進氣冷卻技術提高燃氣輪機的出力和熱效率

葉志平

（福建永福電力設計股份有限公司，福建 福州 350108）

夏季高溫期間，也是電網迫切需要利用燃氣輪機發電的關鍵時期。然而，隨著大氣溫度不斷升高，汽輪機的出力也明顯下降。效率不斷下降時，經濟效益也會受到很大影響，如何解決這一矛盾已成為燃氣輪機發電部門亟待研究的課題。

1 燃氣輪機工作原理及大氣溫度對其影響

燃氣輪機的工作原理可以簡單認為和噴氣式飛機的噴氣引擎一樣?？諝鈴娜細廨啓C組的進氣口進入，然后通過壓氣葉片壓入燃燒室，和燃燒室內噴入的天然氣混合燃燒。燃燒過程中產生大量熱能，氣體急劇膨脹后進入渦輪區，逐級推動葉片轉動，然后從出氣口排出。葉片轉動帶動軸轉動，實現輪機運轉。

大氣溫度直接影響簡單循環燃氣輪機和聯合循環燃氣輪機的出力和效率[1]。對于簡單的循環燃氣輪機，隨著大氣溫度不斷升高，燃氣輪機的出力和效率都會下降很多。不同大氣溫度下，G公司提供的9E型燃氣輪機性能變化趨勢如圖1所示。

圖1 不同大氣溫度下9E型燃氣輪機性能變化曲線圖

圖1中，燃氣輪機的輸出和耗熱以標準進氣溫度15℃為標準。當大氣溫度升高到38℃時，燃氣輪機的出力僅為設計值的85%，而熱耗將上升到設計值的104%。與此同時，9E燃氣輪機的排氣溫度已經從設計值523℃上升到536℃。

在聯合循環層面，隨著大氣溫度不斷升高，對聯合循環性能影響最大的燃氣輪機出力和效率均有所下降[2]。隨著大氣溫度持續上升，冷卻水的溫度也會上升，渦輪背壓也會上升，二次循環冷卻塔冷卻比采用直流電冷卻溫度受影響更大。汽輪機的出力和效率都呈下降趨勢。鑒于燃氣輪機排氣溫度升高，一些因素使排進余熱鍋爐的廢氣增加，因此，聯合循環處理和熱耗受大氣溫度的影響小于燃氣輪機簡單循環。

2 燃氣輪機進氣冷卻技術及應用

環境溫度會影響燃氣輪機和聯合循環的性能[3]。如果溫度升高，產量會減少，效率也會降低。唯一的解決方案是使用進氣冷卻技術，以確保它在穩定的低進氣溫度環境中保持整整一年的高產量和高效率。

2.1 蒸發冷卻

方法一：在燃氣輪機進氣濾清器下游側的風道上安裝濕膜蒸發冷卻器，將水噴到進氣濾清器上，通過水的蒸發實現進氣的冷卻。

方法二：保證水霧化，將其噴入進氣道以后，可以實現進氣的冷卻。

選擇噴霧冷卻方式時要慎重，主要是因為空氣中攜水率較大，增加了壓氣機的負荷，直接影響其性能。一般情況下，運用這種方式也有一定的要求，即保證水質的純凈，如果水質中含有微量雜質，非常容易使燃氣輪機葉片出現腐蝕的情況。

蒸發冷卻對燃氣輪機出力、熱耗產生的影響和當地空氣濕度存在著緊密聯系，具體如圖2所示。由圖2可知，濕度達到20%的地區，如果氣溫達到38℃，蒸發冷卻獲得的收益較大，導致燃氣輪機出力提高到11%，熱耗會降低到2%；濕度達到60%的地區，氣溫達到38℃會蒸發冷卻，使燃氣輪機出力提高到4%，熱耗降低到1%。所以，蒸發冷卻被更多地使用到干燥炎熱的區域中。

圖2 蒸發冷卻對燃氣輪機出力和熱耗產生的影響

廣州明珠電力公司有2臺CW251B11型燃氣輪機進氣系統，所安裝的是美國唐納森公司生產的蒸發冷卻器。如果空氣濕度為70%～80%，進氣溫度可下降4～6℃；如果濕度較小，進氣溫度可下降8℃以上。機組出力可提高1.12～1.68 MW，最高時能夠達到2 MW。

新疆塔里木油田輪南燃氣輪機電站中有3臺Solar公司提供的Mars-100型燃氣輪機。溫度達到15℃時，機組出力可達到9.04 MW，熱耗率為11 727 kJ/（kW·h）；如果氣溫達到40℃，機組出力就會下降，下降到了7.63 MW，熱耗率也會上升到12 314 kJ/（kW·h），排氣溫度可上升到507℃。這實際上就是在燃氣輪機進氣溫度提高到25℃的情況下，機組出力就會下降15.37%，熱耗會上升到5%，排氣溫度會提高22℃[4]。

結合新疆塔里木油田輪南地區的氣候特點可知，夏季新疆塔里木油田輪南地區氣溫高于40℃，濕度達到10%。2000年，工廠向燃氣輪機進氣口不利的方向注入鹽水，通過水霧蒸發降低空氣中的溫度。氣流中的一些細水霧在碰撞后會形成較大的水滴，這些水滴將被拆下安裝到氣流下游的濕膜細水霧分離器上，然后返回到噴霧供水系統。此時進行整潔，濕膜經過二次蒸發，會提高進氣濕度，干球濕度會更接近露點溫度。

每臺噴霧蒸發冷卻器設備投資金額為73萬元，當年可收回投資。目前，新疆已建成燃氣輪機發電機組40臺。在啟動西氣東輸和新疆開發油氣田后，燃氣輪機已在中國西部大開發中得到應用，噴霧蒸發冷卻技術也具有非常廣闊的前景。

2.2 表面式冷卻

表面式冷卻實際上就是借助于換熱器對燃氣輪機進氣進行冷卻。燃氣輪機進氣道中需要安裝鰭片管式換熱器，管道中注入5℃左右的冷水，燃氣輪機進氣時經過鰭片管外側的時候就進行了冷卻。

在冷卻過程開始時，應遵循恒定的比溫線。如果空氣溫度冷卻到露點溫度，空氣中的水蒸氣就會接近飽和狀態，水就會在空氣中凝結，所以需要除霧。隨著溫度逐漸冷卻，也會產生大量的凝結水。水汽化的潛熱非常高，此時冷卻能量被空氣消耗，水分凝結，冷卻部分很小。直到空氣和水價基本冷卻和凝結，空氣溫度才能繼續下降。

表面式冷卻時冷源只要有足夠的制冷能力，且換熱器鰭片管具有一定的傳熱能力，就能將進氣冷卻到最佳進氣溫度，所以在潮濕炎熱區域中大多數會采用這種冷卻方式。

2.3 電制冷

利用燃氣輪機或聯合循環電廠本身產生的電，驅動氨基壓縮制冷機產生低溫冷水，冷水通過閉式循環回路送至燃氣輪機，進入器官內的翅片管換熱器，從而降低燃氣輪機進氣過程中的溫度。

中國南京工程學院電力工程研究中心研究出一種點制冷系統，即GTIAC系列燃氣輪機進氣冷卻裝置。該種系統主要分為2個型號：GTIAC-1型主要適用于6B型燃氣輪機發電機組和106B型聯合循環電廠；GTI-AC-II主要適用于9E型燃氣輪機和206B、109E型聯合循環電廠。

江蘇無錫華達電廠使用的是由美國雙S公司提供的LM6000輕型燃氣輪機，燃氣輪機還配備了進氣冷卻裝置。采用R-123制冷機，壓縮機功率為1 281 kW。它能夠產生750 m3/h的冷水（5℃），并將其發送給燃氣輪機，空氣冷卻器幫助下一個封閉的循環回路，確保燃氣輪機進氣時溫度最佳（8～10℃），全年耗水量為1 193 m3/h，進水溫度為32.2℃，出水溫度為38.5℃。

2.4 冰蓄冷制冷

利用夜晚低谷電廉價優勢，主要使用水冷式低溫冷水機組制冷。低溫冷水機組中的冷媒采用完全不含氟利昂的407C、R134a，不會對環境產生污染。低溫冷水機組會輸出冷凍液，冷凍液使用乙二醇或丙二醇等，冷凍液出口溫度為﹣15～5℃。

當冷凍液進入大容量冷庫盤管時，會產生非常大的冰水混合物，主要用于冷卻白天發電高峰期燃氣輪機的進氣。冷凍液也可輸入到冷凍水換熱器盤管中。當冷水在5℃左右生成時，及時對天然氣輪機進行進氣風冷。

1991年美國洛克拜燃氣輪機調峰電站在美國電力研究院等單位的合作下，安裝了一套新的進氣冷卻裝置。這個電站有一臺MS7001B燃氣輪機發電機組，正常情況下發電65 MW，當溫度升高至38℃左右時出力下降至53 MW。電站在機組附件新建了一個儲冰罐，當電站調峰運行時，蓄水罐的冷水流入進氣室前面的冷卻管，然后將38℃左右的進氣冷卻至4℃左右，使燃氣機輪增加10 MW左右的出力。溫度升高后的水流回蓄冰罐，然后將冰融化成冷水再次進入循環。

2.5 蒸汽或者熱水制冷

借助于廢熱鍋爐尾部聯合循環發電廠預熱，生成低壓蒸汽或高溫熱水，或借助聯合循環汽輪機的電場，將低壓空氣注入溴化鋰吸收式制冷機，生成冷水。冷水被送入燃氣輪機進口冷卻鰭片管，用于冷卻進氣。深圳金崗電力有限公司安裝了一套106B型國產聯合循環機組，將余熱產生的熱水送入制冷機產生冷水，進而用于燃氣輪機進氣冷卻。相對濕度為70%左右時，氣溫可從35℃下降到20℃左右。除去燃氣機進氣及余熱鍋爐增加的阻力引起的出力下降，燃氣輪機出力凈增加了3 MW左右。

3 燃氣輪機各進氣冷卻技術比較

3.1 蒸發冷卻

蒸發冷卻系統比較簡單，投資較少，能耗低，維護較為便捷，但是其非常容易受空氣濕度的限制[5]。中國北方、西部區域較為干燥炎熱，蒸發冷卻具有廣闊的發展前景，但是應用中需要一定的除鹽水。

3.2 電制冷

電制冷采用發電、制冷、冷卻的進氣方式，其具有體積小、占地小、工程量較小的優點；制冷過程中不容易受到環境濕度的限制；制冷深度較高，能夠將進氣溫度控制到6℃。電制冷存在的缺點是需要耗電，運行成本較高。

3.3 冰蓄冷制冷

該種進氣冷卻技術也可歸為電制冷，采用低谷電制作成大量的冰水混合物，制作完成后進行儲藏，白天燃氣輪機頂峰發電時放出冷量供使用。其優點是使用夜晚的廉價電能換取了高峰時的高價電，同時還能有效提高電力系統的整體效益。

3.4 蒸汽或者熱水制冷

與以上2種制冷技術相比蒸汽或者熱水制冷存在以下不同之處：系統比較復雜，多使用一套蒸汽或者熱水系統；溴化鋰制冷比電制冷壓縮機占地大，但是比冷蓄冷占地?。恢评湫什粫蚣竟澴兓?，一年中都可以使用；最大的優點是全面利用了電廠低品位熱量。條件是適合余熱鍋爐排煙溫度較高，剩下的余熱能夠借助于聯合循環電廠、汽輪機低壓抽汽聯合循環電廠。獲得低品位能量，成本較低，經濟劃算[6-8]。

4 結束語

借助進氣冷卻技術很大程度上可提高燃氣輪機電廠出力以及效率，增大燃氣輪機的出力，并獲得良好的經濟效益。不同區域中采用不同燃氣輪機電廠，在不同區域中使用也需要結合當地空氣濕度及溫度等，靈活選擇合適的進氣冷卻方式，以達到最好的效果。