進(jìn)氣溫度對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能的影響

張濤，付忠廣，劉志坦，嚴(yán)志遠(yuǎn)，朱鴻飛，張?zhí)烨?/p>

（1 華北電力大學(xué)能源動(dòng)力及機(jī)械工程學(xué)院，北京102206；2 國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院，江蘇南京210031）

作為清潔低碳化石能源，天然氣發(fā)電的環(huán)境效益及其在能源發(fā)展格局中的重要作用越來(lái)越受到關(guān)注，燃?xì)廨啓C(jī)（簡(jiǎn)稱“燃機(jī)”）裝機(jī)比重逐年提升[1]。但受天然氣氣源及發(fā)電成本等因素制約[2]，我國(guó)天然氣發(fā)電機(jī)組利用小時(shí)數(shù)偏低，多數(shù)機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間處于部分負(fù)荷工況運(yùn)行；另外，因風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電上網(wǎng)和特高壓輸電工程的影響，部分機(jī)組將長(zhǎng)期處于深度調(diào)峰運(yùn)行狀態(tài)。

在部分負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組（簡(jiǎn)稱“聯(lián)合循環(huán)”）性能降低，安全性和經(jīng)濟(jì)性變差[3]。張國(guó)強(qiáng)等[4-5]通過(guò)對(duì)頂?shù)籽h(huán)分析研究，指出聯(lián)合循環(huán)整體性能主要取決于頂循環(huán)，提高頂循環(huán)的熱力學(xué)完善程度有利于提高聯(lián)合循環(huán)的全工況性能，提出了降低燃機(jī)排氣背壓優(yōu)化聯(lián)合循環(huán)部分負(fù)荷性能的方法。于蘭蘭[6]從聯(lián)合循環(huán)整體經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，研究了控制燃機(jī)透平前溫和進(jìn)口溫度等部分負(fù)荷性能的提升手段。Zuming 等[7]提出了EGR-IGVC運(yùn)行策略，指出通過(guò)煙氣再循環(huán)可提高聯(lián)合循環(huán)部分負(fù)荷效率，同時(shí)可有效降低二氧化碳和氮氧化物的排放。

同時(shí)，燃機(jī)性能受外界環(huán)境影響較大[8-9]。閆順林等[10]、劉闖等[11]、Arrieta等[12]分析了大氣溫度、壓力、相對(duì)濕度等變量對(duì)燃機(jī)出力和效率的影響，指出環(huán)境溫度對(duì)機(jī)組性能影響最大；錢江波等[13]分析了環(huán)境溫度對(duì)聯(lián)合循環(huán)全工況熱力參數(shù)和調(diào)峰性能的影響規(guī)律，指出變工況時(shí)頂循環(huán)效率變化幅度大于底循環(huán)，提高頂循環(huán)能量利用率有利于提高聯(lián)合循環(huán)全工況性能。Abigail等[14]研究了進(jìn)氣環(huán)境對(duì)聯(lián)合循環(huán)CO2捕集率的影響，指出進(jìn)氣溫度升高后，聯(lián)合循環(huán)出力和煙氣量均降低，二氧化碳捕集率下降。為了應(yīng)對(duì)進(jìn)氣環(huán)境的不利影響，文獻(xiàn)[15]研究了高濕環(huán)境下燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)濕堵機(jī)理，分析了利用進(jìn)氣加熱保障進(jìn)氣過(guò)濾系統(tǒng)安全性的策略；同時(shí)，眾多學(xué)者[16-20]對(duì)進(jìn)氣溫升對(duì)聯(lián)合循環(huán)滿負(fù)荷工況下性能的影響以及利用進(jìn)氣冷卻提高燃機(jī)在高溫環(huán)境下出力進(jìn)行了廣泛的研究。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者多集中于環(huán)境溫度單一變化對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能的影響研究，同時(shí)對(duì)滿負(fù)荷和部分負(fù)荷工況下機(jī)組性能與進(jìn)氣溫度變化之間關(guān)系的研究較少。本文選取某GE 9E 級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為研究對(duì)象，在進(jìn)氣溫度與聯(lián)合循環(huán)在滿負(fù)荷和部分負(fù)荷工況下性能變化規(guī)律分析基礎(chǔ)上，提出進(jìn)氣溫度控制技術(shù)（inlet air temperature control ,IATC）。通過(guò)建模仿真對(duì)聯(lián)合循環(huán)全工況下應(yīng)用進(jìn)氣溫度控制技術(shù)進(jìn)行了分析，同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)研究了該技術(shù)對(duì)提高聯(lián)合循環(huán)部分負(fù)荷性能的應(yīng)用價(jià)值。

1 研究對(duì)象及模型

1.1 研究對(duì)象分析

以我國(guó)天津某200MW級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組為研究對(duì)象，主要設(shè)備包括GE 9171E 燃機(jī)、LCZ65-5.8/0.45/0.4 抽凝式汽輪機(jī)和雙壓無(wú)補(bǔ)燃臥式余熱鍋爐等。機(jī)組在不同環(huán)境溫度下的典型運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。

工況1 和工況2 表示聯(lián)合循環(huán)分別在環(huán)境溫度為12.7℃和28.8℃時(shí)，滿負(fù)荷工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)。可知當(dāng)進(jìn)氣溫度由12.7℃升高至28.8℃時(shí)，聯(lián)合循環(huán)和燃機(jī)無(wú)法均保持原滿負(fù)荷輸出功率，燃機(jī)功率和燃?xì)夂牧拷档偷耐瑫r(shí)，聯(lián)合循環(huán)功率和效率分別降低13.3MW和0.85%。工況3和工況4所示為聯(lián)合循環(huán)保持141.8MW 定負(fù)荷時(shí)，在不同環(huán)境溫度下的運(yùn)行數(shù)據(jù)?？芍?dāng)進(jìn)氣溫度由24.3℃升高至36.2℃時(shí)，燃機(jī)功率有較小幅度下降，燃?xì)夂牧繙p少，同時(shí)聯(lián)合循環(huán)效率升高0.3%。聯(lián)合循環(huán)效率在部分負(fù)荷下受環(huán)境影響的規(guī)律與滿負(fù)荷工況不同。

由以上分析可知，進(jìn)氣溫度對(duì)聯(lián)合循環(huán)滿負(fù)荷和部分負(fù)荷等工況性能均有影響，但對(duì)不同工況性能影響差異較大。研究掌握進(jìn)氣溫度與聯(lián)合循環(huán)性能之間的規(guī)律，進(jìn)而通過(guò)進(jìn)氣溫度控制技術(shù)優(yōu)化聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.2 研究模型及驗(yàn)證

聯(lián)合循環(huán)進(jìn)氣溫度控制系統(tǒng)是在常規(guī)聯(lián)合循環(huán)基礎(chǔ)上集成進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)（turbine inlet air cooling system,TIAC） 和進(jìn)氣加熱系統(tǒng)（turbine inlet air heating system，TIAH），由布置在壓氣機(jī)進(jìn)氣過(guò)濾室內(nèi)的氣-水換熱器調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫度，如圖1所示。

圖1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)氣溫度控制系統(tǒng)原理圖

進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)采用蒸汽型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組，以0.4MPa飽和水蒸氣為熱源，制取7℃冷水輸送至進(jìn)氣過(guò)濾室內(nèi)氣-水換熱器與空氣進(jìn)行換熱降溫，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)燃機(jī)進(jìn)氣空氣的深度冷卻；進(jìn)氣加熱系統(tǒng)利用余熱鍋爐排煙余熱加熱給水，熱水經(jīng)氣-水換熱器與空氣進(jìn)行換熱，提升燃機(jī)進(jìn)氣溫度。

本文采用EBSILON 仿真軟件搭建研究對(duì)象熱力系統(tǒng)模型，并將100%性能保證工況下模擬計(jì)算值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，如表2 所示。分析可知，系統(tǒng)模擬計(jì)算值與機(jī)組設(shè)計(jì)值的相對(duì)誤差均小于1%，熱力系統(tǒng)模型具有較高的準(zhǔn)確性。

表2 模擬計(jì)算值和設(shè)計(jì)值比較

1.3 熱力性能計(jì)算

聯(lián)合循環(huán)效率是指在燃機(jī)進(jìn)氣溫度控制時(shí)，聯(lián)合循環(huán)輸出總功率與天然氣消耗總熱量的比值，用式(1)表示。

燃機(jī)效率是指燃機(jī)輸出功率與天然氣消耗總熱量之比，用式(2)表示。

式中，ηc為聯(lián)合循環(huán)效率；ηGT為燃機(jī)效率；P1為聯(lián)合循環(huán)輸出總功率，kW；P2為燃機(jī)輸出功率，kW；g為天然氣耗量，m3/s；LHV為天然氣低位發(fā)熱值，取34570kJ/m3。

聯(lián)合循環(huán)熱耗率定義為每產(chǎn)生1kW·h 電能所消耗的熱量，是衡量進(jìn)氣溫度控制技術(shù)的重要熱經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，用式(3)表示。

式中，qe為聯(lián)合循環(huán)熱耗率，kJ/(kW·h)。

燃機(jī)負(fù)荷率定義為燃機(jī)輸出功率與當(dāng)前進(jìn)氣溫度下所能輸出最大功率之比，用式(4)表示。

式中，kp為燃機(jī)負(fù)荷率；Pmax為燃機(jī)在當(dāng)前進(jìn)氣溫度下所能輸出最大功率，kW。

2 燃機(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

2.1 環(huán)境溫度對(duì)聯(lián)合循環(huán)滿負(fù)荷工況性能的影響

圖2 功率及熱耗率隨環(huán)境溫度變化規(guī)律

在聯(lián)合循環(huán)滿負(fù)荷工況下，燃機(jī)和聯(lián)合循環(huán)功率及熱耗率隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律如圖2所示。分別以進(jìn)氣溫度12.5℃時(shí)的功率和熱耗率為參考值，圖2中功率及熱耗率相對(duì)值定義為不同環(huán)境溫度下機(jī)組功率和熱耗率與相應(yīng)參考值的比值?？芍?dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，燃機(jī)功率和聯(lián)合循環(huán)功率均無(wú)法保持原滿負(fù)荷功率，溫度由12.5℃上升至32℃時(shí)，其功率分別相對(duì)降低12.2%和11.9%；燃機(jī)熱耗率和聯(lián)合循環(huán)熱耗率分別相對(duì)增加3.1%和2.8%。模擬數(shù)據(jù)與表1 中工況1 和工況2 所示的聯(lián)合循環(huán)滿負(fù)荷工況運(yùn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致。分析其原因主要在于環(huán)境溫度升高時(shí)空氣密度降低，而燃機(jī)是以空氣為主要工質(zhì)的定容設(shè)備，在滿負(fù)荷工況下燃機(jī)進(jìn)氣可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉開度保持最大值不變，進(jìn)氣質(zhì)量流量減少，壓氣機(jī)壓縮相同工質(zhì)的耗功相對(duì)增加，故燃機(jī)功率和效率均降低。另外，環(huán)境溫度升高時(shí)汽機(jī)背壓升高，進(jìn)一步降低了汽機(jī)功率[3]。

2.2 燃機(jī)進(jìn)氣冷卻對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能的影響

綜合分析表1 和圖2 可知，當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí)，存在降低燃機(jī)進(jìn)氣溫度，提高聯(lián)合循環(huán)輸出功率和降低熱耗率的可行性。

對(duì)聯(lián)合循環(huán)采用燃機(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)的性能變化情況進(jìn)行模擬分析?？諝鈪?shù)的初始值設(shè)置為研究對(duì)象所在地6 月至8 月日間平均溫度32℃和相對(duì)濕度55%，以5℃間隔溫度及空氣露點(diǎn)附近溫度作為典型溫降點(diǎn)，分別考察進(jìn)氣溫度為32℃、27℃、22℃、19.5℃、17℃和12℃時(shí)，燃機(jī)、汽機(jī)及聯(lián)合循環(huán)功率、燃機(jī)進(jìn)氣流量及汽機(jī)抽蒸汽量的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3 進(jìn)氣冷卻與功率、抽蒸汽量及進(jìn)氣流量變化規(guī)律

由圖3可知，在32℃至12℃的溫降區(qū)間內(nèi)，燃機(jī)進(jìn)氣流量隨著溫度降低而逐漸增加，相對(duì)應(yīng)的燃機(jī)功率由112MW大幅度增加至128MW。隨著空氣降溫幅度增大，汽機(jī)抽蒸汽量逐漸增加，對(duì)應(yīng)的制冷負(fù)荷需求量逐漸增大，且當(dāng)溫度低于19.5℃后，降低空氣溫度所需冷負(fù)荷相對(duì)顯著增加。這是因?yàn)樵诘陀诼饵c(diǎn)溫度時(shí)，空氣中氣態(tài)水凝結(jié)吸收相變潛熱的冷量約為顯熱的2倍，空氣深度冷卻所需的冷量大幅度增加[19-20]。汽機(jī)功率在32℃至22℃降溫區(qū)間內(nèi)有較小幅度增加，低于19.5℃后由于抽蒸汽量大幅度增加的原因，汽機(jī)功率有所降低。

整體而言，汽機(jī)降低的功率小于燃機(jī)升高的功率，故聯(lián)合循環(huán)功率隨著空氣冷卻逐漸增加，降溫至12℃時(shí)聯(lián)合循環(huán)功率由170.3MW 增加到184.5MW，增長(zhǎng)了14.2MW。值得注意的是，由于抽取蒸汽作為溴冷機(jī)熱源減少了汽機(jī)出力，在進(jìn)氣溫度12℃時(shí)聯(lián)合循環(huán)功率仍無(wú)法達(dá)到機(jī)組ISO工況保證功率193.3MW。故在高溫季節(jié)，燃?xì)怆姀S雖然可以通過(guò)進(jìn)氣冷卻技術(shù)深度冷卻進(jìn)氣溫度提高聯(lián)合循環(huán)的功率，但仍較難達(dá)到機(jī)組保證負(fù)荷。

圖4所示為進(jìn)氣冷卻對(duì)燃機(jī)和聯(lián)合循環(huán)熱耗率的影響規(guī)律。分別以進(jìn)氣溫度32℃時(shí)的燃機(jī)和聯(lián)合循環(huán)熱耗率為參考值，熱耗率相對(duì)值定義為不同進(jìn)氣溫度下燃機(jī)和聯(lián)合循環(huán)熱耗率與相應(yīng)參考值的比值。由圖4可知，在降溫區(qū)間內(nèi)，燃機(jī)熱耗率呈線性降低趨勢(shì)，當(dāng)溫度由32℃降低至12℃時(shí)，熱耗率相對(duì)下降約3%；受制冷所用蒸汽量增加以及燃機(jī)排煙溫度降低等因素影響，隨著進(jìn)氣溫度降低，聯(lián)合循環(huán)熱耗率呈升高趨勢(shì)，當(dāng)溫度由32℃下降至22℃和12℃時(shí)，熱耗率分別相對(duì)增加約0.6%和2.3%。綜上分析可知，采用吸收式進(jìn)氣冷卻方式可以有效提高聯(lián)合循環(huán)功率，但在一定程度上增加了熱耗率，降低了天然氣發(fā)電經(jīng)濟(jì)性能，故該技術(shù)應(yīng)用具有一定的局限性。

圖4 進(jìn)氣冷卻對(duì)燃機(jī)及聯(lián)合循環(huán)熱耗率的影響

3 燃機(jī)進(jìn)氣加熱技術(shù)及應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

3.1 燃機(jī)進(jìn)氣加熱技術(shù)試驗(yàn)

基于表1運(yùn)行數(shù)據(jù)分析得出的聯(lián)合循環(huán)性能在部分負(fù)荷工況下隨著環(huán)境溫度升高的變化規(guī)律與滿負(fù)荷工況時(shí)相反的這一特征，自主設(shè)計(jì)安裝燃機(jī)進(jìn)氣加熱系統(tǒng)，對(duì)研究對(duì)象在部分負(fù)荷工況下開展進(jìn)氣加熱試驗(yàn)研究。該試驗(yàn)項(xiàng)目為燃機(jī)進(jìn)氣加熱系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)燃?xì)怆姀S中的首次示范應(yīng)用。在余熱鍋爐低壓省煤器后加裝煙氣-水換熱器，利用煙氣廢熱加熱給水至65℃后經(jīng)水泵引入燃機(jī)進(jìn)氣過(guò)濾室氣-水換熱器中形成吸放熱閉式循環(huán)水系統(tǒng)。該系統(tǒng)可精確控制空氣溫升，溫度上限設(shè)計(jì)值為40℃。

在聯(lián)合循環(huán)120MW 時(shí)，通過(guò)進(jìn)氣加熱系統(tǒng)將進(jìn)氣溫度由12.5℃提高至35℃。對(duì)機(jī)組效率及燃?xì)夂牧吭谶M(jìn)氣加熱前后的模擬與試驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行比較，如圖5所示。

圖5 機(jī)組效率及燃?xì)夂牧康哪M和試驗(yàn)數(shù)值比較

由圖5 可知，在進(jìn)氣溫度12.5℃時(shí)，通過(guò)模擬計(jì)算得到的燃機(jī)和聯(lián)合循環(huán)效率分別為26.40%和46.10%，燃?xì)夂牧繛?.20kg/s；試驗(yàn)測(cè)試得到燃機(jī)和聯(lián)合循環(huán)效率分別為26.64%和46.40%，燃?xì)夂牧繛?.25kg/s，與模擬數(shù)值相對(duì)誤差均小于1%。進(jìn)口溫度由12.5℃提升至35℃時(shí)，試驗(yàn)得到的燃機(jī)和聯(lián)合循環(huán)效率分別為26.88%和47.10%，燃?xì)夂牧繛?.16kg/s，與模擬值均具有高度吻合性。以上進(jìn)一步驗(yàn)證了本文熱力系統(tǒng)模型和模擬數(shù)值的可靠與準(zhǔn)確性，可以通過(guò)模擬計(jì)算分析進(jìn)氣加熱對(duì)機(jī)組性能的影響。

3.2 燃機(jī)進(jìn)氣加熱對(duì)聯(lián)合循環(huán)部分負(fù)荷工況性能的影響

分別在聯(lián)合循環(huán)120MW和160MW時(shí)，將燃機(jī)進(jìn)氣溫度由12.5℃逐漸加熱提升至40℃。燃機(jī)和汽機(jī)功率隨進(jìn)氣溫升的變化規(guī)律如圖6所示。

由圖6 可知，在120MW 時(shí)，燃機(jī)輸出功率隨著進(jìn)氣溫度升高有較小幅度降低，由68.64MW 降低至67.9MW，與表1 中燃機(jī)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，相對(duì)應(yīng)的汽機(jī)功率隨著進(jìn)氣溫度升高有較小幅度的提升，維持聯(lián)合循環(huán)功率保持不變；在160MW 時(shí)，隨著進(jìn)氣溫度升高，燃機(jī)功率由100.11MW 降低至97.9MW，對(duì)應(yīng)的汽機(jī)功率隨著進(jìn)氣溫度升高而增加，與120MW 時(shí)性能變化趨勢(shì)一致。

圖6 部分負(fù)荷下進(jìn)氣加熱對(duì)燃機(jī)和汽機(jī)功率的影響

圖7 及圖8 所示為部分負(fù)荷下燃機(jī)及聯(lián)合循環(huán)效率及熱耗率隨著進(jìn)氣加熱的變化規(guī)律。由圖7可知，保持聯(lián)合循環(huán)功率80MW、120MW和160MW，在12.5～40℃溫升區(qū)間內(nèi)，隨著進(jìn)氣溫度的提升，燃機(jī)效率略有增加，在進(jìn)氣溫度40℃時(shí)的效率比12.5℃時(shí)分別相對(duì)升高約0.2%、0.4%和0，同樣燃機(jī)熱耗率分別相對(duì)降低1%、1.5%和0。

圖7 部分負(fù)荷下進(jìn)氣加熱對(duì)燃機(jī)性能的影響

圖8 部分負(fù)荷下進(jìn)氣加熱對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能的影響

由圖8 可知，在3 種定功率工況下，在12.5～40℃溫升區(qū)間內(nèi)，聯(lián)合循環(huán)效率隨著燃機(jī)進(jìn)氣溫度的升高均逐漸提高，進(jìn)氣溫度升至40℃時(shí)的聯(lián)合循環(huán)效率分別為42.40%、47.70%和50.64%，比進(jìn)氣加熱前相對(duì)提高了0.86%、1.26%和1.11%。熱耗率隨著進(jìn)氣溫度的升高而降低，相比進(jìn)氣加熱前分別降低2.0%、2.7%和2.2%?？芍?，進(jìn)氣加熱對(duì)聯(lián)合循環(huán)效率提升的幅度大于對(duì)頂循環(huán)燃機(jī)效率的提升幅度。

圖9所示為聯(lián)合循環(huán)不同負(fù)荷下燃機(jī)負(fù)荷率隨燃機(jī)進(jìn)氣溫升的變化規(guī)律。由圖可知，滿負(fù)荷工況下，燃機(jī)負(fù)荷率隨燃機(jī)進(jìn)氣溫度升高始終保持為1；在80MW、120MW和160MW這3個(gè)部分負(fù)荷工況下，當(dāng)進(jìn)氣溫度由12.5℃升高至40℃時(shí)，燃機(jī)負(fù)荷率由0.30、0.53 和0.78 分別增加到0.36、0.64和0.92。

圖9 聯(lián)合循環(huán)不同負(fù)荷下燃機(jī)負(fù)荷率隨進(jìn)氣溫升的變化規(guī)律

針對(duì)本文研究對(duì)象中的燃機(jī)，當(dāng)其負(fù)荷率逐漸降低時(shí)，燃機(jī)進(jìn)氣可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉開度逐步關(guān)小，進(jìn)氣流量降低，壓氣機(jī)和透平及燃機(jī)效率均隨之下降，進(jìn)入聯(lián)合循環(huán)底循環(huán)的能量減少，聯(lián)合循環(huán)功率和效率下降[6,8]。反之，在聯(lián)合循環(huán)部分負(fù)荷下，保持聯(lián)合循環(huán)3種定功率，通過(guò)燃機(jī)進(jìn)氣加熱可以提高燃機(jī)進(jìn)氣體積流量，進(jìn)而增大進(jìn)口可轉(zhuǎn)導(dǎo)葉開度，降低進(jìn)氣節(jié)流損失，壓氣機(jī)效率顯著提高。同時(shí)通過(guò)進(jìn)氣加熱提高了燃機(jī)負(fù)荷率，燃機(jī)效率增加，燃機(jī)及聯(lián)合循環(huán)熱耗率降低，燃?xì)夂牧繙p少；另外，充分利用低溫余熱能夠有效提高能源的利用效率[21]，從燃?xì)怆姀S整體角度分析，將底循環(huán)中余熱鍋爐的排煙余熱引入頂循環(huán)燃機(jī)進(jìn)行回?zé)嵫h(huán)，可以提升聯(lián)合循環(huán)效率[7]。燃機(jī)進(jìn)氣加熱是燃?xì)怆姀S低品位余熱的一種新型應(yīng)用。

3.3 燃機(jī)進(jìn)氣加熱技術(shù)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性分析

聯(lián)合循環(huán)在部分負(fù)荷80MW、120MW 和160MW 時(shí)，燃?xì)夂牧侩S燃機(jī)進(jìn)氣加熱的變化規(guī)律如圖10所示?？芍?，3個(gè)部分負(fù)荷工況下燃?xì)庀牧侩S著進(jìn)氣溫度升高均逐漸下降，表明在部分負(fù)荷工況下，可以通過(guò)燃機(jī)進(jìn)氣加熱技術(shù)節(jié)省燃?xì)夂牧?，提高?lián)合循環(huán)經(jīng)濟(jì)性。以圖中120MW 為例，燃?xì)夂牧颗c進(jìn)氣溫度的關(guān)系曲線可擬合為式(5)。

g=a+bT(5)

式中，a=5.26，b=-0.0053，擬合相關(guān)系數(shù)為0.9827，燃?xì)夂牧颗c燃機(jī)進(jìn)氣溫度呈線性關(guān)系。在一定溫度區(qū)間內(nèi)，進(jìn)氣溫度每升高10℃，可節(jié)約燃?xì)?90kg/h，折合270m3/h。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，在聯(lián)合循環(huán)120MW 時(shí)，燃機(jī)進(jìn)氣溫升20℃時(shí)，天然氣耗量下降約為550m3/h，與模擬值吻合。

圖10 部分負(fù)荷下進(jìn)氣加熱對(duì)燃?xì)夂牧康挠绊?/p>

根據(jù)研究對(duì)象運(yùn)行實(shí)際，對(duì)聯(lián)合循環(huán)進(jìn)氣加熱系統(tǒng)年利用小時(shí)數(shù)和燃機(jī)進(jìn)氣溫升進(jìn)行一定簡(jiǎn)化和假設(shè)。由圖10 可知，120～160MW 負(fù)荷時(shí)燃?xì)夂牧侩S進(jìn)氣溫升的下降幅度一致，假設(shè)聯(lián)合循環(huán)在該負(fù)荷區(qū)間內(nèi)且可投入進(jìn)氣加熱系統(tǒng)的年利用小時(shí)數(shù)為3000h，以40℃為限值時(shí)平均進(jìn)氣溫升幅度為15℃，可節(jié)約天然氣耗量約為400m3/h，按工業(yè)用氣價(jià)格3CNY/m3計(jì)算，可知每臺(tái)機(jī)組全年節(jié)能收益為360萬(wàn)元，此進(jìn)氣加熱項(xiàng)目示范工程的靜態(tài)投資約為800萬(wàn)元，故具有較高的投資回報(bào)率。同時(shí)，通過(guò)燃機(jī)進(jìn)氣加熱技術(shù)可以有效解決燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)在雨雪霧霾等氣候下的濕堵和冰堵難題[5]，對(duì)保障燃機(jī)安全運(yùn)行具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

基于某200MW級(jí)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，通過(guò)試驗(yàn)和模擬仿真等方法，研究了燃機(jī)進(jìn)氣溫度控制技術(shù)及其在聯(lián)合循環(huán)全負(fù)荷工況下的應(yīng)用，得出如下結(jié)論。

（1）聯(lián)合循環(huán)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析表明，在滿負(fù)荷工況時(shí)，環(huán)境溫度升高導(dǎo)致燃機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量降低及汽機(jī)背壓升高，聯(lián)合循環(huán)功率和效率隨環(huán)境溫度升高而逐漸降低；在保持部分負(fù)荷不變時(shí)，環(huán)境溫度升高使得燃機(jī)負(fù)荷率提高，聯(lián)合循環(huán)效率增加，燃?xì)庀牧繙p少。部分負(fù)荷下聯(lián)合循環(huán)性能與環(huán)境溫度間的變化規(guī)律與滿負(fù)荷工況時(shí)差異較大。

（2）對(duì)聯(lián)合循環(huán)滿負(fù)荷工況下采用進(jìn)氣冷卻技術(shù)的性能變化規(guī)律進(jìn)行了仿真分析。當(dāng)燃機(jī)進(jìn)氣溫度由32℃降至12℃，聯(lián)合循環(huán)功率可提高14.2MW，熱耗率相應(yīng)增加2.3%；在低于空氣露點(diǎn)溫度后，進(jìn)氣冷卻所需制冷量明顯增加。

（3）對(duì)聯(lián)合循環(huán)部分負(fù)荷工況下利用燃機(jī)進(jìn)氣加熱技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究和仿真分析。在聯(lián)合循環(huán)80MW、120MW 和160MW 這3 種定負(fù)荷工況下，通過(guò)煙氣余熱將燃機(jī)進(jìn)氣溫度由12.5℃升高到40℃時(shí)，燃機(jī)功率略有降低，燃機(jī)效率有小幅度增加，燃?xì)夂牧恐饾u降低，聯(lián)合循環(huán)效率分別提升0.86%、1.26%和1.11%。進(jìn)氣加熱對(duì)聯(lián)合循環(huán)效率提升的幅度大于對(duì)燃機(jī)效率的提升幅度。

（4）燃機(jī)進(jìn)氣溫度控制技術(shù)建立了聯(lián)合循環(huán)底循環(huán)與頂循環(huán)的耦合，在一定的聯(lián)合循環(huán)負(fù)荷和進(jìn)氣溫度范圍內(nèi)調(diào)節(jié)燃機(jī)進(jìn)氣溫度可有效改善聯(lián)合循環(huán)性能，具有較高的研究和應(yīng)用價(jià)值。