基于Ebsilon 軟件的聯合循環機組進氣冷卻系統分析

羅城鑫，張海珍，王明曉，林 達，柯冬冬，李煥龍

（1.華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030；2.國家能源分布式能源技術研發（實驗）中心，杭州 310030；3.浙江省蓄能與建筑節能技術重點實驗室，杭州 310030）

0 引言

燃氣輪機的運行性能易受環境溫度變化影響[1-5]，環境溫度每升高1 ℃，其輸出功率和發電效率分別降低0.6%和0.18%[6]。當環境溫度提高到25 ℃時，與ISO（標況大氣條件）工況相比，不同廠家和型號的燃氣輪機輸出功率降幅為5%～13%[7]，聯合循環機組的發電性能也受環境溫度影響。我國南方炎熱的夏季是電力負荷需求高峰期，因此，降低燃氣輪機壓氣機進口空氣溫度可以有效提高機組出力，增強機組調峰裕度，并獲得良好的社會經濟效益。孫衍鋒[8]研究了廣東珠海聯合循環機組采用溴化鋰制冷進氣冷卻技術的應用可行性；Ehyaei 等[9]對聯合循環電廠進行了全面的熱力學建模，并利用遺傳算法對系統進行優化，結果顯示使用進氣冷卻系統和優化方法可在1 年中3 個月的高溫季將機組平均輸出功率、第一定律和第二定律效率分別提高17.24%，3.6%和3.5%；Kamal 等[10]使用GT Pro 軟件研究了使用電制冷進氣冷卻技術對馬來西亞LM6000PD聯合循環機組性能的影響；Kumar[11]研究了蒸發進氣冷卻技術對燃氣輪機性能的影響。

總的來說，國內外學者已經廣泛開展了采用進氣冷卻技術提高單循環燃氣輪機和聯合循環機組性能的理論和模擬研究，但使用Ebsilon 系統模擬軟件建模的研究較少；同時，對于我國不同區域上網電價和氣價對進氣冷卻技術應用的經濟性研究也比較罕見。

為此，本文采用Ebsilon 軟件分別建立GE 公司9F.03-2015 機組單循環燃氣輪機和聯合循環機組系統模型，研究了不同環境溫度對機組性能的影響；對比了我國福建、廣東、上海3 個典型的夏季高溫地區實施進氣冷卻技術的經濟可行性和不同邊界條件下的投資回收期，為符合條件的分布式能源站聯合循環機組進行進氣冷卻技術改造提供參考。

1 單循環燃氣輪機系統

1.1 燃氣輪機模型

德國STEAG 公司設計的電站性能仿真計算軟件Ebsilon，具有組件種類齊全、運行方式多變、設計計算靈活等優點。利用該軟件對某區域型分布式能源站的單循環燃氣輪機進行建模研究，如圖1 所示，該機組為GE 公司生產的9F.03-2015 機組。在ISO 工況下，機組輸出功率265 MW，熱耗率9 516.6 kJ/kWh，排氣溫度595.6 ℃。

圖1 GE 公司9F.03-2015 燃氣輪機模型

1.2 工況模擬

分別對進氣溫度為5 ℃，10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃和40 ℃，相對濕度為60%，進氣壓力為101.3 kPa 的8 個典型工況進行建模仿真研究。對比進氣溫度對燃料耗量、輸出功率、燃氣輪機效率、熱耗率、排氣溫度和流量等參數的影響，形成了不同進氣溫度燃氣輪機的性能參數對比，如表1 所示。

表1 不同進氣溫度下的燃氣輪機性能參數

結果顯示，隨著進氣溫度的升高，機組熱耗率、排氣溫度也不斷上升，而燃料耗量、輸出功率、燃氣輪機效率、排氣流量呈下降趨勢。同時模擬空氣不同濕度情況下對機組性能的影響，發現空氣濕度在20%～80%大范圍變化時，機組輸出功率變化僅在0.2%以內。這是由于環境溫度為30 ℃時，作為設計工況的相對濕度60%，水分含量僅為0.64%[12]，所以濕度變化對工質熱物性影響很小，一般情況下可以忽略空氣濕度對機組性能的影響。

1.3 參數分析

圖2 顯示了燃氣輪機各參數隨環境溫度的變化情況，其中，熱耗率隨進氣溫度上升而上升，輸出功率隨進氣溫度上升而下降；當進氣溫度超過30 ℃，熱耗率上升的曲線變得陡峭，燃氣輪機由于進氣溫度上升引起的運行性能惡化更趨明顯；從表1 的參數對比得知，燃氣輪機進氣溫度從15 ℃上升到35 ℃，輸出功率由261.4 MW 下降到226.7 MW，降低了34.7 MW，降幅達13.3%；熱耗率由9 651.5 kJ/kWh 上升到10 000 kJ/kWh，上升了348.5 kJ/kWh，升幅為3.6%。

進氣溫度對燃氣輪機的輸出功率和燃氣輪機效率有顯著影響的原因主要有：

（1）燃氣輪機是定容式動力機械，環境溫度升高會降低空氣密度，從而減少了進入壓縮機的空氣質量流量，這是燃氣輪機輸出功率變化的主要原因。

圖2 燃氣輪機各參數隨環境溫度變化曲線

（2）壓縮機耗功隨著進氣溫度的上升而增加，但渦輪的出力并沒有增加，因此導致了燃氣輪機效率降低。

（3）由于進氣溫度升高而引起空氣質量流量減少，導致燃氣輪機渦輪入口壓力降低，渦輪內的壓比減小而引起燃氣輪機性能惡化。

綜上所述，降低燃氣輪機壓氣機進氣溫度，可以大幅提升單循環燃氣輪機功率和效率。但與此同時，也會消耗更多的燃料，而且實施進氣冷卻技術改造成本較高，所以要綜合評估新增發電收益與新增燃料成本和技術改造費用之間的平衡關系。

2 燃氣-蒸汽聯合循環機組系統

2.1 系統模型

對某400 MW 燃氣-蒸汽聯合循環機組進行建模研究，模型如圖3 所示，采用三壓一次再熱、無補燃、自然循環型余熱鍋爐汽水系統。燃氣輪機所產生的高溫煙氣加熱余熱鍋爐受熱面，產生蒸汽推動汽輪機做功，實現了燃料化學能的梯級利用，使聯合循環機組發電效率超過55%。

2.2 工況模擬

為與進氣溫度對燃氣輪機性能的影響形成對比，模擬聯合循環機組在空氣濕度為60%，進氣壓力為101.3 kPa，進氣溫度為5 ℃，10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃和40 ℃時的8 個典型運行工況，得到聯合循環機組滿負荷時不同進氣溫度下的性能參數對比如表2 所示。

2.3 參數分析

對表2 中進氣溫度、燃氣輪機效率和聯合循環效率數據進行分析，其變化關系如圖4 所示。隨著燃氣輪機進氣溫度從5 ℃上升到40 ℃，燃氣輪機效率從37.7%下降到35.4%，降幅為2.3%，而聯合循環效率并無顯著變化；進氣溫度從5 ℃上升到15℃時，聯合循環效率略有提升，但15℃～40 ℃的過程中基本穩定在56.4%。

圖3 燃氣蒸汽聯合循發電系統模型

表2 不同進氣溫度下的聯合循環機組性能參數

圖4 不同進氣溫度下燃氣輪機效率和聯合循環效率的變化關系

余熱鍋爐排煙溫度隨著進氣溫度的升高而降低，進氣溫度從5 ℃上升到40 ℃，余熱鍋爐排煙溫度從93.2 ℃下降到87.4 ℃，與進氣溫度的大幅變化相比，排煙溫度變化相對平穩。雖然進氣溫度的上升使壓氣機功耗增加，燃氣輪機效率降低，但對聯合循環機組而言，燃氣輪機升高的排氣溫度使余熱鍋爐性能得以提高，所以進氣溫度的變化對聯合循環機組的效率影響較小。

圖5 顯示了燃氣輪機功率與汽機功率隨進氣溫度的變化關系，進氣溫度從5 ℃上升到40 ℃，燃氣輪機功率下降了55.8 MW，降幅達20.5%，汽機功率下降了3.7 MW，降幅僅為2.8%。由于汽機功率保持相對恒定，聯合循環機組輸出功率的波動主要由燃氣輪機決定。我國南方夏季大范圍高溫，是建筑用能及社會生產電力負荷需求高峰期，分布式能源站聯合循環機組若能獲得發電上網許可，降低進氣溫度就可以大幅提升聯合循環機組出力，增加企業經濟效益和調峰裕度。

圖5 不同進氣溫度下燃氣輪機功率和汽機功率的變化關系

3 常用進氣冷卻方式

進氣冷卻技術從原理上可以分為兩大類，即噴水蒸發進氣冷卻和表面換熱進氣冷卻[12-15]。

利用液體蒸發過程的吸熱效應來給空氣降溫。蒸發冷卻具有改造方便，投資小、易于維護和進氣阻力低的優點；缺點是如果空氣相對濕度較大，比如在我國南方地區，冷卻效果就會大大降低。

通過制冷設備制取冷水，通過表面冷卻器來冷卻空氣。制冷設備按照制冷方式可分為電制冷和吸收式制冷，雖然電制冷技術制冷效率較高，但是其消耗電能，而夏季采取進氣冷卻技術的目的就是為了增加機組出力，這與進氣冷卻改造目的相違背；吸收式制冷技術可以利用低品位余熱，進氣冷卻后又可以增加機組出力，不過該技術初始投資較大，項目能否實施需要進行全面的經濟性核算。

4 投資經濟性分析

4.1 項目概況與邊界條件

以廣東地區某400 MW 級聯合循環機組為研究對象，進氣溫度15 ℃為目標工況，取夏季高峰工況平均溫度35 ℃為機組實際運行工況，相對濕度60%，進氣壓力101.3 kPa，采用吸收式制冷進氣冷卻技術方案。為最大程度降低溴化鋰驅動煙氣對機組發電功率的影響，采用煙氣雙效溴化鋰制冷機組，COP（制冷性能系數）為1.45。我國南方6—10 月為夏季高溫期，結合機組實際歷史運行數據，保守取1 200 h 作為滿負荷工況下進氣冷卻年運行小時數進行研究；廣東省燃氣分布式能源站上網電價0.665 元/kWh，供氣氣價2.4元/m3為研究邊界條件。通過Ebsilon 軟件進行模擬，當對煙氣余熱抽熱8.93 MW，引起的發電損耗為4.3 MW；進氣冷卻壓損取250 Pa，引起的發電損耗為1.1 MW。模擬影響機組經濟型的夏季高峰實際工況與目標工況的參數對比及投資分析如表3 所示。

表3 實際工況與目標工況參數對比及投資分析

4.2 不同區域投資分析

不同區域執行的燃氣分布式能源站上網電價和供氣氣價均不一致，這說明不同區域是否適合開展進氣冷卻改造要綜合考慮當地的能源成本和收益條件。為分析不同上網電價和不同供氣氣價時采用進氣冷卻技術的經濟性，除上網電價和氣價外，其他邊界條件不變的情況下，分別把福建省和上海市分布式能源站上網電價0.651 2 元/kWh和0.765 5 元/kWh 也列入研究對象，得到福建省、廣東省和上海市三地在不同上網電價和氣價的投資回收期如圖6 所示。

圖6 不同上網電價和氣價的投資回收期

由圖6 可知：

（1）3 個地區中上海市的上網電價最高，在較大的供氣氣價波動范圍內均具有投資價值，3 年內可回收投資。

（2）在供氣氣價小于2.4 元/m3時，3 個地區實施進氣冷卻技術改造的投資回收期均小于5年，具備投資可行性。

（3）福建省和廣東省，當供氣氣價大于2.5元/m3時，投資回收期較長，應慎重投資。

5 結論

（1）進氣溫度從15 ℃上升到35 ℃，燃氣輪機輸出功率降低了34.7 MW，降幅達13.3%，熱耗率上升了348.5 kJ/kWh，升幅為3.6%，空氣濕度變化對燃氣輪機的輸出性能影響較小。

（2）進氣溫度從15 ℃上升到40 ℃，燃氣輪機排氣溫度上升了27.7 ℃，余熱鍋爐性能得到提高，聯合循環效率基本穩定在56.4%。

（3）采用吸收式制冷進氣冷卻技術可以使燃氣分布式能源站在夏季用電高峰期增加機組出力和提高調峰裕度，若不限制機組發電量，供氣氣價小于2.4 元/m3，實施改造的投資回收期均小于5 年，具備投資價值。

（4）若機組上網電量有限制，不能保證新增電量上網銷售，則應慎重發展進氣冷卻改造。