進氣噴霧冷卻及其在我國燃氣輪機上的應用

高南興

（上海發(fā)電設備成套設計研究院，上海200240）

以空氣為工質的燃氣輪機，其輸出功率與進氣的空氣質量流量成正比，進氣的空氣質量流量與大氣絕對溫度成反比。大氣溫度每升高1K，簡單循環(huán)的單軸燃氣輪機輸出功率通常將下降0.5%～0.9%，效率下降0.2%～0.3%（氣溫對由自由渦輪輸出功率的分軸型機組性能影響更大）；而對于許多燃氣輪機特別是調峰的發(fā)電機組，往往希望在高溫季節(jié)有更高的輸出功率。解決這一矛盾的有效方法是通過冷卻降低燃氣輪機的進氣溫度。

在眾多進氣冷卻方式中，進氣噴霧冷卻因其投資少、設備簡單、維護費用低、能適當降低NOx排放、減少壓氣機葉片清洗、進氣阻力小到可以忽略不計和能夠實現(xiàn)“過噴”以進一步提高輸出功率等特點成為人們的首選，其中尤以美國米氏工業(yè)公司的MeeFogTM噴霧系統(tǒng)得到最廣泛的應用。該系統(tǒng)的主要特點是采用了可以產(chǎn)生微小水滴和煙幕狀霧冠的撞針式噴嘴，從而消除或減輕了對壓氣機葉片的侵蝕。至2013年，MeeFogTM噴霧系統(tǒng)在全球已銷售了將近900套。該系統(tǒng)在我國發(fā)電燃氣輪機中也有7套在使用，都收到了良好效果。

筆者對進氣噴霧冷卻的一些參數(shù)進行了計算，列出了圖表，并提供國內現(xiàn)有燃氣輪機采用MeeFogTM進氣噴霧冷卻系統(tǒng)的一些參數(shù)，可供有關人員參考。

1 理論依據(jù)和計算

1.1 空氣濕度圖

圖1為1個大氣壓力（0.101 325MPa）下的空氣濕度圖，它表示空氣的干球溫度、濕球溫度、相對濕度和絕對濕度之間的關系：

圖1 空氣濕度圖

式中：H 為空氣絕對濕度或空氣含濕量，kg／kg干空氣；pa為大氣壓力，MPa；Ψ 為空氣相對濕度；ps·s為空氣干球溫度下的飽和水蒸氣分壓力，MPa。

圖1是噴霧冷卻的計算依據(jù)［1］。從圖1可以按空氣的干球溫度TD和相對濕度Ψ查得經(jīng)過噴霧冷卻達到飽和后的空氣濕球溫度Tw以及冷卻前后空氣的絕對濕度之差，由此算出所需的噴水量。干、濕球溫度之差即為噴霧冷卻的最大可能降溫量△T1。

1.2 空氣溫度和濕度對噴霧冷卻的影響

影響噴霧冷卻的兩大主要因素是空氣溫度和空氣濕度。眾所周知，水在溫度越高和相對濕度越小的空氣中，越易蒸發(fā)。米氏工業(yè)公司制造的MeeFogTM撞針式噴嘴能產(chǎn)生滴徑Dv90≤18μm的微小水滴，其蒸發(fā)效率接近100%。向進口空氣中噴霧，使其相對濕度達到100%，進氣溫度便可降到相應的干球溫度和相對濕度下的濕球溫度，由此確定噴霧冷卻可造成的壓氣機進氣的最大溫降為：

圖2為壓氣機進氣最大可能溫降△T1與大氣溫度T1干球和相對濕度Ψ的關系。

圖2 進氣最大可能溫降與氣溫、空氣相對濕度的關系

由圖2可見：T1干球越高、Ψ越小，則噴霧冷卻后的△T1就越大，即噴霧冷卻在高氣溫和低相對濕度的環(huán)境下具有顯著的降溫效果。

圖3則以另一種形式表示了△T1和T1干球、Ψ之間的關系，除了有與圖2相同的結論外，還表示出T1干球對△T1的影響遠不如Ψ，從而表明在干燥地區(qū)采用進氣噴霧冷卻最為有效。

圖3 進氣最大可能溫降與空氣相對濕度、氣溫的關系

1.3 噴水量計算

進氣噴霧冷卻是利用水滴在蒸發(fā)過程中吸收其周圍空氣的顯熱轉化為水的潛熱或稱“汽化熱”，從而使空氣降溫的物理過程。

常溫、常壓下水在空氣中蒸發(fā)（汽化）的平均吸熱量q為2 558kJ／kg，空氣的平均比熱容c為1.005kJ／（kg·K），1kg空氣降溫1K所需蒸發(fā)的水量，即噴水率g水＝c／q＝0.000 393kg／（kg·K）。

通過圖1也可得到這個數(shù)值，由此得到噴霧用水量G水與空氣流量G空氣和噴霧蒸發(fā)冷卻后的壓氣機進氣溫降△T的關系：

由式（3）可見：G水與G空氣和△T 均呈簡單的線性關系，從而可作出噴水量與空氣流量和進氣溫降的關系曲線（見圖4）。由圖4可根據(jù)燃氣輪機的G空氣和△T查得所需的噴水量。

圖4 噴水量與空氣流量和進氣溫降的關系

另外，由g水可以得到單位空氣量溫降為△T時的噴水率g′水：

g′水和△T間呈線性關系見圖5。由式（4）和圖5可知：單位空氣噴水量只與△T有關，即不論是高溫季節(jié)還是低溫季節(jié)，只要△T相同，則單位空氣流量（或總空氣流量）的噴水量相同。

圖5 單位噴水量g′水與溫降△T的關系

圖6表示單位空氣最大噴水量g″水與T1干球和Ψ的關系。

圖6 單位空氣最大噴水量與空氣相對濕度、氣溫的關系

由圖6可見：最大噴水量將隨T1干球的升高和Ψ的降低而增加，除非極端情況，噴水量一般不會超過燃氣輪機空氣流量的1%。

在計算噴水量時必須注意的一點是：噴霧冷卻過程中會有一部分霧滴與進氣道中的障礙物或壁面碰撞后聚合而形成未能蒸發(fā)的自由水，這些水必須排出機外以免進入壓氣機造成葉片損傷。未能蒸發(fā)掉的水量與進氣道的結構有關，一般在噴水量的0～10%，建議取5%。

為了防止噴霧系統(tǒng)堵塞、腐蝕，以及對壓氣機葉片的侵蝕，噴霧系統(tǒng)必須使用經(jīng)高精濾的除鹽水。

2 噴霧系統(tǒng)設備及計算

MeeFogTM進氣噴霧冷卻系統(tǒng)主要包括泵站、噴嘴矩陣、供水管道及疏水管道等。泵站是由交流電機驅動的陶瓷活塞式高壓泵、過濾器、測定空氣干球溫度和相對濕度的氣象站，以及PLC控制計量系統(tǒng)組成為一個可以露天布置的撬體；噴嘴矩陣為由眾多噴嘴及歧管組成，并固定在壓氣機進氣道內的噴嘴組合；供水管則是連接泵站和噴嘴矩陣的高壓不銹鋼管道；疏水管是布置在進氣室和壓氣機進氣缸底部的排水管道，其端部裝有逆止閥，確保運行時正常疏水。

高壓供水泵的型號和數(shù)量根據(jù)要求的供水壓力和噴水量來確定。MeeFogTM推薦供水壓力為13.8MPa（足以保證水的霧化細度的要求）。選用噴孔為0.15mm的撞針式噴嘴，每個噴嘴在上述供水壓力下的流量qw為0.010 2t／h（0.17 L／min），所需噴嘴數(shù)為：

將計算結果向上取整得到合適的噴嘴數(shù)Z′。

根據(jù)△T1確定噴霧級數(shù)，每級溫降為1～2K。每級噴嘴數(shù)相同，由此也可取整到合適的噴嘴總數(shù)Z″。最大溫降達10K以上時，一般都推薦取8級或更多。噴嘴歧管在矩陣上的布置應確保在各種工況下噴霧分布均勻。

3 國內燃氣輪機采用進氣噴霧冷卻時的參數(shù)估算

顯然，噴霧系統(tǒng)參數(shù)與當?shù)貧庀髼l件、燃氣輪機的空氣流量和冷卻的溫降要求有關。為了有一個大致的概念，將設計氣象條件統(tǒng)一取為夏季，T1干球為37℃、Ψ 為40%，此時，空氣濕度圖上查得T1濕球＝25.3℃，由此得出壓氣機進氣最大溫降△T1＝T1干球-T1濕球＝11.7K。

由式（5）可確定單位空氣的噴水率為：

也可從圖1（空氣濕度圖）上按噴水后25.3℃相對濕度為100%和噴水前47℃相對濕度為40%時的絕對濕度（即干空氣中的含水量）之差求得單位噴水率g′水＝0.020 4-0.015 8＝0.004 6 kg／kg空氣。

對固定轉速的發(fā)電燃氣輪機，壓氣機進氣的容積流量不變，質量流量與進口溫度有關，經(jīng)過進氣噴霧冷卻后的空氣流量G空氣25.3為：

式中：G空氣ISO為燃氣輪機制造廠給出的ISO條件（T1＝15℃）下壓氣機的進氣流量，kg／s。

將△T1和G空氣25.3代入式（3）后，便可得到總噴水量：

考慮5%的疏水量后的總噴水量為：選用噴孔為0.15mm的撞針式噴嘴，根據(jù)式（5），可求得噴嘴總數(shù)：

按分組原則并將噴嘴分為每級噴嘴數(shù)相同的8級后取整到合適的噴嘴數(shù)Z′，最終得到總噴水量為：若設計條件改變，則可由新的條件按上述步驟計算出相應參數(shù)。

總噴水量也可按不同機型的G空氣和△T1從圖4中查得，并加5%的疏水量，但要注意，G空氣必須是進氣冷卻后的氣溫下的數(shù)值（可按式（6）求得）；而噴嘴總數(shù)則按式（9）計算、分組并向上取整到合適的值。

表1列出了目前國內常用的燃氣輪機采用MeeFogTM進氣噴霧冷卻系統(tǒng)時的參數(shù)估算結果，可供參考，其設計條件為大氣干球溫度37℃、相對濕度40%，噴霧級數(shù)8級。

表1 國內燃氣輪機采用進氣噴霧冷卻的估算

表1 （續(xù)）

4 國內燃氣輪機采用進氣噴霧冷卻遇到的問題

進氣噴霧冷卻有許多優(yōu)點，在國外燃氣輪機上已獲得大量應用，但人們對此項技術還有一些疑慮。

4.1 會對壓氣機葉片造成損傷

人們擔心在壓氣機進口噴入大量水滴是否會造成壓氣機葉片侵蝕。理論和試驗證明：小于20μm的水滴會跟隨氣流流動而不會撞擊葉片，因而噴霧冷卻的關鍵在于制造微小的水滴。MeeFogTM的撞針式噴嘴正好能滿足這一要求。美國GE公司的航機衍生型燃氣輪機LM6000 Sprint在高、低壓壓氣機入口用空氣霧化噴嘴進行噴霧冷卻，使輸出功率提高20%～30%，有數(shù)百臺這樣的機組在全球成功運行，就足以證明燃氣輪機采用進氣噴霧冷卻是安全可靠的。

4.2 只適合于高溫干燥的地區(qū)

一般的氣象服務往往只提供某地區(qū)每日的最高氣溫和最高濕度，但這二者卻不是同時發(fā)生的。圖7表示地面典型的日氣象條件的變化情況［2］。可以看到，早晚氣溫較低，相對濕度較高，而在中午時分氣溫最高時的相對濕度卻最低，表明此時為燃氣輪機采用進口空氣噴霧蒸發(fā)冷卻的好時段。

理論上講只要空氣的相對濕度＜100%，即圖7上的干、濕球溫度曲線不重合，就都能進行進氣噴霧冷卻。當然，為防止壓氣機進氣喇叭口上因高速氣流的溫降造成結冰，進氣采用噴霧冷卻后的溫度不能低于12.8℃。

圖7 典型的日氣象參數(shù)

事實上，在美國北部各州的寒冷地區(qū)，有大量的燃氣輪機采用了進氣噴霧冷卻，我國北方地區(qū)應該也不例外。

4.3 進氣噴霧冷卻的經(jīng)濟性問題

燃氣輪機在采用了進氣噴霧冷卻后每年所能增發(fā)的電量△P為［1］：

式中：ECDH為表征蒸發(fā)冷卻潛能的“蒸發(fā)冷卻度時”，℃·h；φ 為 噴 霧 冷 卻 利 用 系 數(shù) ＝為大氣溫度對燃氣輪機輸出功率的影響度，kW／℃，由機組制造廠提供。

圖7中濕球溫度線與干球溫度線之間的區(qū)域面積即為當日的ECDH，在這個區(qū)域內，都可以投入噴霧冷卻。通常可從氣象局多年積累的氣象資料中獲得各個地區(qū)每日、周、月和年度的ECDH。上海恩誠公司網(wǎng)站（www.enchengsh.com）提供了我國一些主要城市或地區(qū)的年ECDH值，可供參考。

由式（11）可見：對于年運行小時較多的燃氣輪機，例如熱電聯(lián)供、高爐煤氣發(fā)電、輸氣管線增壓等，采用進氣噴霧冷卻是較有利的。對于年運行小時較少的調峰發(fā)電燃氣輪機，其經(jīng)濟效益應通過上網(wǎng)電價的峰谷差來獲得，但調峰機組的社會效益是不可低估的。

5 結語

進氣噴霧冷卻是恢復燃氣輪機在高溫季節(jié)下輸出功率和效率損失最經(jīng)濟和有效的措施，是已得到廣泛應用的成熟技術，即使在低溫潮濕的地區(qū)，也有不少成功運行的先例，包括“過噴”（濕壓縮）。

進氣噴霧冷卻的響應時間很短，一般只要1～2min就能達到所設定的工況。若作為技改項目，壓氣機進氣道無需做大的改動，停機時間也只要2～3天。

噴霧系統(tǒng)的噴水量取決于燃氣輪機的空氣流量和壓氣機進氣溫降，一般不到燃氣輪機空氣流量的1%，“過噴”的耗水量一般為空氣流量的0.6%～1.0%。即使在簡單循環(huán)電廠，制備這樣少量的除鹽水也不存在困難。

消除一些對進氣噴霧冷卻認識上的誤區(qū)，就能使這一技術在我國各種用途的各型燃氣輪機上得到廣泛應用。

［1］高南興，涂恩霽，李卓.燃氣輪機進氣噴霧冷卻的理論和實踐［C］／／燃氣輪機論文集.上海：上海思誠有限公司，2013：95-100.

［2］李立軍，張紀平.噴霧冷卻系統(tǒng)在重型燃氣輪機領域的應用研究［C］／／燃氣輪機論文集.上海：上海思誠有限公司，2013：157-163.