基于Ebsilon 軟件的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)分析

羅城鑫，張海珍，王明曉，林 達(dá)，柯冬冬，李煥龍

（1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030；2.國(guó)家能源分布式能源技術(shù)研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，杭州 310030；3.浙江省蓄能與建筑節(jié)能技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310030）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行性能易受環(huán)境溫度變化影響[1-5]，環(huán)境溫度每升高1 ℃，其輸出功率和發(fā)電效率分別降低0.6%和0.18%[6]。當(dāng)環(huán)境溫度提高到25 ℃時(shí)，與ISO（標(biāo)況大氣條件）工況相比，不同廠家和型號(hào)的燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率降幅為5%～13%[7]，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的發(fā)電性能也受環(huán)境溫度影響。我國(guó)南方炎熱的夏季是電力負(fù)荷需求高峰期，因此，降低燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度可以有效提高機(jī)組出力，增強(qiáng)機(jī)組調(diào)峰裕度，并獲得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。孫衍鋒[8]研究了廣東珠海聯(lián)合循環(huán)機(jī)組采用溴化鋰制冷進(jìn)氣冷卻技術(shù)的應(yīng)用可行性；Ehyaei 等[9]對(duì)聯(lián)合循環(huán)電廠進(jìn)行了全面的熱力學(xué)建模，并利用遺傳算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果顯示使用進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)和優(yōu)化方法可在1 年中3 個(gè)月的高溫季將機(jī)組平均輸出功率、第一定律和第二定律效率分別提高17.24%，3.6%和3.5%；Kamal 等[10]使用GT Pro 軟件研究了使用電制冷進(jìn)氣冷卻技術(shù)對(duì)馬來西亞LM6000PD聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能的影響；Kumar[11]研究了蒸發(fā)進(jìn)氣冷卻技術(shù)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響。

總的來說，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)廣泛開展了采用進(jìn)氣冷卻技術(shù)提高單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能的理論和模擬研究，但使用Ebsilon 系統(tǒng)模擬軟件建模的研究較少；同時(shí)，對(duì)于我國(guó)不同區(qū)域上網(wǎng)電價(jià)和氣價(jià)對(duì)進(jìn)氣冷卻技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性研究也比較罕見。

為此，本文采用Ebsilon 軟件分別建立GE 公司9F.03-2015 機(jī)組單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合循環(huán)機(jī)組系統(tǒng)模型，研究了不同環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組性能的影響；對(duì)比了我國(guó)福建、廣東、上海3 個(gè)典型的夏季高溫地區(qū)實(shí)施進(jìn)氣冷卻技術(shù)的經(jīng)濟(jì)可行性和不同邊界條件下的投資回收期，為符合條件的分布式能源站聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行進(jìn)氣冷卻技術(shù)改造提供參考。

1 單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)

1.1 燃?xì)廨啓C(jī)模型

德國(guó)STEAG 公司設(shè)計(jì)的電站性能仿真計(jì)算軟件Ebsilon，具有組件種類齊全、運(yùn)行方式多變、設(shè)計(jì)計(jì)算靈活等優(yōu)點(diǎn)。利用該軟件對(duì)某區(qū)域型分布式能源站的單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行建模研究，如圖1 所示，該機(jī)組為GE 公司生產(chǎn)的9F.03-2015 機(jī)組。在ISO 工況下，機(jī)組輸出功率265 MW，熱耗率9 516.6 kJ/kWh，排氣溫度595.6 ℃。

圖1 GE 公司9F.03-2015 燃?xì)廨啓C(jī)模型

1.2 工況模擬

分別對(duì)進(jìn)氣溫度為5 ℃，10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃和40 ℃，相對(duì)濕度為60%，進(jìn)氣壓力為101.3 kPa 的8 個(gè)典型工況進(jìn)行建模仿真研究。對(duì)比進(jìn)氣溫度對(duì)燃料耗量、輸出功率、燃?xì)廨啓C(jī)效率、熱耗率、排氣溫度和流量等參數(shù)的影響，形成了不同進(jìn)氣溫度燃?xì)廨啓C(jī)的性能參數(shù)對(duì)比，如表1 所示。

表1 不同進(jìn)氣溫度下的燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)

結(jié)果顯示，隨著進(jìn)氣溫度的升高，機(jī)組熱耗率、排氣溫度也不斷上升，而燃料耗量、輸出功率、燃?xì)廨啓C(jī)效率、排氣流量呈下降趨勢(shì)。同時(shí)模擬空氣不同濕度情況下對(duì)機(jī)組性能的影響，發(fā)現(xiàn)空氣濕度在20%～80%大范圍變化時(shí)，機(jī)組輸出功率變化僅在0.2%以內(nèi)。這是由于環(huán)境溫度為30 ℃時(shí)，作為設(shè)計(jì)工況的相對(duì)濕度60%，水分含量?jī)H為0.64%[12]，所以濕度變化對(duì)工質(zhì)熱物性影響很小，一般情況下可以忽略空氣濕度對(duì)機(jī)組性能的影響。

1.3 參數(shù)分析

圖2 顯示了燃?xì)廨啓C(jī)各參數(shù)隨環(huán)境溫度的變化情況，其中，熱耗率隨進(jìn)氣溫度上升而上升，輸出功率隨進(jìn)氣溫度上升而下降；當(dāng)進(jìn)氣溫度超過30 ℃，熱耗率上升的曲線變得陡峭，燃?xì)廨啓C(jī)由于進(jìn)氣溫度上升引起的運(yùn)行性能惡化更趨明顯；從表1 的參數(shù)對(duì)比得知，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度從15 ℃上升到35 ℃，輸出功率由261.4 MW 下降到226.7 MW，降低了34.7 MW，降幅達(dá)13.3%；熱耗率由9 651.5 kJ/kWh 上升到10 000 kJ/kWh，上升了348.5 kJ/kWh，升幅為3.6%。

進(jìn)氣溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率和燃?xì)廨啓C(jī)效率有顯著影響的原因主要有：

（1）燃?xì)廨啓C(jī)是定容式動(dòng)力機(jī)械，環(huán)境溫度升高會(huì)降低空氣密度，從而減少了進(jìn)入壓縮機(jī)的空氣質(zhì)量流量，這是燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率變化的主要原因。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)各參數(shù)隨環(huán)境溫度變化曲線

（2）壓縮機(jī)耗功隨著進(jìn)氣溫度的上升而增加，但渦輪的出力并沒有增加，因此導(dǎo)致了燃?xì)廨啓C(jī)效率降低。

（3）由于進(jìn)氣溫度升高而引起空氣質(zhì)量流量減少，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)渦輪入口壓力降低，渦輪內(nèi)的壓比減小而引起燃?xì)廨啓C(jī)性能惡化。

綜上所述，降低燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度，可以大幅提升單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)功率和效率。但與此同時(shí)，也會(huì)消耗更多的燃料，而且實(shí)施進(jìn)氣冷卻技術(shù)改造成本較高，所以要綜合評(píng)估新增發(fā)電收益與新增燃料成本和技術(shù)改造費(fèi)用之間的平衡關(guān)系。

2 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)模型

對(duì)某400 MW 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)行建模研究，模型如圖3 所示，采用三壓一次再熱、無補(bǔ)燃、自然循環(huán)型余熱鍋爐汽水系統(tǒng)。燃?xì)廨啓C(jī)所產(chǎn)生的高溫?zé)煔饧訜嵊酂徨仩t受熱面，產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)做功，實(shí)現(xiàn)了燃料化學(xué)能的梯級(jí)利用，使聯(lián)合循環(huán)機(jī)組發(fā)電效率超過55%。

2.2 工況模擬

為與進(jìn)氣溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能的影響形成對(duì)比，模擬聯(lián)合循環(huán)機(jī)組在空氣濕度為60%，進(jìn)氣壓力為101.3 kPa，進(jìn)氣溫度為5 ℃，10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃和40 ℃時(shí)的8 個(gè)典型運(yùn)行工況，得到聯(lián)合循環(huán)機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)不同進(jìn)氣溫度下的性能參數(shù)對(duì)比如表2 所示。

2.3 參數(shù)分析

對(duì)表2 中進(jìn)氣溫度、燃?xì)廨啓C(jī)效率和聯(lián)合循環(huán)效率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，其變化關(guān)系如圖4 所示。隨著燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度從5 ℃上升到40 ℃，燃?xì)廨啓C(jī)效率從37.7%下降到35.4%，降幅為2.3%，而聯(lián)合循環(huán)效率并無顯著變化；進(jìn)氣溫度從5 ℃上升到15℃時(shí)，聯(lián)合循環(huán)效率略有提升，但15℃～40 ℃的過程中基本穩(wěn)定在56.4%。

圖3 燃?xì)庹羝?lián)合循發(fā)電系統(tǒng)模型

表2 不同進(jìn)氣溫度下的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能參數(shù)

圖4 不同進(jìn)氣溫度下燃?xì)廨啓C(jī)效率和聯(lián)合循環(huán)效率的變化關(guān)系

余熱鍋爐排煙溫度隨著進(jìn)氣溫度的升高而降低，進(jìn)氣溫度從5 ℃上升到40 ℃，余熱鍋爐排煙溫度從93.2 ℃下降到87.4 ℃，與進(jìn)氣溫度的大幅變化相比，排煙溫度變化相對(duì)平穩(wěn)。雖然進(jìn)氣溫度的上升使壓氣機(jī)功耗增加，燃?xì)廨啓C(jī)效率降低，但對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組而言，燃?xì)廨啓C(jī)升高的排氣溫度使余熱鍋爐性能得以提高，所以進(jìn)氣溫度的變化對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的效率影響較小。

圖5 顯示了燃?xì)廨啓C(jī)功率與汽機(jī)功率隨進(jìn)氣溫度的變化關(guān)系，進(jìn)氣溫度從5 ℃上升到40 ℃，燃?xì)廨啓C(jī)功率下降了55.8 MW，降幅達(dá)20.5%，汽機(jī)功率下降了3.7 MW，降幅僅為2.8%。由于汽機(jī)功率保持相對(duì)恒定，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組輸出功率的波動(dòng)主要由燃?xì)廨啓C(jī)決定。我國(guó)南方夏季大范圍高溫，是建筑用能及社會(huì)生產(chǎn)電力負(fù)荷需求高峰期，分布式能源站聯(lián)合循環(huán)機(jī)組若能獲得發(fā)電上網(wǎng)許可，降低進(jìn)氣溫度就可以大幅提升聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和調(diào)峰裕度。

圖5 不同進(jìn)氣溫度下燃?xì)廨啓C(jī)功率和汽機(jī)功率的變化關(guān)系

3 常用進(jìn)氣冷卻方式

進(jìn)氣冷卻技術(shù)從原理上可以分為兩大類，即噴水蒸發(fā)進(jìn)氣冷卻和表面換熱進(jìn)氣冷卻[12-15]。

利用液體蒸發(fā)過程的吸熱效應(yīng)來給空氣降溫。蒸發(fā)冷卻具有改造方便，投資小、易于維護(hù)和進(jìn)氣阻力低的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是如果空氣相對(duì)濕度較大，比如在我國(guó)南方地區(qū)，冷卻效果就會(huì)大大降低。

通過制冷設(shè)備制取冷水，通過表面冷卻器來冷卻空氣。制冷設(shè)備按照制冷方式可分為電制冷和吸收式制冷，雖然電制冷技術(shù)制冷效率較高，但是其消耗電能，而夏季采取進(jìn)氣冷卻技術(shù)的目的就是為了增加機(jī)組出力，這與進(jìn)氣冷卻改造目的相違背；吸收式制冷技術(shù)可以利用低品位余熱，進(jìn)氣冷卻后又可以增加機(jī)組出力，不過該技術(shù)初始投資較大，項(xiàng)目能否實(shí)施需要進(jìn)行全面的經(jīng)濟(jì)性核算。

4 投資經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 項(xiàng)目概況與邊界條件

以廣東地區(qū)某400 MW 級(jí)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為研究對(duì)象，進(jìn)氣溫度15 ℃為目標(biāo)工況，取夏季高峰工況平均溫度35 ℃為機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況，相對(duì)濕度60%，進(jìn)氣壓力101.3 kPa，采用吸收式制冷進(jìn)氣冷卻技術(shù)方案。為最大程度降低溴化鋰驅(qū)動(dòng)煙氣對(duì)機(jī)組發(fā)電功率的影響，采用煙氣雙效溴化鋰制冷機(jī)組，COP（制冷性能系數(shù)）為1.45。我國(guó)南方6—10 月為夏季高溫期，結(jié)合機(jī)組實(shí)際歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，保守取1 200 h 作為滿負(fù)荷工況下進(jìn)氣冷卻年運(yùn)行小時(shí)數(shù)進(jìn)行研究；廣東省燃?xì)夥植际侥茉凑旧暇W(wǎng)電價(jià)0.665 元/kWh，供氣氣價(jià)2.4元/m3為研究邊界條件。通過Ebsilon 軟件進(jìn)行模擬，當(dāng)對(duì)煙氣余熱抽熱8.93 MW，引起的發(fā)電損耗為4.3 MW；進(jìn)氣冷卻壓損取250 Pa，引起的發(fā)電損耗為1.1 MW。模擬影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)型的夏季高峰實(shí)際工況與目標(biāo)工況的參數(shù)對(duì)比及投資分析如表3 所示。

表3 實(shí)際工況與目標(biāo)工況參數(shù)對(duì)比及投資分析

4.2 不同區(qū)域投資分析

不同區(qū)域執(zhí)行的燃?xì)夥植际侥茉凑旧暇W(wǎng)電價(jià)和供氣氣價(jià)均不一致，這說明不同區(qū)域是否適合開展進(jìn)氣冷卻改造要綜合考慮當(dāng)?shù)氐哪茉闯杀竞褪找鏃l件。為分析不同上網(wǎng)電價(jià)和不同供氣氣價(jià)時(shí)采用進(jìn)氣冷卻技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性，除上網(wǎng)電價(jià)和氣價(jià)外，其他邊界條件不變的情況下，分別把福建省和上海市分布式能源站上網(wǎng)電價(jià)0.651 2 元/kWh和0.765 5 元/kWh 也列入研究對(duì)象，得到福建省、廣東省和上海市三地在不同上網(wǎng)電價(jià)和氣價(jià)的投資回收期如圖6 所示。

圖6 不同上網(wǎng)電價(jià)和氣價(jià)的投資回收期

由圖6 可知：

（1）3 個(gè)地區(qū)中上海市的上網(wǎng)電價(jià)最高，在較大的供氣氣價(jià)波動(dòng)范圍內(nèi)均具有投資價(jià)值，3 年內(nèi)可回收投資。

（2）在供氣氣價(jià)小于2.4 元/m3時(shí)，3 個(gè)地區(qū)實(shí)施進(jìn)氣冷卻技術(shù)改造的投資回收期均小于5年，具備投資可行性。

（3）福建省和廣東省，當(dāng)供氣氣價(jià)大于2.5元/m3時(shí)，投資回收期較長(zhǎng)，應(yīng)慎重投資。

5 結(jié)論

（1）進(jìn)氣溫度從15 ℃上升到35 ℃，燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率降低了34.7 MW，降幅達(dá)13.3%，熱耗率上升了348.5 kJ/kWh，升幅為3.6%，空氣濕度變化對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的輸出性能影響較小。

（2）進(jìn)氣溫度從15 ℃上升到40 ℃，燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度上升了27.7 ℃，余熱鍋爐性能得到提高，聯(lián)合循環(huán)效率基本穩(wěn)定在56.4%。

（3）采用吸收式制冷進(jìn)氣冷卻技術(shù)可以使燃?xì)夥植际侥茉凑驹谙募居秒姼叻迤谠黾訖C(jī)組出力和提高調(diào)峰裕度，若不限制機(jī)組發(fā)電量，供氣氣價(jià)小于2.4 元/m3，實(shí)施改造的投資回收期均小于5 年，具備投資價(jià)值。

（4）若機(jī)組上網(wǎng)電量有限制，不能保證新增電量上網(wǎng)銷售，則應(yīng)慎重發(fā)展進(jìn)氣冷卻改造。