環(huán)境溫度變化對采用燃氣輪機排氣廢熱驅(qū)動的吸收式制冷系統(tǒng)以及燃氣輪機進行冷卻有很大的影響。

圖2 放氣范圍對制冷循環(huán)的影響Fig.2 Influence of deflation ratio on refrigeration cycle

圖3 發(fā)生器負荷率對制冷循環(huán)的影響Fig.3 Influence of generator load ratio on refrigeration cycle

圖4 制冷量和燃機進氣溫度隨環(huán)境溫度變化關(guān)系Fig.4 Variations of cooling capacities and gas-turbine air inlet temperature with ambient temperature

圖5 溶液循環(huán)倍率和COP值隨環(huán)境溫度變化關(guān)系Fig.5 Variations of solution circulation ratio and COP with ambient temperature

5 結(jié)論

1)根據(jù)缺水地區(qū)燃氣輪機進氣冷卻技術(shù)要求，采用R124－DMAC為制冷劑的空冷型吸收式制冷循環(huán)，通過循環(huán)熱力計算及分析，理論上可以滿足要求。

2)在設計工況下廢熱驅(qū)動的制冷循環(huán)COP值可達0.52，制冷負荷為1 980.3 kW，燃氣輪機進氣溫度可從環(huán)境溫度(35℃)冷卻到15℃。

3)廢熱驅(qū)動的吸收式制冷循環(huán)運行特性受環(huán)境溫度、溶液放氣范圍和發(fā)生器負荷率影響。對于所研究的具有大制冷負荷的廢熱制冷循環(huán)，在變工況條件下，與定溶液泵出口流量控制策略相比，采用溶液放氣范圍不變控制策略，根據(jù)相對較好的工作特性。

本文受沈鼓—大工研究院重大科技發(fā)展基金項目資助。(The project was supported by Key Technology Development Foundation for SBW and DLUT Research Institute.)

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Study on Cycle Characteristics of Absorption Refrigeration Driven by Waste Heat from Gas Turbine

Zhang Lina Xu Shiming Li Jianbo

(School of Energy and Power Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，116024，China)

The ambient temperature influences the performance of gas turbine.The power output and efficiency of gas turbine decrease with the temperature increasing.But it can be solved by cooling the air inlet.This paper is based on the characteristics of the waste heat from gas turbine and its operation condition at natural gas pressured station for long distance pipeline.To meet the gas turbine's needs for inlet air cooling，a fully-air cooling mode absorption refrigeration system is proposed.The system is driven by gas turbine waste heat using R124-DMAC as working fluid.In addition，the cycle thermodynamic calculation and the performance analysis of influencing factors for this system were done.The theoretical research results show that the refrigeration cycle is feasible.The cycle can operate steadily with a high coefficient of performance(COP)while the ambient temperature is high.

inlet air cooling；absorption refrigeration；gas turbine；R124-DMAC

TB61＋1；U463.851

A

0253－4339(2014)05－0088－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.088

徐士鳴，男(1957－)，教授，博士生導師，大連理工大學能源與動力學院，(0411)84708774，E-mail:xsming＠dlut.edu.cn。研究方向:廢熱吸收式制冷?，F(xiàn)在進行的研究項目有:沈鼓—大工研究院重大科技發(fā)展基金項目——天然氣加壓站燃氣輪機余熱回收裝置總成及天然氣冷卻設備研發(fā)等。

2014年1月20日

About the corresponding author

Xu Shiming(1957－)，male，professor，doctoral tutor，Dalian U-niversity of Technology，(0411)84708774，E-mail:xsming＠dlut. edu.cn.Research fields:absorption refrigeration driven by waste heat.The author takes on project supported by the Key Technology Development Foundation for SBW and DLUT Research Institute:Waste heat recycle installation and refrigeration system design for the gas turbine at the natural gas pressured station.