燃气轮机热管型进气冷却系统的设计及性能分析

燃气轮机热管型进气冷却系统的设计及性能分析

张宏黄紫燚

中海油深圳电力有限公司518120

摘要：针对燃气-蒸汽联合循环（联合循环）机组出力随环境温度升高而下降的问题，设计了新型燃气轮机（燃机）进气冷却系统，即利用热管型溴化锂吸收式制冷机（溴冷机）回收余热锅炉排烟余热制冷，以降低燃机进气温度。对余热锅炉排烟（简称排烟）流量及温度变化对联合循环机组性能影响的分析表明，加装热管型溴冷机的燃机进气冷却系统可使燃机进气温度下降10～15℃，联合循环机组年净增发电量约20000MW·h。在环境温度一定的条件下，随着排烟温度的增加，燃机进气温降幅度也不断增加。

关键词：燃气轮机；热管；联合循环；进气冷却；余热利用

燃气轮机的发电功率和效率与空气进气温度密切相关，随着大气温度升高，空气密度降低，导致流经燃气轮机进气道的空气质量流量减少，引起燃气轮机发电功率下降。通常这种发电功率的减小恰恰发生在电力负荷较大的时候。通过加装燃机进气冷却装置，降低燃机进气温度，使燃机功率达到甚至超过额定功率。另外，进气冷却还可减少NOx的排放，保持燃机运行的稳定性，减少联合循环机组维护费用。

根据冷源的不同，燃气轮机进气冷却的方式一般有蒸发冷却、电制冷、冰蓄冷制冷、蒸汽或热水制冷。其中蒸发冷却方式由于设备简单、造价低廉、耗能低、使用维护方便、冷却效果好、在冷却的同时增加空气的含湿量等特点而越来越得到广泛的使用。

一、燃机热管型进气冷却系统

1、热管换热器工作原理

热管型溴冷机采用高效的分离式热管换热器，简称热管发生器，代替传统溴冷机的发生器，既可使溴冷机充分利用余热，又可以减少溴冷机的体积。热管发生器其蒸发段与冷凝段互相分开，两者之间通过专门的汽、液导管连接成一个循环回路。热管内的工作液体在蒸发段被烟气加热变成蒸汽通过汽导管上升到冷凝段，被管外流过的冷流体（溴化锂溶液）冷却成凝结水，凝结水沿液导管下降到蒸发段继续被加热蒸发，如此不断循环达到传输热量的目的。

2、进气冷却系统设计装置工作原理

燃气轮机进气蒸发冷却系统中蒸发冷却是指直接蒸发冷却，是利用水在空气中蒸发时吸收潜热来降低空气温度，在焓湿图上表示为等焓加湿过程，理想状态下，空气在等焓加湿后可达到湿球温度。当未饱和空气与水接触时，两者之间会发生传热、传质过程，空气的显热转化为水蒸发时所吸收的潜热，从而空气温度降低。所使用的水可以是循环水，也可以是直流水。采用直流水可以大大减小系统结垢的风险．因此本系统采用直流水，经进气冷却系统后的水再回收用于其他用途。进气蒸发冷却装置工作原理。它由湿帘、布水器、除水板、水箱及一些附属设备组成。其工作原理是：经全膜法处理后的冷却水经阀1调节送至湿帘顶部的布水器后均匀地洒在湿帘表面，由于重力作用冷却水自上往下如水帘洒下。空气首先经过滤器过滤，除去杂质，然后再进入蒸发冷却装置，与湿帘中自上而下的冷却水进行热湿交换。部分水因吸收空气的显热汽化蒸发后变成水蒸气，未蒸发的水流回水箱，排出后用于其他用途。空气因失去显热而温度降低，同时因融进了部分水蒸气而使其相对湿度增加。空气与水蒸气的混合物流向下游的除水板，其中的小水滴和部分水雾在除水板上凝结成大水滴，并在重力的作用下落入水箱，降低了进气的携水率，减少了压气机因进气空气水量增加而导致的负荷消耗；同时空气中的微小尘埃也随水滴落入水箱，淋洒下来的冷却水对空气还起到了水洗除尘的辅助效果，避免了进气中的微量杂质对燃气轮机叶片的腐蚀。

二、热管型溴冷机设计工况计算

1、制冷负荷计算

在进行热管型溴冷机设计计算时，首先要确定溴冷机的冷负荷，即使燃机进气温度降至干球温度15℃，相对湿度100%时所带走的热量。

2、热管发生器设计工况计算

将热管型溴冷机看作两部分，即热管发生器和除发生器之外的溴冷机部分，其中热管发生器是整个设计的核心部分。热管发生器设计采用常规设计计算方法，即把整个热管发生器看成1块热阻很小的间壁，排烟通过“间壁”的一侧（排烟侧）不断冷却，溴化锂溶液通过“间壁”的另一侧（溴化锂溶液侧）不断被加热。考虑到溴化锂溶液侧为沸腾传热，传热系数很大，热阻主要存在于排烟侧，因此排烟侧采用螺旋翅片管，而溴化锂溶液侧采用光管。

三、燃机热管型进气冷却系统变工况性能分析

排烟流量及温度发生变化时，燃机热管型进气冷却系统性能相应也会发生变化。在确保其它参数不变的情况下，改变排烟温度及流量，即可得到进气冷却系统的变工况性能。

当环境温度30℃，相对湿度77%时，排烟温度随排烟流量变化时的燃机进气冷却系统变工况性能曲线。由此得出，制冷负荷随着排烟温度及流量的增加呈现上升的趋势，这主要是因为在热管发生器中，排烟流量及温度增加时，蒸发出的水蒸气也会随之增加，溴化锂浓溶液浓度增大，发生器中稀溶液循环倍率减小，制冷负荷增加。温度越高，燃机进气温度下降幅度越大。这主要是因为，随着排烟温度的升高，其制冷负荷不断增大，在保持环境温度30℃的情况下，可以使燃机进气温度下降较多。当热管发生器排烟侧压力降随排烟温度及流量的增加而增大，这是因为排烟侧压力降与排烟流量的平方成正比。同时，排烟温度升高，会改变烟气的热物理性质，压降也会相应的发生变化。

四、燃机进气冷却系统效益分析

进气冷却系统的费用成本常依据＄/KW来估算。这样能引起误导，因为出力增加作为进气冷却的结果会随环境温度而变化。评估冷却系统的经济可行性的较好的方法是进行成本利益分析，以增加的MWh、节省的燃料和蒸汽产量的收益来计算增加的收入。

经济评估准则对不同的电厂可能是不同的。对一些电厂，它可能是增加的容量的收入。对另一些电厂，它可能是达到或者超过容量或达不到容量但可避免任何损失的红利。所有这些因素要对总收入有贡献而且在经济评估中应予正确计算。

影响一个项目的经济性的主要因素是：维修成本、比率结构、燃料成本、收入，增加的容量达到或超过容量的红利。

回收期和在整个寿命周期中的节省额或净现值是评价一个项目的经济可行性的两个重要因素。节省额或净现值计算是确定在整个设备或透平的寿命周期内可能节省多少的一种方法。

对联合循环燃气轮机进行进气冷却，蒸汽产量必然增加。尽管透平排气温度会降低，但是通过余热锅炉的排气流量和总的排气能增加了，从而增加了蒸汽产量。这种增加应适当计入经济评估。如果在余热锅炉中使用了补燃式管式燃烧器增加蒸汽产量，那么更高的透平排气能减少满足蒸汽要求的燃料消耗。管式燃烧器燃料的节省是明显的，也应计入经济性评估。

过冷却盘管的空气侧压降是另一个重要的经济评估准则，盘管的存在会引起透平输出的降低，即使冷却系统不运行，或在冬天不需要它运行时都是如此。但是，这种出力下降是比较小的，因为在设计时，仅允25mm水柱的压降甚至更小。无论怎样，当冷却系统不运行时，让进气旁通绕开盘管使压降最小。

初步评估，有理由假定系统在设计条件下运行的平均小时数，以计算增加出力所带来的效益。详细的分析需要时温年报，以精确确定增加的收入。对低于设计条件的环境温度，一些增加的收入缘于环境条件本身。另一方面，冷却负荷在不甚严峻的环境条件下会减少，因此冷却系统的动力消耗会低于设计条件占优势下的动力消耗。在这种场合，净输出会高于设计状况下的净输出。

结束语：综合上述，设计了基于余热利用的燃机热管型进气冷却系统，利用热管型溴冷机直接回收余热锅炉排烟余热制冷，大大提高了能源利用率，而且机组运行费用较低。具有较好的经济效益。热管型溴冷机发生器排烟侧压降为194Pa，基本不会对联合循环机组性能产生不利影响。在相对的环境温度、湿度条件下，燃机热管型进气冷却系统进行变工况性能分析表明，制冷负荷、热管发生器排烟侧压降随排烟温度及排烟流量的增加均呈现上升的趋势，而燃机进气温度则不断降低，且排烟温度越高，燃机进气温度下降幅度越大，联合循环机组出力也越大。

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