進(jìn)氣冷卻技術(shù)提高燃?xì)廨啓C(jī)的出力和熱效率

葉志平

（福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建 福州 350108）

夏季高溫期間，也是電網(wǎng)迫切需要利用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的關(guān)鍵時(shí)期。然而，隨著大氣溫度不斷升高，汽輪機(jī)的出力也明顯下降。效率不斷下降時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益也會受到很大影響，如何解決這一矛盾已成為燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電部門亟待研究的課題。

1 燃?xì)廨啓C(jī)工作原理及大氣溫度對其影響

燃?xì)廨啓C(jī)的工作原理可以簡單認(rèn)為和噴氣式飛機(jī)的噴氣引擎一樣。空氣從燃?xì)廨啓C(jī)組的進(jìn)氣口進(jìn)入，然后通過壓氣葉片壓入燃燒室，和燃燒室內(nèi)噴入的天然氣混合燃燒。燃燒過程中產(chǎn)生大量熱能，氣體急劇膨脹后進(jìn)入渦輪區(qū)，逐級推動葉片轉(zhuǎn)動，然后從出氣口排出。葉片轉(zhuǎn)動帶動軸轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

大氣溫度直接影響簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的出力和效率[1]。對于簡單的循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)，隨著大氣溫度不斷升高，燃?xì)廨啓C(jī)的出力和效率都會下降很多。不同大氣溫度下，G公司提供的9E型燃?xì)廨啓C(jī)性能變化趨勢如圖1所示。

圖1 不同大氣溫度下9E型燃?xì)廨啓C(jī)性能變化曲線圖

圖1中，燃?xì)廨啓C(jī)的輸出和耗熱以標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)氣溫度15℃為標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)大氣溫度升高到38℃時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的出力僅為設(shè)計(jì)值的85%，而熱耗將上升到設(shè)計(jì)值的104%。與此同時(shí)，9E燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度已經(jīng)從設(shè)計(jì)值523℃上升到536℃。

在聯(lián)合循環(huán)層面，隨著大氣溫度不斷升高，對聯(lián)合循環(huán)性能影響最大的燃?xì)廨啓C(jī)出力和效率均有所下降[2]。隨著大氣溫度持續(xù)上升，冷卻水的溫度也會上升，渦輪背壓也會上升，二次循環(huán)冷卻塔冷卻比采用直流電冷卻溫度受影響更大。汽輪機(jī)的出力和效率都呈下降趨勢。鑒于燃?xì)廨啓C(jī)排氣溫度升高，一些因素使排進(jìn)余熱鍋爐的廢氣增加，因此，聯(lián)合循環(huán)處理和熱耗受大氣溫度的影響小于燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)。

2 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)及應(yīng)用

環(huán)境溫度會影響燃?xì)廨啓C(jī)和聯(lián)合循環(huán)的性能[3]。如果溫度升高，產(chǎn)量會減少，效率也會降低。唯一的解決方案是使用進(jìn)氣冷卻技術(shù)，以確保它在穩(wěn)定的低進(jìn)氣溫度環(huán)境中保持整整一年的高產(chǎn)量和高效率。

2.1 蒸發(fā)冷卻

方法一：在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣濾清器下游側(cè)的風(fēng)道上安裝濕膜蒸發(fā)冷卻器，將水噴到進(jìn)氣濾清器上，通過水的蒸發(fā)實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣的冷卻。

方法二：保證水霧化，將其噴入進(jìn)氣道以后，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣的冷卻。

選擇噴霧冷卻方式時(shí)要慎重，主要是因?yàn)榭諝庵袛y水率較大，增加了壓氣機(jī)的負(fù)荷，直接影響其性能。一般情況下，運(yùn)用這種方式也有一定的要求，即保證水質(zhì)的純凈，如果水質(zhì)中含有微量雜質(zhì)，非常容易使燃?xì)廨啓C(jī)葉片出現(xiàn)腐蝕的情況。

蒸發(fā)冷卻對燃?xì)廨啓C(jī)出力、熱耗產(chǎn)生的影響和當(dāng)?shù)乜諝鉂穸却嬖谥o密聯(lián)系，具體如圖2所示。由圖2可知，濕度達(dá)到20%的地區(qū)，如果氣溫達(dá)到38℃，蒸發(fā)冷卻獲得的收益較大，導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)出力提高到11%，熱耗會降低到2%；濕度達(dá)到60%的地區(qū)，氣溫達(dá)到38℃會蒸發(fā)冷卻，使燃?xì)廨啓C(jī)出力提高到4%，熱耗降低到1%。所以，蒸發(fā)冷卻被更多地使用到干燥炎熱的區(qū)域中。

圖2 蒸發(fā)冷卻對燃?xì)廨啓C(jī)出力和熱耗產(chǎn)生的影響

廣州明珠電力公司有2臺CW251B11型燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)，所安裝的是美國唐納森公司生產(chǎn)的蒸發(fā)冷卻器。如果空氣濕度為70%～80%，進(jìn)氣溫度可下降4～6℃；如果濕度較小，進(jìn)氣溫度可下降8℃以上。機(jī)組出力可提高1.12～1.68 MW，最高時(shí)能夠達(dá)到2 MW。

新疆塔里木油田輪南燃?xì)廨啓C(jī)電站中有3臺Solar公司提供的Mars-100型燃?xì)廨啓C(jī)。溫度達(dá)到15℃時(shí)，機(jī)組出力可達(dá)到9.04 MW，熱耗率為11 727 kJ/（kW·h）；如果氣溫達(dá)到40℃，機(jī)組出力就會下降，下降到了7.63 MW，熱耗率也會上升到12 314 kJ/（kW·h），排氣溫度可上升到507℃。這實(shí)際上就是在燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度提高到25℃的情況下，機(jī)組出力就會下降15.37%，熱耗會上升到5%，排氣溫度會提高22℃[4]。

結(jié)合新疆塔里木油田輪南地區(qū)的氣候特點(diǎn)可知，夏季新疆塔里木油田輪南地區(qū)氣溫高于40℃，濕度達(dá)到10%。2000年，工廠向燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣口不利的方向注入鹽水，通過水霧蒸發(fā)降低空氣中的溫度。氣流中的一些細(xì)水霧在碰撞后會形成較大的水滴，這些水滴將被拆下安裝到氣流下游的濕膜細(xì)水霧分離器上，然后返回到噴霧供水系統(tǒng)。此時(shí)進(jìn)行整潔，濕膜經(jīng)過二次蒸發(fā)，會提高進(jìn)氣濕度，干球濕度會更接近露點(diǎn)溫度。

每臺噴霧蒸發(fā)冷卻器設(shè)備投資金額為73萬元，當(dāng)年可收回投資。目前，新疆已建成燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組40臺。在啟動西氣東輸和新疆開發(fā)油氣田后，燃?xì)廨啓C(jī)已在中國西部大開發(fā)中得到應(yīng)用，噴霧蒸發(fā)冷卻技術(shù)也具有非常廣闊的前景。

2.2 表面式冷卻

表面式冷卻實(shí)際上就是借助于換熱器對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻。燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣道中需要安裝鰭片管式換熱器，管道中注入5℃左右的冷水，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣時(shí)經(jīng)過鰭片管外側(cè)的時(shí)候就進(jìn)行了冷卻。

在冷卻過程開始時(shí)，應(yīng)遵循恒定的比溫線。如果空氣溫度冷卻到露點(diǎn)溫度，空氣中的水蒸氣就會接近飽和狀態(tài)，水就會在空氣中凝結(jié)，所以需要除霧。隨著溫度逐漸冷卻，也會產(chǎn)生大量的凝結(jié)水。水汽化的潛熱非常高，此時(shí)冷卻能量被空氣消耗，水分凝結(jié)，冷卻部分很小。直到空氣和水價(jià)基本冷卻和凝結(jié)，空氣溫度才能繼續(xù)下降。

表面式冷卻時(shí)冷源只要有足夠的制冷能力，且換熱器鰭片管具有一定的傳熱能力，就能將進(jìn)氣冷卻到最佳進(jìn)氣溫度，所以在潮濕炎熱區(qū)域中大多數(shù)會采用這種冷卻方式。

2.3 電制冷

利用燃?xì)廨啓C(jī)或聯(lián)合循環(huán)電廠本身產(chǎn)生的電，驅(qū)動氨基壓縮制冷機(jī)產(chǎn)生低溫冷水，冷水通過閉式循環(huán)回路送至燃?xì)廨啓C(jī)，進(jìn)入器官內(nèi)的翅片管換熱器，從而降低燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過程中的溫度。

中國南京工程學(xué)院電力工程研究中心研究出一種點(diǎn)制冷系統(tǒng)，即GTIAC系列燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻裝置。該種系統(tǒng)主要分為2個(gè)型號：GTIAC-1型主要適用于6B型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和106B型聯(lián)合循環(huán)電廠；GTI-AC-II主要適用于9E型燃?xì)廨啓C(jī)和206B、109E型聯(lián)合循環(huán)電廠。

江蘇無錫華達(dá)電廠使用的是由美國雙S公司提供的LM6000輕型燃?xì)廨啓C(jī)，燃?xì)廨啓C(jī)還配備了進(jìn)氣冷卻裝置。采用R-123制冷機(jī)，壓縮機(jī)功率為1 281 kW。它能夠產(chǎn)生750 m3/h的冷水（5℃），并將其發(fā)送給燃?xì)廨啓C(jī)，空氣冷卻器幫助下一個(gè)封閉的循環(huán)回路，確保燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣時(shí)溫度最佳（8～10℃），全年耗水量為1 193 m3/h，進(jìn)水溫度為32.2℃，出水溫度為38.5℃。

2.4 冰蓄冷制冷

利用夜晚低谷電廉價(jià)優(yōu)勢，主要使用水冷式低溫冷水機(jī)組制冷。低溫冷水機(jī)組中的冷媒采用完全不含氟利昂的407C、R134a，不會對環(huán)境產(chǎn)生污染。低溫冷水機(jī)組會輸出冷凍液，冷凍液使用乙二醇或丙二醇等，冷凍液出口溫度為﹣15～5℃。

當(dāng)冷凍液進(jìn)入大容量冷庫盤管時(shí)，會產(chǎn)生非常大的冰水混合物，主要用于冷卻白天發(fā)電高峰期燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣。冷凍液也可輸入到冷凍水換熱器盤管中。當(dāng)冷水在5℃左右生成時(shí)，及時(shí)對天然氣輪機(jī)進(jìn)行進(jìn)氣風(fēng)冷。

1991年美國洛克拜燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)峰電站在美國電力研究院等單位的合作下，安裝了一套新的進(jìn)氣冷卻裝置。這個(gè)電站有一臺MS7001B燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，正常情況下發(fā)電65 MW，當(dāng)溫度升高至38℃左右時(shí)出力下降至53 MW。電站在機(jī)組附件新建了一個(gè)儲冰罐，當(dāng)電站調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，蓄水罐的冷水流入進(jìn)氣室前面的冷卻管，然后將38℃左右的進(jìn)氣冷卻至4℃左右，使燃?xì)鈾C(jī)輪增加10 MW左右的出力。溫度升高后的水流回蓄冰罐，然后將冰融化成冷水再次進(jìn)入循環(huán)。

2.5 蒸汽或者熱水制冷

借助于廢熱鍋爐尾部聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠預(yù)熱，生成低壓蒸汽或高溫?zé)崴?，或借助?lián)合循環(huán)汽輪機(jī)的電場，將低壓空氣注入溴化鋰吸收式制冷機(jī)，生成冷水。冷水被送入燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口冷卻鰭片管，用于冷卻進(jìn)氣。深圳金崗電力有限公司安裝了一套106B型國產(chǎn)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，將余熱產(chǎn)生的熱水送入制冷機(jī)產(chǎn)生冷水，進(jìn)而用于燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻。相對濕度為70%左右時(shí)，氣溫可從35℃下降到20℃左右。除去燃?xì)鈾C(jī)進(jìn)氣及余熱鍋爐增加的阻力引起的出力下降，燃?xì)廨啓C(jī)出力凈增加了3 MW左右。

3 燃?xì)廨啓C(jī)各進(jìn)氣冷卻技術(shù)比較

3.1 蒸發(fā)冷卻

蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)比較簡單，投資較少，能耗低，維護(hù)較為便捷，但是其非常容易受空氣濕度的限制[5]。中國北方、西部區(qū)域較為干燥炎熱，蒸發(fā)冷卻具有廣闊的發(fā)展前景，但是應(yīng)用中需要一定的除鹽水。

3.2 電制冷

電制冷采用發(fā)電、制冷、冷卻的進(jìn)氣方式，其具有體積小、占地小、工程量較小的優(yōu)點(diǎn)；制冷過程中不容易受到環(huán)境濕度的限制；制冷深度較高，能夠?qū)⑦M(jìn)氣溫度控制到6℃。電制冷存在的缺點(diǎn)是需要耗電，運(yùn)行成本較高。

3.3 冰蓄冷制冷

該種進(jìn)氣冷卻技術(shù)也可歸為電制冷，采用低谷電制作成大量的冰水混合物，制作完成后進(jìn)行儲藏，白天燃?xì)廨啓C(jī)頂峰發(fā)電時(shí)放出冷量供使用。其優(yōu)點(diǎn)是使用夜晚的廉價(jià)電能換取了高峰時(shí)的高價(jià)電，同時(shí)還能有效提高電力系統(tǒng)的整體效益。

3.4 蒸汽或者熱水制冷

與以上2種制冷技術(shù)相比蒸汽或者熱水制冷存在以下不同之處：系統(tǒng)比較復(fù)雜，多使用一套蒸汽或者熱水系統(tǒng)；溴化鋰制冷比電制冷壓縮機(jī)占地大，但是比冷蓄冷占地小；制冷效率不會因季節(jié)變化，一年中都可以使用；最大的優(yōu)點(diǎn)是全面利用了電廠低品位熱量。條件是適合余熱鍋爐排煙溫度較高，剩下的余熱能夠借助于聯(lián)合循環(huán)電廠、汽輪機(jī)低壓抽汽聯(lián)合循環(huán)電廠。獲得低品位能量，成本較低，經(jīng)濟(jì)劃算[6-8]。

4 結(jié)束語

借助進(jìn)氣冷卻技術(shù)很大程度上可提高燃?xì)廨啓C(jī)電廠出力以及效率，增大燃?xì)廨啓C(jī)的出力，并獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。不同區(qū)域中采用不同燃?xì)廨啓C(jī)電廠，在不同區(qū)域中使用也需要結(jié)合當(dāng)?shù)乜諝鉂穸燃皽囟鹊?，靈活選擇合適的進(jìn)氣冷卻方式，以達(dá)到最好的效果。