進氣冷卻對LM6000PF燃氣輪機夏季運行負荷的提升

楊尤平

(華潤電力常州有限公司, 江蘇 常州 213000)

輕型燃氣輪機啟停快，運行靈活，能滿足供熱和發(fā)電雙重需求，是分布式能源站的主流機型。夏季是用電高峰，但是夏季環(huán)境溫度高限制了燃氣輪機的出力。數(shù)據(jù)表明，在環(huán)境溫度(T1)5 ℃時，燃氣輪機輸出功率為額定出力的106%，在環(huán)境溫度35 ℃只有額定出力的84%。采用溴化鋰制冷對燃氣輪機進氣進行冷卻，聯(lián)合循環(huán)機組排氣廢熱作為溴化鋰的熱源，有效地利用聯(lián)合循環(huán)機組的排氣低品位熱源，提高了整個聯(lián)合循環(huán)效率，有較大的推廣價值。

1 概述

華潤電力常州有限公司(以下簡稱華潤常州)建設(shè)一套燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)抽凝機組(46 MW燃氣輪機發(fā)電機組+55.8 t/h余熱鍋爐+12 MW抽凝式汽輪發(fā)電機組)和一套燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)背壓機組(46 MW燃氣輪機發(fā)電機組+55.8 t/h余熱鍋爐+4 MW背壓式汽輪發(fā)電機組)。

燃氣輪機由上海華電通用公司生產(chǎn)，型號為LM6000PF，簡單循環(huán)機組出力為45 409 kW(設(shè)計工況)。LM6000PF是一個雙軸燃氣輪機(雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用高壓軸套低壓軸的形式)，由5級低壓壓氣機(LPC)、14級高壓壓氣機(HPC)、2級高壓透平(HPT)和5級低壓透平(LPT)組成。低壓轉(zhuǎn)子由LPC和驅(qū)動它的LPT組成，高壓轉(zhuǎn)子由HPC和驅(qū)動它的HPT組成。

空氣通過進氣系統(tǒng)過濾后進入LPC，LPC以約2.4∶1 的比例壓縮空氣，HPC以約12∶1 的比例壓縮空氣，形成了與壓氣機進氣壓力相比30∶1的總壓縮比，然后進入三重環(huán)形燃燒室，在75個空氣-燃氣預(yù)混器內(nèi)與燃料混合后由點火器點燃，燃燒產(chǎn)生的高溫氣體進入HPT膨脹做功，同時帶動HPC，氣體繼續(xù)經(jīng)過LPT膨脹做功，帶動LPC，同時通過減速齒輪箱帶動發(fā)電機輸出負荷。膨脹后的氣體通過余熱鍋爐從主煙囪排入大氣。華潤常州聯(lián)合循環(huán)機組工藝流程如圖1所示。

圖1 聯(lián)合循環(huán)工藝流程

2 環(huán)境溫度對燃氣輪機的影響

燃氣輪機標準工況是大氣壓力101.3 kPa，環(huán)境溫度15 ℃，相對濕度60 %，但實際上環(huán)境溫度經(jīng)常偏離標準條件，使壓氣機進氣質(zhì)量、流量等參數(shù)發(fā)生變化，這是導(dǎo)致燃氣輪機運行性能變化的重要因素。當環(huán)境溫度升高，空氣密度減小，進入壓氣機和燃氣輪機透平的空氣質(zhì)量減少，使得燃氣輪機出力下降。環(huán)境溫度升高還會使壓氣機的壓縮比降低，致使燃氣輪機透平的作功量減少。在環(huán)境溫度升高的同時，壓氣機的耗功也在增大，從而導(dǎo)致燃氣輪機的出力進一步下降。燃氣輪機簡單循環(huán)輸出比功Wn(單位質(zhì)量工質(zhì)所作的功)為燃氣輪機比功Wt減去壓氣機比功Wc。

Wn=Wt-Wc

(1)

由熱力學(xué)知道，氣體溫度愈低，分子運動的速度也愈低，達到同樣壓比所需的壓縮功也就愈小。在等熵壓縮時，壓氣機比功與氣體初溫成正比。

Wc=CpT1(πm-1)

(2)

式中：Cp為空氣定壓比熱；T1為環(huán)境溫度；π為壓比；m=(k-1)/k，k為空氣絕熱指數(shù)。因此，氣溫下降時，壓氣機比功下降，燃氣輪機比功上升，即燃氣輪機效率隨之上升，反之亦然。根據(jù)上海華電通用公司《LM6000PF操作與維護手冊》，LM6000PF燃氣輪機性能曲線見圖2和圖3。

圖2 LM6000PF在不同環(huán)境溫度下的出力

圖3 LM6000PF在不同環(huán)境溫度下的效率

記錄2019年8月至2020年8月華潤常州LM6000PF燃氣輪機運行1年的功率與環(huán)境溫度，如圖4所示。

圖4 環(huán)境溫度與燃氣輪機功率的關(guān)系

可以看出，LM6000PF燃氣輪機負荷受環(huán)境溫度影響極大，負荷隨著環(huán)境溫度的上升而減少。由于參加調(diào)峰運行，在夏季峰電時段，電網(wǎng)往往要求發(fā)出最大功率，以緩解高峰用電壓力。但此時由于環(huán)境溫度較高，燃氣輪機會出現(xiàn)出力下降現(xiàn)象。此外，由于效率下降，運行經(jīng)濟性也會隨之下降。因此為了提高LM6000PF燃氣輪機功率，對LPC進氣進行冷卻尤為必要。

3 燃氣輪機進氣冷卻裝置

通過在進氣濾網(wǎng)前加裝進氣冷卻裝置來降低燃氣輪機LPC進氣溫度(T2)，是在高溫季節(jié)提高燃氣輪機實際出力、消除環(huán)境溫度升高影響的最簡單最有效的辦法。利用余熱鍋爐排氣作為溴化鋰機組熱源，可以提高聯(lián)合循環(huán)效率，系統(tǒng)如圖5所示。下面從熱水加熱器、溴化鋰機組、進氣冷卻裝置三部分展開介紹。

圖5 燃氣輪機進氣冷卻系統(tǒng)組成

3.1 熱水加熱器

LM6000燃氣輪機排煙溫度為454.9 ℃，流經(jīng)余熱鍋爐后的尾部排煙溫度約為125 ℃。在余熱鍋爐后的煙道尾部安裝一套熱水加熱器(如圖6所示)。煙氣流通鍋爐后加熱熱水加熱器，被加熱后的水作為溴化鋰機組熱源。溴化鋰機組生產(chǎn)的冷凍水在空氣冷卻器中通過間接接觸的方式冷卻LPC進氣，達到降低燃氣輪機LPC進氣溫度的目的，同時可以進一步利用排煙余熱，實現(xiàn)能源的梯級利用。熱水加熱器出水溫度為95 ℃，設(shè)計流量為130 t/h，蒸發(fā)損失的熱水由鍋爐熱水泵從超濾水箱補充。燃氣聯(lián)合循環(huán)中，燃氣輪機的排煙溫度決定了主蒸汽溫度的高低，排煙流量決定蒸汽量的大小。對于聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，熱水加熱器安裝在余熱鍋爐尾部，對熱循環(huán)無影響，余熱鍋爐排煙溫度下降至100 ℃，聯(lián)合循環(huán)效率提高了約2 %，同時實現(xiàn)了能源的梯級利用。

圖6 余熱鍋爐受熱面布置

3.2 溴化鋰機組

根據(jù)上述熱水加熱器出水溫度和流量，結(jié)合廠家的設(shè)計經(jīng)驗，確定溴化鋰機組參數(shù)如下:制冷功率1 170 kW，熱水進水溫度95 ℃，熱水流量130 t/h，冷水出水溫度7 ℃，冷水流量201 t/h，循環(huán)水流量381 t/h。溴化鋰機組冷水為主廠房區(qū)域、綜合辦公樓空調(diào)系統(tǒng)、燃氣輪機進氣冷卻系統(tǒng)提供冷源，換熱后回流至集水器。損失的冷水由鍋爐除鹽水補充。

3.3 進氣冷卻裝置

LM6000PF燃氣輪機進氣過濾艙室如圖7所示，采用粗濾(1 μm)+精濾(0.5 μm)兩級過濾。在壓氣機進氣前的粗濾和精濾之間安裝冷卻盤管，通過表面換熱的方式改變LPC進氣溫度。此方式不僅可以在夏季高溫時期接入溴化鋰機組冷水，降低LPC進氣溫度，提高LM6000PF燃氣輪機出力，還可以在冬季低溫時期通入循環(huán)水作為進氣的防冰凍水，防止進氣通道結(jié)露堵塞，避免燃氣輪機發(fā)生“吞冰”的風(fēng)險。

在機組調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，燃氣輪機進氣經(jīng)冷卻盤管降溫的同時，由于冷卻盤管外壁低于進氣溫度的露點溫度，導(dǎo)致空氣中的水汽析出形成冷凝水，從進氣艙室底部落水口排至地面，造成艙室附近地面污染。可將進氣艙室底部落水集中收集后經(jīng)母管引至機力塔作為全廠循環(huán)冷卻水補充，節(jié)約了水資源。

4 結(jié)論

在夏季高溫情況下投入進氣冷卻裝置對燃氣輪機負荷的提升是顯而易見的，見圖8。

圖8 LM6000PF投入進氣冷卻裝置對比圖

在環(huán)境溫度27.8 ℃以上時，每小時可提高4 MW左右，日均發(fā)電量提升8 %左右。根據(jù)常州市氣溫情況，5至9月期間投入進氣冷卻裝置運行，總時長3 600 h，華潤常州兩臺LM6000PF燃氣輪機年提升電量共計為4 MW/h×3 600 h×2=28 800 MW，對于同類型燃氣輪機環(huán)境溫度超過20 ℃地區(qū)有極大的推廣價值。