耦合溴化鋰制冷機(jī)組的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)性能分析

摘"要"燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的運(yùn)行性能容易受到環(huán)境溫度的影響，使得機(jī)組在電力負(fù)荷需求高峰期面臨出力不足的問題. 為了解決這一問題，基于EBSILON軟件，對(duì)耦合溴化鋰制冷機(jī)組的SGT5-4000F型燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)進(jìn)行仿真建模，并將冷卻裝置加裝到壓氣機(jī)入口處，模擬分析進(jìn)氣溫度對(duì)聯(lián)合循環(huán)輸出功率和循環(huán)效率的影響規(guī)律. 研究表明：通過改變壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度可知降低進(jìn)氣溫度可使得聯(lián)合循環(huán)發(fā)電功率提高4.73%-6.10%. 在溫度較高的夏季工況，在燃?xì)廨啓C(jī)的壓氣機(jī)進(jìn)氣口處加裝進(jìn)氣冷卻裝置可以提高機(jī)組的性能，并且溫度越高，聯(lián)合循環(huán)輸出功率提高的效果更好.

關(guān)鍵詞"燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán);進(jìn)氣冷卻;溴化鋰吸收式制冷;發(fā)電效率;EBSILON

中圖分類號(hào)"TK47""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼"A

0"引"言

最近幾年，人們越來越重視環(huán)境問題，節(jié)能減排的需求也越來越迫切[1]，天然氣作為一種極具發(fā)展前景的新型能源，具有低排放、高效率等特點(diǎn). 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)由燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)和蒸汽輪機(jī)循環(huán)結(jié)合而成的綜合發(fā)電系統(tǒng)，具有熱效率較高、啟動(dòng)快、調(diào)峰能力強(qiáng)、減少污染等優(yōu)點(diǎn)[2].

但是在夏天，隨著進(jìn)入壓氣機(jī)空氣入口的溫度提高，其輸出電功率明顯下降. 這一時(shí)期，一般是由空調(diào)系統(tǒng)引起的電能需求高峰. 為此，許多學(xué)者針對(duì)該問題開展了相關(guān)的研究，并采用多種模擬軟件對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了模擬計(jì)算.

黃巖[3]對(duì)200 MW燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組建模，通過建模仿真分析了進(jìn)氣溫度變化對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能的影響. 在壓氣機(jī)進(jìn)氣口加裝進(jìn)氣冷卻裝置，發(fā)現(xiàn)進(jìn)氣冷卻技術(shù)能夠提升聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的效率，但同時(shí)會(huì)增加機(jī)組的熱耗率，進(jìn)而降低機(jī)組的發(fā)電經(jīng)濟(jì)性. 張楊林子等[4]建立了一套基于EBSILON的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并在不同的壓力入口條件下對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬，由EBSILON的模擬結(jié)果可知，在較低的環(huán)境溫度下，或較低的相對(duì)濕度下，機(jī)組的熱效率較高. 因此，在夏季高溫條件下，在燃?xì)馔钙降膲簹鈾C(jī)入口安裝進(jìn)氣冷卻器，可有效改善其工作特性. 在相對(duì)濕度較大的南方地區(qū)，我們可以選擇增加進(jìn)氣防雨霧篩網(wǎng)，或是采用進(jìn)氣干燥措施，這些都可以有效地提高燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的系統(tǒng)性能，從而確保機(jī)組高效、可靠地工作. 張高強(qiáng)等[5]采用Aspen Plus軟件建立了PG9171E燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了汽水系統(tǒng)分段的熱力平衡計(jì)算. 對(duì)于裝有進(jìn)氣冷卻器的壓氣機(jī)來說，入口溫度每降低10 ℃左右，燃機(jī)端的輸出功率將提高約9%，消耗的熱量也會(huì)增加大約6%，同時(shí)余熱鍋爐的進(jìn)氣流量也會(huì)增加大約3.6%. 結(jié)果表明，余熱鍋爐的排煙溫度升高15 ℃左右，其效率降低約3%. 在安裝進(jìn)氣冷卻裝置之后，可以調(diào)節(jié)余熱鍋爐的給水流量，以提高主蒸汽流量. 保持余熱鍋爐的效率在設(shè)計(jì)工況下，那么隨著進(jìn)氣溫度的下降，聯(lián)合循環(huán)出力的增幅也會(huì)隨之增加，每下降10 ℃，功率輸出就會(huì)增加2.1 MW左右. Dawoud. B等[6]根據(jù)阿曼的數(shù)據(jù)分析得出，吸收式制冷與蒸發(fā)式制冷相比較，吸收式制冷可使得燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)提高大約20%的輸出功. Ameri和Hejazi[7]研究得出在Chabahar GT發(fā)電廠使用吸收式制冷可以提高其功率輸出，功率輸出增加了約11%. Sanaye等[8]還研究了簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠中吸收制冷將進(jìn)氣溫度從48 ℃降至15 ℃的效果. 根據(jù)他們的研究可知，燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠的功率輸出提高了25.34%. Boonnasa等[9]使用吸收式制冷來提高聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電站的性能. 簡單循環(huán)的功率輸出增加了約10%，聯(lián)合循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠的功率輸出提高了6%.

現(xiàn)在常運(yùn)用的冷卻技術(shù)是在余熱鍋爐尾部加裝蒸汽發(fā)生器，用來對(duì)驅(qū)動(dòng)溴化鋰制冷機(jī)的蒸汽進(jìn)行加熱的新系統(tǒng)，這就等于是多利用了原系統(tǒng)的一部分廢熱. 然而，隨著聯(lián)合循環(huán)機(jī)組參數(shù)的不斷提高，余熱鍋爐尾部可利用的熱能在不斷下降，如果繼續(xù)降低出口參數(shù)，將會(huì)低于煙氣酸露點(diǎn)，進(jìn)而發(fā)生腐蝕余熱鍋爐煙道的情況. 因此，本文將進(jìn)氣冷卻裝置加裝到壓氣機(jī)入口并基于EBSILON軟件，模擬研究降低壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能的影響.

1"系統(tǒng)介紹

1.1"燃?xì)廨啓C(jī)組基本參數(shù)

本文選定SGT5-4000F型燃?xì)廨啓C(jī)組作為聯(lián)合循環(huán)的一部分，機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)見表1.

SGT5-4000F型燃?xì)廨啓C(jī)可以適應(yīng)多種燃料;在超過40%負(fù)荷的情況下，仍能維持較低的NOx及CO排放量;在燃料閥門與壓氣機(jī)入口可旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)葉同步工作時(shí)，可旋轉(zhuǎn)葉片迅速工作，負(fù)荷反應(yīng)迅速，因此更適合應(yīng)用于燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組.

1.2"余熱鍋爐及蒸汽輪機(jī)組基本參數(shù)

聯(lián)合循環(huán)配置的底循環(huán)余熱鍋爐采用三壓、再熱無補(bǔ)燃的自然循環(huán)鍋爐（如圖1），余熱鍋爐和汽輪機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2.

1.3"模型建立

本文以熱力系統(tǒng)分析為基礎(chǔ)，首先基于EBSILON建立了以SGT5-4000F型重型燃?xì)廨啓C(jī)為聯(lián)合循環(huán)頂循環(huán)，以三壓、再熱、無補(bǔ)燃的自然循環(huán)鍋爐為底循環(huán)的模型（如圖2）

然后對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，驗(yàn)證壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度對(duì)燃?xì)? 蒸汽聯(lián)合循環(huán)效率的影響，計(jì)算用的模型參數(shù)值來源于機(jī)組設(shè)計(jì)規(guī)范書. 最后，基于EBSILON軟件對(duì)加裝進(jìn)氣冷卻裝置后的燃?xì)? 蒸汽聯(lián)合循環(huán)模型進(jìn)行仿真，分析加裝進(jìn)氣冷卻裝置后循環(huán)機(jī)組發(fā)電效率以及輸出功率的變化規(guī)律.

2"進(jìn)氣溫度對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的影響

2.1"燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的數(shù)學(xué)模型

由相關(guān)知識(shí)可以推出壓氣機(jī)的耗功為Ny：

[Ny=MacpaT1（ε """"""-1）][][]（1）

式中：cpa-空氣定壓比熱;Ma-壓氣機(jī)入口空氣流量;ε-壓氣機(jī)的壓比;ηy-壓氣機(jī)的效率;ka-空氣的絕熱指數(shù).

燃?xì)馔钙捷敵龉β蕿镹t：

[Nt=Mr cprT3][[1-δ][-

]][ηt]（2）

式中：Mr-燃?xì)獾馁|(zhì)量流量;cpr-燃?xì)獾亩▔簾崛?δ-燃?xì)廨啓C(jī)的膨脹比;kr-燃?xì)獾慕^熱指數(shù);ηt-燃?xì)廨啓C(jī)效率;ε-壓氣機(jī)的壓比;ηy-壓氣機(jī)的效率;ka-空氣的絕熱指數(shù).

蒸汽輪機(jī)的輸出功率Nst的計(jì)算式為：

Nst=[MH（hH-hst）+ML s（hL-hst）]ηi（3）

式中：MH-高壓蒸汽流量;ML s-低壓蒸汽流量;hH-汽輪機(jī)進(jìn)口高壓蒸汽焓值;hL-低壓蒸汽焓值;hst-汽輪機(jī)出口蒸汽焓值;ηi-汽輪機(jī)相對(duì)內(nèi)效率.

燃?xì)?蒸汽循環(huán)機(jī)組的總功率N為：

N=Nt+Ns t-Ny-Nz l（4）

式中：Nz l-制冷機(jī)組消耗的功.

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的效率η為：

η=（5）

式中：N-循環(huán)機(jī)組的功率;ηB-燃燒室效率;Qd-燃?xì)獾牡臀话l(fā)熱量;Mf -燃燒室燃料的質(zhì)量流量.

2.2"工況模擬

進(jìn)氣溫度是影響燃?xì)廨啓C(jī)性能的重要參數(shù)之一，通過在空氣不同濕度下對(duì)機(jī)組性能進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)空氣濕度在20%～80%大范圍變化時(shí)，機(jī)組的輸出功率在0.2%以內(nèi). 這是因?yàn)樵诃h(huán)境溫度為30 ℃、相對(duì)濕度為60%的設(shè)計(jì)工況下，水分含量僅有0.64%[10]，因此濕度比的變化對(duì)發(fā)電廠功率輸出的影響可以忽略不計(jì). 模擬聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)氣壓力設(shè)定為101.3 kPa，本文分別對(duì)進(jìn)氣溫度5 ℃，10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃，40 ℃的8個(gè)運(yùn)行工況進(jìn)行仿真，通過仿真得到了聯(lián)合循環(huán)機(jī)組不同進(jìn)氣溫度下的性能參數(shù)（見表3及圖3）.

2.3"參數(shù)分析

根據(jù)表3中的運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)合圖3進(jìn)行分析. 可以看出，隨著進(jìn)氣溫度從5 ℃上升到40 ℃，聯(lián)合循環(huán)效率基本維持在57%上下，略有浮動(dòng)，但是聯(lián)合循環(huán)輸出功率下降了39.363 MW，汽輪機(jī)輸出功率相對(duì)較為穩(wěn)定. 由此可知，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組輸出功率主要由燃?xì)廨啓C(jī)的性能決定，降低進(jìn)氣溫度可以極大地提升燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的出力. 造成這種現(xiàn)象的原因有兩點(diǎn)：（1） 燃?xì)廨啓C(jī)是一種定容量的發(fā)動(dòng)機(jī)，它的輸出量與進(jìn)氣量成比例[11-12]. 隨著環(huán)境溫度的上升，大氣密度值的降低，使得進(jìn)入壓氣機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)的空氣量減少，燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功率降低. （2） 隨著環(huán)境溫度的上升，壓氣機(jī)壓縮比下降，燃?xì)鉁u輪作功量下降，壓氣機(jī)耗功增加，從而導(dǎo)致渦輪輸出功率下降.

3"進(jìn)氣冷卻裝置對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能的影響

3.1"進(jìn)氣冷卻裝置的選擇

目前，國內(nèi)外普遍采用的兩種進(jìn)氣冷卻方式是噴霧蒸發(fā)冷卻方式和溴化鋰吸收制冷方式.

噴霧蒸發(fā)冷卻過程：在燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣口上設(shè)置一定數(shù)量的噴嘴順向噴水，也可以在進(jìn)氣道的尾部設(shè)置一定數(shù)量的噴嘴反向噴水. 將除鹽的冷卻水通過系統(tǒng)內(nèi)的增壓泵輸送到噴嘴陣列，在噴嘴陣列中進(jìn)行霧化后，再將其噴灑到空氣中，由于經(jīng)過霧化的水與空氣接觸的表面積快速增加，所以蒸發(fā)冷卻的效果也增強(qiáng)，同時(shí)可以將空氣加濕到飽和點(diǎn)，此時(shí)空氣溫度冷卻到最低. 噴霧式冷卻技術(shù)具有前期投資少，易于安裝，運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)[13].

吸收式制冷能夠通過低位熱能實(shí)現(xiàn)制冷. 以燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱為動(dòng)力，不僅可以實(shí)現(xiàn)余熱的回收，而且可以提高燃機(jī)的效率，可以最大限度地利用燃機(jī)的余熱來實(shí)現(xiàn)制冷目的，使得吸收式制冷裝置能減少整個(gè)機(jī)組在運(yùn)行時(shí)的成本. 研究表明該制冷系統(tǒng)在制冷負(fù)荷變動(dòng)幅度為20%-100%的時(shí)候，運(yùn)行效率相對(duì)較高，此特點(diǎn)決定了吸收式制冷系統(tǒng)適合應(yīng)用于氣溫差異相對(duì)較大的地方，并且吸收式制冷機(jī)具有需要能量較少的優(yōu)點(diǎn)[14].

兩種制冷方式均可提高耦合循環(huán)的功率與效率. 雖然噴霧冷卻技術(shù)裝置簡單、初期投資低，但效果受空氣相對(duì)濕度的影響，當(dāng)空氣的相對(duì)濕度增加時(shí)，其冷卻效果將會(huì)降低. 在空氣相對(duì)濕度高的南方地區(qū)，采用溴化鋰吸收型制冷效果更佳[15].

溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)主要包括：發(fā)生器、冷凝器、蒸發(fā)器、吸收器、泵、節(jié)流閥、換熱器等[16].

3.2"進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)對(duì)聯(lián)合循環(huán)出力的影響

本文將進(jìn)氣冷卻裝置布置在了壓氣機(jī)進(jìn)氣通道外部，這樣可以使換熱器迎風(fēng)面積增大，從而減小換熱器的壓降. 在圖2所示模型的基礎(chǔ)上，基于EBSILON熱力仿真平臺(tái)建立了增設(shè)吸收式制冷系統(tǒng)的燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組熱力性能仿真模型（如圖4），仿真結(jié)果見表4及圖5、圖6所示.

結(jié)合表4、圖5和圖6可知，加裝進(jìn)氣冷卻裝置以后，在進(jìn)氣溫度分別為20 ℃、30 ℃、40 ℃時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率分別增加：0.045 MW、0.455 MW、1.166 MW，聯(lián)合循環(huán)輸出功率分別增加：0.358 MW、0.678 MW、1.178 MW. 由此可以看出在燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)中，在壓氣機(jī)前加裝進(jìn)氣冷卻裝置可以使燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)中燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率和聯(lián)合循環(huán)輸出功率有所提高，并且在圖5、圖6中可以明顯看出進(jìn)氣溫度越高，進(jìn)氣冷卻裝置使燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)中燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率和聯(lián)合循環(huán)輸出功率提高的效果越明顯. 由于本文在EBSILON軟件對(duì)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組建模時(shí)未考慮進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)耗功的影響，導(dǎo)致模擬結(jié)果比實(shí)際運(yùn)行時(shí)的聯(lián)合循環(huán)效率和聯(lián)合循環(huán)功率略大，從而聯(lián)合循環(huán)效率以及功率會(huì)隨著進(jìn)氣溫度的降低升高的較為緩慢.

由于不同區(qū)域上網(wǎng)電價(jià)和天然氣氣價(jià)都不同，所以不同區(qū)域能否進(jìn)行進(jìn)氣冷卻裝置的改造還需要綜合考慮當(dāng)?shù)氐纳暇W(wǎng)電價(jià)、天然氣氣價(jià)和收益條件[17].

4"總"結(jié)

本文基于EBSILON熱力仿真平臺(tái)利用模塊化建模的方法，建立了燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組各部分以及進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在進(jìn)氣溫度從5 ℃提升至40 ℃時(shí)，模擬了聯(lián)合循環(huán)的功率、效率及燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率的變化，得到了壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組效率以及功率的影響，驗(yàn)證了進(jìn)氣冷卻裝置對(duì)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組效率的影響，主要結(jié)論如下：

（1） 在聯(lián)合循環(huán)機(jī)組未加裝進(jìn)氣冷卻裝置時(shí)，壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度由5 ℃上升至40 ℃，聯(lián)合循環(huán)效率基本維持在57%上下略有浮動(dòng)，但是聯(lián)合循環(huán)輸出功率下降了39.363 MW，汽輪機(jī)輸出功率相對(duì)較為穩(wěn)定，表明聯(lián)合循環(huán)機(jī)組出力的波動(dòng)主要是由燃?xì)廨啓C(jī)引起的，且壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度是影響燃?xì)廨啓C(jī)性能的重要參數(shù)，降低壓氣機(jī)進(jìn)氣溫度可以大幅度提升燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的出力.

（2） 對(duì)比加裝進(jìn)氣冷卻裝置前后的聯(lián)合循環(huán)機(jī)組性能參數(shù)，可知在燃?xì)廨啓C(jī)前加裝進(jìn)氣冷卻裝置可提高聯(lián)合循環(huán)中燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率和聯(lián)合循環(huán)輸出功率，并且進(jìn)氣溫度越高，功率提高的效果越明顯.

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Performance Analysis of Gas-Steam Combined Cycle

With Coupled Lithium Bromide Refrigeration Unit

LIU Yufei， LU Xuxiang， FAN Runyu， GUO Jingqi， ZHANG Bo

（1. College of Energy and Power Engineering， Changsha University of Science and Technology， Changsha 410114， Hunan， China;

2. Hunan Vocational College of Science and Technology， Changsha 410004， Hunan， China）

Abstract "The gas-steam combined cycle unit"，s performance is vulnerable to changes in ambient temperature， resulting in a lack of output when the electric load is at its peak. To address this issue， EBSILON software is used to simulate the SGT5-4000F gas-steam combined cycle in conjunction with the lithium bromide refrigeration unit. The cooling device is placed in the pressurizer"，s inlet to assess the effect of the inlet temperature on the combined cycle output power and cycle efficiency. The research indicates that altering the compressor"，s inlet temperature can result in a 4.73%-6.10% increase in the total cycle power. By incorporating an inlet cooling device into the compressor inlet of the gas turbine during the summer working season， one can enhance the unit"，s performance. As the temperature rises， the collective cycle output power experiences a significant boost.

Keywords "gas-steam combined cycle; intake air cooling; lithium bromide absorption refrigeration; power generation efficiency; EBSILON