燃机进气冷却技术探讨

郝洪亮，刘志坦，常连成，张 涛

(国电科学技术研究院，江苏南京 210031)

0 引言

当前，世界能源正处于一个新的转型期，天然气作为优质的化石能源，在构建安全、稳定、经济、清洁的能源格局中的作用日益增强。自21世纪以来，中国天然气得到长足发展，市场快速发育，有效提升了中国能源供应能力，有力推动了中国能源的清洁化进程。燃气发电因其能源利用效率高、安全可靠、社会效益和经济效益好等特点受到世界范围的广泛重视。“十二五”期间随着我国天然气开采、供应能力的日益增强，天然气管网建设速度的加快，天然气发电已进入快速发展阶段。

燃气轮机及其联合循环电站具有常规电站所无法比拟的优点，在我国的电力建设中将发挥重要作用。但环境空气温度对燃气轮机性能影响甚大(见表1)，环境空气温度每升高1℃，其输出功率会下降约0.8%左右。例如:伊朗现有170多台燃气轮机发电机组，总装机容量为9500MW，在夏季由于温度的影响，出力仅能达到额定出力的80%，也就是说在高温季节要减少发电出力1900MW。高温时段正是电网需要燃气轮机发挥其调峰性能增加出力的时候，而燃气轮机机组却受到环境温度的影响出力降低。

燃机电站性能受大气温度影响的特点已经引起人们的普遍重视，由此产生了燃气轮机进气冷却技术，并在实践中得到了广泛应用。

表1 大气温度对燃机的影响

1 影响机理

在燃气轮机设计时，一般都按标准工况(大气压力:101.3kPa，温度 15℃，相对湿度 60%)来计算，但实际上大气温度等参数经常偏离上述标准条件，使压气机进口空气的质量、流量等参数发生变化，这是导致燃机在变工况下运行性能参数发生变化的重要因素。

在大气温度升高时，促使燃机功率降低的主要原因是:由于机组压比的降低，导致透平发出的比功降低;由于大气温度增加，虽然压气机的压比有所下降，但压气机消耗的比功却有所提高;由于燃机是定容设备，流经机组的空气质量流量的减少，将促使机组的有效功率进一步下降。

2 进气冷却发展史

1987年，在美国芝加哥，进气冷却技术首次应用在燃气轮机上。1991年美国林肯电气系统公司的洛克拜MS7001B燃气轮机调峰电站，装了进气冷却装置，利用非峰期的电力驱动3台制冷机，每小时制冰23t，需要冷却进气时，冰就融化成略高于0℃的水，将38.3℃的进气冷却至4.4℃，使燃气轮机发电机组出力增加10.5MW。该项工程的成功立即引起巨大的反响，美国有不少公司迅速加入进气冷却的行列。GE公司在20世纪90年代研制出LM6000航空燃气轮机后，燃气轮机进气冷却技术得到了快速发展，因为对于LM6000燃机而言，进气温度每降低1.8℃，出力增加1%;美国成立了透平进气冷却协会(TICA)来推进进气冷却技术的发展。

20世纪90年代，在东南沿海经济快速发展地区，为缓解电力供应的不足，先后投产了一批燃油的中、小型燃机联合循环发电机组;国内也开始将进气冷却装置引入了燃气轮机电站，取得了较好的经济效益和社会效益。深圳金岗电力公司的PG6541B燃气轮机联合循环机组安装了一台溴化锂进气冷却装置，实现进气温降14℃，每降低1℃机组增加出力0.9%。广州明珠电力集团CW251B11型燃气轮机发电装置采用美国唐纳森公司生产的进气蒸发冷却装置，每降低温度10℃，增加出力0.7% ～0.8%。近些年，随着国家能源结构的战略调整，燃气发电机组又迎来了快速发展时期，大型燃气发电项目大量上马，但目前国内还没有大型燃机联合循环机组进气冷却工程应用的案例。

3 进气冷却方式分类及分析

燃机进气冷却技术概括起来可以分为两大类:蒸发式冷却和制冷式冷却。前者根据冷却器的结构不同分为介质式蒸发冷却和喷雾式冷却;后者根据冷源的获取方式不同分为压缩式制冷冷却、吸收式制冷冷却、蓄冷冷却和LNG冷能冷却。

3.1 蒸发式冷却

蒸发式冷却原理是利用水在空气中蒸发时吸收潜热，从而降低空气温度。当未饱和空气与水接触时，两者之间便会发生传热、传质过程，空气的显热变为液态水蒸发时所吸收的潜热，从而使其温度降低。分为介质式蒸发冷却和喷雾冷却两种。

3.1.1 介质式蒸发冷却

介质式蒸发冷却又称为水洗式冷却，冷却装置与带填料层的喷水室结构相似，主要由冷却水泵、喷嘴、用以形成水膜的介质(如玻璃丝)、除水板、水箱等组成。将水膜式蒸发冷却器置于空气过滤器后，燃气轮机进气与水膜接触从而达到水洗降温加湿的目的。经冷却后的空气，相对湿度(RH)可达95%;但该方式对进气阻力影响较大。

3.1.2 喷雾式冷却

20世纪80年代末，国际上首次出现了燃机进气冷却用的雾化式蒸发冷却器。这种冷却器将水高细度雾化后，喷入空气流中，利用水雾化后表面积急剧增大的特点来强化蒸发冷却效果，可以将空气冷却至饱和点附近，具有很高的冷却效率，并且阻力损失较小。AxEnergy提出采用燃机进口喷雾冷却器，每降低进气温度2℃可以增加出力1%。目前国际上较为先进的雾化式冷却系统已经将燃气轮机的进气冷却与湿压缩技术结合在了一起。

3.2 制冷式冷却

制冷式冷却是在燃气轮机压气机进口处设置一翅片式表面换热器，空气在管外翅片侧流动，冷源在管内流动。与常规管翅式换热器不同，这种换热器要考虑空气中冷凝水的分离、收集与排放。

3.2.1 压缩式制冷

压缩式制冷采用压缩制冷循环，向盘管冷却器提供冷源，冷源的获得以消耗机械功(电力)为代价，燃机压气机进气在换热器内被冷却水或吸收剂冷却。压缩制冷系统简单，初投资较低，可以获得较低的制冷温度;但最大的缺点是需要消耗电力，燃机进气冷却多发电的25～30%要用于驱动该系统，达不到增加出力的目的，所以该系统应用较少。

3.2.2 吸收式制冷

吸收式制冷利用电厂余热驱动制冷机，向燃机进气提供冷源，通过表面式热交换器降低燃机进气温度，达到增加出力、提高效率的目的。由于该冷却方式可以充分利用电站余热，且利用的是低品位的热能，因此发展较快，应用较多。吸收制冷根据其结构有单级和双级之分;根据所采用的制冷剂不同分为氨吸收制冷和溴化锂(LiBr)吸收制冷两种型式。氨吸收制冷虽然可以获得较低的制冷温度，但设备庞大、占地面积大、造价较高且防爆等级要求较高，因此目前LiBr吸收制冷应用较多。

3.2.3 蓄冷冷却

蓄冷冷却技术在本质上也是压缩制冷冷却，是基于压缩制冷耗费机械功的原因发展起来的。其主要是充分利用电网的峰谷差电价，即在电网低谷时期，利用低价电驱动压缩制冷机制冷，把获得的冷量储藏在蓄冷装置中;到电网高峰期，制冷装置停止运行，再把蓄冷装置储藏的冷量释放出来，用以冷却燃气轮机进气，降低进气温度增加出力、提高效率。该方式一方面可以增加低谷期用电量，扩大高峰期发电，起到调整电网负荷的作用;另一方面蓄冷用的是低价电，电网高峰期发电是高价电，从中可以取得电的差价利润，达到双重效果。

3.2.4 LNG 冷能冷却

LNG的温度是－160℃，处于超低温状态，使用前必须在LNG接收站再气化为天然气，在气化过程中释放的大量冷能是可以回收利用的。其主要方式是利用中间传热介质(乙二醇水溶液)通过两级换热器将LNG冷能传递给燃气轮机入口处空气，达到冷却燃机进口空气的目的。

4 结语

截至2011年底，我国天然气大、中型联合循环发电装机总容量达到3261万kW，其中华东电网和南方电网装机超过2700万kW，占全国气电的比重超过80%。华东、华南地区年平均气温较高，尤其在高温夏季工况下燃机发电机组出力严重下降，出力仅能达到设计出力的80% ～90%;但高温时段正是这些地区电网电负荷的高峰期，燃机进气冷却技术作为一种提高燃机发电机组在高温环境下出力的关键技术，对缓解用电高峰的电力供应不足、提高发电机组的经济性具有明显的效果，其推广应用具有很大的市场空间，因此在我国发展燃气轮机进气冷却技术潜力巨大，研究、实践燃气轮机进气冷却技术具有重要意义。

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