某大學城分布式能源站燃機應用溴化鋰制冷技術冷卻入口空氣的方案探討

謝大幸，石永鋒，郝建剛，鄭　健，王　健

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

某大學城分布式能源站燃機應用溴化鋰制冷技術冷卻入口空氣的方案探討

謝大幸，石永鋒，郝建剛，鄭健，王健

（華電電力科學研究院，浙江杭州310030）

利用現(xiàn)有溴化鋰吸收式冷水機組，消化大學城暑期過剩高溫熱媒水冷卻燃機入口空氣，可降低機組入口空氣溫度4.2℃，提高聯(lián)合循環(huán)機組出力約1470kW。通過計算分析，簡單循環(huán)燃氣輪機的出力和效率都隨著燃機入口空氣溫度的降低而得到提高，對于整個聯(lián)合循環(huán)而言，機組功率隨燃機入口空氣溫度降低而增加，但是由于下位電站汽輪機及余熱鍋爐的延滯性影響，其效率基本維持不變，即聯(lián)合循環(huán)機組的發(fā)電氣耗并不會因為燃機進口空氣冷卻而得到降低，節(jié)能效益不能充分體現(xiàn)，項目可行性不高，聯(lián)合循環(huán)機組進行類似改造時應慎重考慮。

分布式能源站；燃氣輪機；溴化鋰吸收式冷水機組；聯(lián)合循環(huán)效率及出力

0　引言

某大學城分布式能源站建設有2×78MW燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，燃氣輪機發(fā)電機組為雙聯(lián)機組（額定功率60MW），余熱鍋爐為中壓和低壓蒸汽帶自除氧、尾部制熱水、臥式自然循環(huán)、無補燃型、露天布置的余熱鍋爐，蒸汽輪機發(fā)電機組分別選用一套帶調(diào)整抽汽的抽凝式蒸汽輪機發(fā)電機組和一套雙壓補汽式蒸汽輪機發(fā)電機組，配套額定功率18MW和25MW發(fā)電機各一臺。分布式能源站利用余熱鍋爐尾部煙氣制備熱媒水，一部分熱媒水送到大學城熱水制備站，向大學城用戶提供熱水，另一部分作為能源站集控樓和辦公樓中央空調(diào)溴化鋰機組的熱源。目前能源站現(xiàn)有2套熱水型溴化鋰吸收式冷水機組用于制造空調(diào)冷凍水，一套運行，一套備用。實際運行中發(fā)現(xiàn)分布式能源站周邊負荷變化極大，特別是大學城眾院校暑期放假期間，熱水負荷低，基本不用高溫熱媒水，而溴化鋰制冷空調(diào)不能完全消化高溫熱媒水，使得高溫熱媒水過剩而引起很大的浪費和熱污染。為了在暑期進一步消化過剩熱媒水，實現(xiàn)能源的高效利用，該方案研究了利用現(xiàn)有溴化鋰制冷機組冷卻燃機入口空氣對機組經(jīng)濟性的影響。

1　燃機入口空氣冷卻技術概況

燃機入口空氣冷卻技術可在高溫氣候環(huán)境下，通過降低入口空氣溫度，提高單位時間燃機吸入空氣質(zhì)量流量，增加燃機出力，減小壓氣機出力，提高燃機效率，達到提高經(jīng)濟性的目的［1］。對于重型工業(yè)燃機而言，夏季將35℃的空氣冷卻至15℃，理論上在燃機簡單循環(huán)中至少可增加燃機出力11%左右［2］。燃機入口空氣冷卻技術經(jīng)過二十年的發(fā)展，在國內(nèi)外的不同氣候條件、不同機型上已有多種不同的冷卻技術被應用，經(jīng)過長期運行經(jīng)驗，各種不同技術表現(xiàn)出不同的適應性和優(yōu)缺點，目前主要的技術手段有直接接觸和間接接觸兩大型式［3］。該方案利用分布式能源站現(xiàn)有的溴化鋰吸收式冷水機組，消化過剩熱媒水制冷冷卻燃機入口空氣，屬于間接接觸冷卻方式。

圖1　燃機進口空氣冷卻系統(tǒng)

2　燃機入口空氣冷卻結(jié)果分析

2.1系統(tǒng)流程

采用溴化鋰制冷冷卻入口空氣，需在在入口風道內(nèi)設置一個冷卻器冷卻空氣，空氣在管外側(cè)流動，冷源在管內(nèi)流動。系統(tǒng)由熱水型溴化鋰吸收式冷水機組、冷卻塔、冷卻器、冷卻水循環(huán)泵、冷媒水泵等組成，如圖1所示。其中溴化鋰吸收式冷水機組、冷卻塔等設備為電站自有設備，不需再投資。分布式能源站現(xiàn)有熱水型溴化鋰吸收式冷水機組在額定工況下，制冷量810kW，冷水進口溫度12℃，出口溫度7℃，冷水流量140m3/h，冷卻水進口溫度32℃，冷卻水流量290m3/h，熱水進口溫度90℃，出口溫度70℃，熱水耗量52000kg/h，冷媒水和冷卻水系統(tǒng)最高工作壓力都為0.8MPa。

2.2燃機進口溫度降低對燃機簡單循環(huán)及整個聯(lián)合循環(huán)影響的計算結(jié)果分析

進氣溫度對補汽式和抽凝式機組簡單循環(huán)出力及效率影響如圖2所示，對整個聯(lián)合循環(huán)出力及效率的影響如圖3及圖4所示。隨進氣溫度降低（從35℃降低到15℃，計算工況為不注水工況，空氣濕度按80%考慮），燃機簡單循環(huán)的出力及效率隨著進口空氣溫度的降低而顯著增加；對于整個聯(lián)合循環(huán)而言，補汽式和抽凝式機組出力均有顯著提高，并呈線性趨勢，可以計算溫度每下降1℃，機組功率增加約350kW，而聯(lián)合循環(huán)整體發(fā)電效率變化則較平穩(wěn)，因為發(fā)電效率受下游余熱鍋爐及汽輪機電站的影響，降低入口空氣溫度后會造成燃機排氣溫度降低，影響聯(lián)合循環(huán)機組中余熱鍋爐及蒸汽輪機出力，從而造成抵消現(xiàn)象，亦即整體功率的增加伴隨著燃氣量消耗的增加，因此整體聯(lián)合循環(huán)效率變化不大。

圖2　進氣溫度對簡單循環(huán)燃機出力和效率影響

圖3　進氣溫度對補汽式和抽凝式機組出力影響

圖4　進氣溫度對補汽式和抽凝式機組效率影響

2.3燃機入口空氣降幅計算結(jié)果

該方案采用現(xiàn)有的備用溴化鋰機組消化過剩高溫熱媒水制冷，因此溴化鋰機組的負荷以及進氣量決定了冷卻系統(tǒng)的規(guī)模，受制冷量的限制，該方案只考慮補汽式一臺機組改造。熱水型溴化鋰吸收式冷水機組在額定工況下，制冷量810kW，冷水進口溫度12℃，出口溫度7℃，冷水流量140m3/h進入燃機入口冷卻器，用于冷卻入口35℃，約600t/h流量（雙聯(lián)機組，每側(cè)300t/h）的空氣，冷卻器選用板翅式換熱器，管子材質(zhì)為銅，翅片材質(zhì)為鋁。板翅式換熱器優(yōu)點突出，發(fā)展很快，一些研究結(jié)果表明，板翅式換熱器更適用于溴化鋰吸收式制冷冷卻的燃氣輪機進氣冷卻系統(tǒng)［4，5］。空氣濕度影響較小，故忽略其對計算結(jié)果的影響，且不考慮換熱器阻力對燃機出力的影響，通過熱力學計算，可將入口溫度空氣降低到30.8℃，降幅為4.2℃。通過上述的分析可知，入口空氣降低4.2℃，提高機組出力約1470kW。

3　經(jīng)濟性分析

根據(jù)上述分析，若單純?yōu)榱颂岣邫C組出力而言，燃機空氣進口溫度降低對機組是有益的，可以增加機組發(fā)電量。但是國內(nèi)燃氣機組其發(fā)電量往往受燃氣量及電網(wǎng)調(diào)度限制，增幅有限，由于聯(lián)合循環(huán)的效率并沒有大幅增加，且基本保持穩(wěn)定，從表1可以看出補汽式機組其空氣進口溫度從35℃降低到30℃時機組功率增加1776kW，但其聯(lián)合循環(huán)效率僅增加0.06%。通過計算將空氣溫度降低4.2℃時，聯(lián)合循環(huán)效率增加不到0.06%，若考慮機組燃機進口空氣冷卻器阻力、冷卻系統(tǒng)本身耗能等因素對機組的影響，其節(jié)能收益甚微，機組的發(fā)電氣耗并不會隨著燃機進氣溫度的降低而大幅降低，燃機發(fā)電的成本也不會降低。

表1　進氣溫度對補汽式機組出力和效率的影響

該方案機組發(fā)電量按不受燃氣量及電網(wǎng)調(diào)度的限制考慮，即有充足的氣量且電網(wǎng)允許機組多發(fā)電，其經(jīng)濟性計算按照僅提高機組出力為目標計算，計算時暫時不考慮換熱器阻力對燃機出力的影響。進氣冷卻系統(tǒng)的設備主要由冷卻器、制冷機、進氣穩(wěn)壓艙、閥門水泵、儀表控制系統(tǒng)和管道、冷卻塔等組成，其中制冷機系統(tǒng)采用能源站現(xiàn)有制冷機組，空氣冷卻器、管道和儀表控制系統(tǒng)的投資占主要部分［6］，單套進氣冷卻系統(tǒng)的投資按230萬元考慮。

根據(jù)上述分析計算，單套制冷設備制冷量完全用于進氣冷卻，可提高補汽式機組出力約1470kW。該方案在夏季的7、8月暑假期間進氣冷卻系統(tǒng)均可工作，估算該工程補汽式機組采用入口空氣冷卻在兩個月有1000h的利用小時數(shù)，則可增加發(fā)電量1.47×106kWh，按每kWh收益0.1元計，年增發(fā)電效益14.7萬元，靜態(tài)回收期約為15.6a。因此對于整體聯(lián)合循環(huán)而言，進口空氣冷卻技術對機組增加出力有作用，但對于降低氣耗作用不大。天然氣成本在整個發(fā)電成本里占了絕大部分，改造若不能降低機組氣耗率，則其經(jīng)濟性不能很好的體現(xiàn)，項目可行性不高。

4　結(jié)語

為了進一步消化大學城暑期熱媒水，利用現(xiàn)有溴化鋰制冷設備，經(jīng)過研究計算可知，該項目可降低機組燃機入口空氣溫度約4.2℃，可提高出力約1470kW。

燃機入口空氣冷卻技術的應用可以提高簡單循環(huán)燃機的出力和效率，但是對于整個聯(lián)合循環(huán)機組而言，進口空氣冷卻可以提高機組出力，受機組下位電站汽輪機和余熱鍋爐延滯性的影響，機組的效率基本維持不變。

對于燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組，天然氣成本占整個發(fā)電成本的絕大部分，若改造不能降低機組氣耗率，則機組改造的經(jīng)濟性得不到有效體現(xiàn)。我國天然氣發(fā)電企業(yè)受到電網(wǎng)調(diào)度及天然氣用量的限制較大，即使不受限制，僅依靠提高機組出力，相對于其較大的投資而言，收益也較低，其可行性不高，因此在對聯(lián)合循環(huán)機組進行類似改造時應慎重考慮。

［1］何語平，祝耀坤.采用進氣冷卻技術提高燃氣輪機的出力和熱效率［J］.浙江電力，2004，（03）：25～29.

［2］胡東.降低燃機進氣溫度對燃氣輪機出力的影響［J］.科技創(chuàng)新導報，2009，（25）：64～66.

［3］張春梅，孫銳.燃氣輪機進氣冷卻技術發(fā)展現(xiàn)狀及前景分析［J］.東北電力學院學報，2005，25（4）：75～80.

［4］賀云根，胡亞才，李立軍，等.板翅式換熱器在燃氣輪機進氣冷卻系統(tǒng)中的應用［J］.能源工程，2006（5）：48～50.

［5］姜周曙，黃國輝，王劍，等.PG6551（B）燃氣輪機進氣冷卻系統(tǒng)的研制［J］.動力工程，2006，26（6）：790～794.

［6］吳志才.進氣冷卻對燃氣輪機發(fā)電的作用［J］.中國高新技術企業(yè)，2013，（17）：66～68.

Scheme Discussion on Cooling Gas Turbine Intake Air Using Lithium Bromide Cooling Technology in a University Town Distributed Energy Station

XIE Da-xing，SHI Yong-feng，HAO Jian-gang，ZHENG Jian，WANG Jian
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Using ready-made lithium bromide absorption water chiller absorb excess heat medium water to cool gas turbine intake air in the university town.It can reduce 4.2℃of the air and increase about 1470 kW of unit output.The gas turbine simple cycle's output and efficiency are increased with the gas turbine intake air temperature reducing and the combined-cycle's output is also increased，however，the combined cycle's efficiency does not significantly improve because of the postponable characteristics of the lower power plant steam turbine and HRSG.The power generation gas loss rate is not decreased with the gas turbine intake air cooling，energy-saving benefit is not fully reflected，the project feasibility is lower. The similar reconstruction in the combined-cycle units should be considered cautiously.

distributed energy station；gas turbine；lithium bromine absorption water chiller；combined cycle efficiency and output

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.002

TK471

B

2095-3429（2015）04-0005-04

2015-05-19

修回日期：2015-07-02

謝大幸（1984-），男，浙江寧波人，研究生，工程師，從事汽輪機及燃氣輪機發(fā)電技術研究工作。