進氣冷卻對燃氣-蒸汽聯合循環性能的影響

梅映新，劉明星，楊 潔

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 上海船用柴油機研究所，上海 201108）

進氣冷卻對燃氣-蒸汽聯合循環性能的影響

梅映新1，劉明星1，楊 潔2

（1. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064；2. 上海船用柴油機研究所，上海 201108）

利用模塊化建模的方法建立了由單軸燃氣輪機和雙壓余熱鍋爐所組成的燃氣-蒸汽聯合循環機組及進氣冷卻系統的數學模型。量化分析了進氣溫度對燃氣-蒸汽聯合循環性能的影響，以及采用溴化鋰制冷和噴霧技術冷卻進氣對燃氣-蒸汽聯合循環機組性能的改善程度。結果表明，兩種進氣冷卻方式都能有效提高聯合循環機組的輸出功率和發電效率。我國氣候干燥的北方地區以噴霧冷卻為宜而溫濕的南方地區以溴化鋰吸收式制冷為宜。

燃氣-蒸汽聯合循環 進氣溫度 溴化鋰吸收式制冷 噴霧冷卻

0 引言

環境溫度升高將使燃氣輪機及其聯合循環的功率和效率有不同程度的降低。在夏季，用電高峰期也是氣溫相對較高的時段，用于調峰的燃氣輪機及其聯合循環機組卻不能高效率、滿負荷的運行。解決這一矛盾的有效方法是冷卻機組進氣。本文主要針對溴化鋰吸收式制冷和噴霧兩種冷卻方式對燃氣-蒸汽聯合循環機組性能的改善程度進行量化分析研究。

1 燃氣-蒸汽聯合循環機組的數學模型

本文以PG9171E型燃氣輪機、雙壓余熱鍋爐和凝汽式汽輪機組成的聯合循環機組為研究對象，將帶進氣冷卻的燃氣-蒸汽聯合循環系統分為為壓氣機模塊、燃燒室模塊、透平模塊、余熱鍋爐模塊、蒸汽輪機模塊和進氣冷卻模塊（包括溴化鋰制冷模塊和噴霧冷卻模塊）。通過每個模塊的輸入與前一個模塊的輸出的聯系可以將各個模塊連接起來，如圖1所示。

由相關理論知識可推出壓氣機的耗功為：

式中：cpα—空氣定壓比熱；Mα—壓氣機入口空氣流量；ε—壓氣機的壓比；ηy—壓氣機的效率；ka—空氣的絕熱指數；

燃氣透平輸出功率為：

式中：Mr——燃氣的質量流量；cpr——燃氣的定壓熱容；δ——燃氣輪機的膨脹比；kr——燃氣的絕熱指數；ηt——燃氣輪機效率；ε——壓氣機的壓比；ηy——壓氣機的效率；ka——空氣的絕熱指數；

蒸汽輪機的輸出功率的計算式為：

式中：MH——高壓蒸汽流量；MLs——低壓蒸汽流量；hH—汽輪機進口高壓蒸汽焓值；hL—低壓蒸汽焓值；hst—汽輪機出口蒸汽焓值；ηi—汽輪機相對內效率。

圖1 模塊連接的示意

燃氣-蒸汽循環機組的循環總功率為：

其中：N——循環機組的循環功率；ηB——燃燒室效率；Qd——燃氣的低位發熱量；Mf——燃燒室燃料的質量流量；

2 進氣溫度及進氣冷卻對燃氣-蒸汽聯合循環性能影響

2.1 進氣溫度對聯合循環性能的影響

借助上述數學模型，可計算分析出聯合循環機組的性能隨進氣溫度改變的變化規律。結果如圖2和3所示。

圖2 聯合循環總功率與進氣溫度的關系

由圖2和3知：隨著進氣溫度的升高，燃氣-蒸汽聯合循環的總功率和循環效率都在下降。即空氣溫度越高，聯合循環的性能越差。氣溫從15℃升高到45℃后，聯合循環的總功率從178.99 MW下降到了156.77 MW，降幅12.41%；聯合循環的效率由46.91%下降到了45.26%，降幅3.52%。

圖3 聯合循環效率與進氣溫度的關系

2.2 進氣冷卻對聯合循環性能的影響

在聯合循環機組上采用溴化鋰制冷或噴霧技術冷卻進氣，可提高機組的出力和效率。通過上述數學模型的分析計算，進氣冷卻技術改善聯合循環機組性能的情況示如圖4和5。

圖中可以看出，采用溴化鋰制冷或噴霧冷卻技術后，聯合循環的功率和效率都有所提高。由此可知，溴化鋰制冷以及噴霧都是改善燃氣-蒸汽聯合循環熱力性能的有效措施。噴霧冷卻技術采用的設備簡單、投資小，但它的冷卻效果受到進氣相對濕度的限制，進氣相對濕度越大，冷卻效果越差。比較分析溴化鋰制冷和噴霧冷卻對聯合循環性能的改善情況，如果環境大氣溫度＜30℃、相對濕度＜25%，噴霧冷卻的效果比溴化鋰制冷冷卻的效果好；如果大氣相對濕度＞60%，則溴化鋰制冷冷卻的效果比噴霧冷卻的效果好。所以，在我國溴化鋰制冷機組更適用于相對濕度大，氣溫高的南方地區，噴霧冷卻更適用于相對濕度小，氣溫較低的北方地區。

圖4 采用進氣冷卻系統前后循環總功率比較

圖5 采用進氣冷卻系統前后循環效率比較

3 結論

1）利用模塊化建模的方法，分別建立了燃氣蒸-汽聯合循環各部分和進氣冷卻系統（包括溴化鋰制冷機組和噴霧冷卻）的數學模型。

2）噴霧冷卻以及溴化鋰制冷冷卻都是改善燃氣-蒸汽聯合循環熱力性能的有效措施。

3）我國氣候干燥的北方地區，聯合循環機組首選的進氣冷卻方式是噴霧冷卻；而南方地區，空氣相對濕度常年處于較高的水平，且夏季空氣持續高溫，溴化鋰吸收式制冷對南方地區而言是更適合的冷卻方式。

4）南方地區采用溴化鋰制冷冷卻時，可使機組功率提高5%～13%，循環效率提高0.4%～2.9%。北方地區，采取噴霧冷卻，可使循環功率提高1.79%～6.67%，效率提高0.2%～0.72%。

[1] 焦樹建. 燃氣-蒸汽聯合循環[M].北京: 機械工業出版社, 2000.

[2] 余濤, 張翠珍, 張學榮.燃氣輪機進氣冷卻技術研究[J]. 電站系統工程. 2006, 22(1) : 33-35.

[3] 許教運. 燃氣輪機進氣蒸發冷卻裝置經濟效益的論證[J]. 燃氣輪機技術. 2003, 16(1) : 29-32.

[4] 常靜華. 燃氣—蒸汽聯合循環機組變工況建模及其特性分析[D]. 昆明: 昆明理工大學, 2008.

[5] 焦潤平. 燃氣輪機機組應用進氣冷卻技術方案評估[D]. 北京: 華北電力大學, 2007.

The Influence of Compressor Inlet Air Cooling on the Thermal Performance of Gas-steam Combined Cycle

Mei Yingxin1, Liu Mingxing1, Yang Jie2
(1.Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430072, China; 2. Shanghai Marine Diesel Research Institute, Shanghai 201108, China)

This paper establishes a theoretical model of inlet air cooling system and gas-steam combined cycle that is made of this single-shaft gas turbines and dual pressure non-reheat HRSG. Base on the theoretical model, We do some quantitative analysis as follows: First, the effect of inlet temperature on gas-steam cycle unit's performance; second, the degree of improvement of gas-steam cycle unit's performance after using lithium bromide absorption refrigeration group cooling or spray cooling to cool the intake air of gas turbine. The results show that in North area of China, because of dry climate, the scheme of spray cooling is the first choice. But in the south area, the climate is humid, using the lithium bromide absorption refrigeration is a more appropriate way of cooling.

gas-steam combined cycle; inlet air cooling; lithium bromide absorption refrigeration; spray cooling

TM311

A

1003-4862（2015）04-0042-03

2014-07-25

梅映新（1974-），男，高級工程師。研究方向：工業自動化。