进气冷却对燃气-蒸汽联合循环性能的影响

梅映新，刘明星，杨 洁

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 上海船用柴油机研究所，上海 201108）

进气冷却对燃气-蒸汽联合循环性能的影响

梅映新1，刘明星1，杨 洁2

（1. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064；2. 上海船用柴油机研究所，上海 201108）

利用模块化建模的方法建立了由单轴燃气轮机和双压余热锅炉所组成的燃气-蒸汽联合循环机组及进气冷却系统的数学模型。量化分析了进气温度对燃气-蒸汽联合循环性能的影响，以及采用溴化锂制冷和喷雾技术冷却进气对燃气-蒸汽联合循环机组性能的改善程度。结果表明，两种进气冷却方式都能有效提高联合循环机组的输出功率和发电效率。我国气候干燥的北方地区以喷雾冷却为宜而温湿的南方地区以溴化锂吸收式制冷为宜。

燃气-蒸汽联合循环 进气温度 溴化锂吸收式制冷 喷雾冷却

0 引言

环境温度升高将使燃气轮机及其联合循环的功率和效率有不同程度的降低。在夏季，用电高峰期也是气温相对较高的时段，用于调峰的燃气轮机及其联合循环机组却不能高效率、满负荷的运行。解决这一矛盾的有效方法是冷却机组进气。本文主要针对溴化锂吸收式制冷和喷雾两种冷却方式对燃气-蒸汽联合循环机组性能的改善程度进行量化分析研究。

1 燃气-蒸汽联合循环机组的数学模型

本文以PG9171E型燃气轮机、双压余热锅炉和凝汽式汽轮机组成的联合循环机组为研究对象，将带进气冷却的燃气-蒸汽联合循环系统分为为压气机模块、燃烧室模块、透平模块、余热锅炉模块、蒸汽轮机模块和进气冷却模块（包括溴化锂制冷模块和喷雾冷却模块）。通过每个模块的输入与前一个模块的输出的联系可以将各个模块连接起来，如图1所示。

由相关理论知识可推出压气机的耗功为：

式中：cpα—空气定压比热；Mα—压气机入口空气流量；ε—压气机的压比；ηy—压气机的效率；ka—空气的绝热指数；

燃气透平输出功率为：

式中：Mr——燃气的质量流量；cpr——燃气的定压热容；δ——燃气轮机的膨胀比；kr——燃气的绝热指数；ηt——燃气轮机效率；ε——压气机的压比；ηy——压气机的效率；ka——空气的绝热指数；

蒸汽轮机的输出功率的计算式为：

式中：MH——高压蒸汽流量；MLs——低压蒸汽流量；hH—汽轮机进口高压蒸汽焓值；hL—低压蒸汽焓值；hst—汽轮机出口蒸汽焓值；ηi—汽轮机相对内效率。

图1 模块连接的示意

燃气-蒸汽循环机组的循环总功率为：

其中：N——循环机组的循环功率；ηB——燃烧室效率；Qd——燃气的低位发热量；Mf——燃烧室燃料的质量流量；

2 进气温度及进气冷却对燃气-蒸汽联合循环性能影响

2.1 进气温度对联合循环性能的影响

借助上述数学模型，可计算分析出联合循环机组的性能随进气温度改变的变化规律。结果如图2和3所示。

图2 联合循环总功率与进气温度的关系

由图2和3知：随着进气温度的升高，燃气-蒸汽联合循环的总功率和循环效率都在下降。即空气温度越高，联合循环的性能越差。气温从15℃升高到45℃后，联合循环的总功率从178.99 MW下降到了156.77 MW，降幅12.41%；联合循环的效率由46.91%下降到了45.26%，降幅3.52%。

图3 联合循环效率与进气温度的关系

2.2 进气冷却对联合循环性能的影响

在联合循环机组上采用溴化锂制冷或喷雾技术冷却进气，可提高机组的出力和效率。通过上述数学模型的分析计算，进气冷却技术改善联合循环机组性能的情况示如图4和5。

图中可以看出，采用溴化锂制冷或喷雾冷却技术后，联合循环的功率和效率都有所提高。由此可知，溴化锂制冷以及喷雾都是改善燃气-蒸汽联合循环热力性能的有效措施。喷雾冷却技术采用的设备简单、投资小，但它的冷却效果受到进气相对湿度的限制，进气相对湿度越大，冷却效果越差。比较分析溴化锂制冷和喷雾冷却对联合循环性能的改善情况，如果环境大气温度＜30℃、相对湿度＜25%，喷雾冷却的效果比溴化锂制冷冷却的效果好；如果大气相对湿度＞60%，则溴化锂制冷冷却的效果比喷雾冷却的效果好。所以，在我国溴化锂制冷机组更适用于相对湿度大，气温高的南方地区，喷雾冷却更适用于相对湿度小，气温较低的北方地区。

图4 采用进气冷却系统前后循环总功率比较

图5 采用进气冷却系统前后循环效率比较

3 结论

1）利用模块化建模的方法，分别建立了燃气蒸-汽联合循环各部分和进气冷却系统（包括溴化锂制冷机组和喷雾冷却）的数学模型。

2）喷雾冷却以及溴化锂制冷冷却都是改善燃气-蒸汽联合循环热力性能的有效措施。

3）我国气候干燥的北方地区，联合循环机组首选的进气冷却方式是喷雾冷却；而南方地区，空气相对湿度常年处于较高的水平，且夏季空气持续高温，溴化锂吸收式制冷对南方地区而言是更适合的冷却方式。

4）南方地区采用溴化锂制冷冷却时，可使机组功率提高5%～13%，循环效率提高0.4%～2.9%。北方地区，采取喷雾冷却，可使循环功率提高1.79%～6.67%，效率提高0.2%～0.72%。

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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，高级工程师。研究方向：工业自动化。