进气喷雾冷却及其在我国燃气轮机上的应用

2015-12-20高南兴

发电设备 2015年1期

高南兴

（上海发电设备成套设计研究院，上海200240）

以空气为工质的燃气轮机，其输出功率与进气的空气质量流量成正比，进气的空气质量流量与大气绝对温度成反比。大气温度每升高1K，简单循环的单轴燃气轮机输出功率通常将下降0.5%～0.9%，效率下降0.2%～0.3%（气温对由自由涡轮输出功率的分轴型机组性能影响更大）；而对于许多燃气轮机特别是调峰的发电机组，往往希望在高温季节有更高的输出功率。解决这一矛盾的有效方法是通过冷却降低燃气轮机的进气温度。

在众多进气冷却方式中，进气喷雾冷却因其投资少、设备简单、维护费用低、能适当降低NOx排放、减少压气机叶片清洗、进气阻力小到可以忽略不计和能够实现“过喷”以进一步提高输出功率等特点成为人们的首选，其中尤以美国米氏工业公司的MeeFogTM喷雾系统得到最广泛的应用。该系统的主要特点是采用了可以产生微小水滴和烟幕状雾冠的撞针式喷嘴，从而消除或减轻了对压气机叶片的侵蚀。至2013年，MeeFogTM喷雾系统在全球已销售了将近900套。该系统在我国发电燃气轮机中也有7套在使用，都收到了良好效果。

笔者对进气喷雾冷却的一些参数进行了计算，列出了图表，并提供国内现有燃气轮机采用MeeFogTM进气喷雾冷却系统的一些参数，可供有关人员参考。

1 理论依据和计算

1.1 空气湿度图

图1为1个大气压力（0.101 325MPa）下的空气湿度图，它表示空气的干球温度、湿球温度、相对湿度和绝对湿度之间的关系：

图1 空气湿度图

式中：H 为空气绝对湿度或空气含湿量，kg／kg干空气；pa为大气压力，MPa；Ψ 为空气相对湿度；ps·s为空气干球温度下的饱和水蒸气分压力，MPa。

图1是喷雾冷却的计算依据［1］。从图1可以按空气的干球温度TD和相对湿度Ψ查得经过喷雾冷却达到饱和后的空气湿球温度Tw以及冷却前后空气的绝对湿度之差，由此算出所需的喷水量。干、湿球温度之差即为喷雾冷却的最大可能降温量△T1。

1.2 空气温度和湿度对喷雾冷却的影响

影响喷雾冷却的两大主要因素是空气温度和空气湿度。众所周知，水在温度越高和相对湿度越小的空气中，越易蒸发。米氏工业公司制造的MeeFogTM撞针式喷嘴能产生滴径Dv90≤18μm的微小水滴，其蒸发效率接近100%。向进口空气中喷雾，使其相对湿度达到100%，进气温度便可降到相应的干球温度和相对湿度下的湿球温度，由此确定喷雾冷却可造成的压气机进气的最大温降为：

图2为压气机进气最大可能温降△T1与大气温度T1干球和相对湿度Ψ的关系。

图2 进气最大可能温降与气温、空气相对湿度的关系

由图2可见：T1干球越高、Ψ越小，则喷雾冷却后的△T1就越大，即喷雾冷却在高气温和低相对湿度的环境下具有显著的降温效果。

图3则以另一种形式表示了△T1和T1干球、Ψ之间的关系，除了有与图2相同的结论外，还表示出T1干球对△T1的影响远不如Ψ，从而表明在干燥地区采用进气喷雾冷却最为有效。

图3 进气最大可能温降与空气相对湿度、气温的关系

1.3 喷水量计算

进气喷雾冷却是利用水滴在蒸发过程中吸收其周围空气的显热转化为水的潜热或称“汽化热”，从而使空气降温的物理过程。

常温、常压下水在空气中蒸发（汽化）的平均吸热量q为2 558kJ／kg，空气的平均比热容c为1.005kJ／（kg·K），1kg空气降温1K所需蒸发的水量，即喷水率g水＝c／q＝0.000 393kg／（kg·K）。

通过图1也可得到这个数值，由此得到喷雾用水量G水与空气流量G空气和喷雾蒸发冷却后的压气机进气温降△T的关系：

由式（3）可见：G水与G空气和△T 均呈简单的线性关系，从而可作出喷水量与空气流量和进气温降的关系曲线（见图4）。由图4可根据燃气轮机的G空气和△T查得所需的喷水量。

图4 喷水量与空气流量和进气温降的关系

另外，由g水可以得到单位空气量温降为△T时的喷水率g′水：

g′水和△T间呈线性关系见图5。由式（4）和图5可知：单位空气喷水量只与△T有关，即不论是高温季节还是低温季节，只要△T相同，则单位空气流量（或总空气流量）的喷水量相同。

图5 单位喷水量g′水与温降△T的关系

图6表示单位空气最大喷水量g″水与T1干球和Ψ的关系。

图6 单位空气最大喷水量与空气相对湿度、气温的关系

由图6可见：最大喷水量将随T1干球的升高和Ψ的降低而增加，除非极端情况，喷水量一般不会超过燃气轮机空气流量的1%。

在计算喷水量时必须注意的一点是：喷雾冷却过程中会有一部分雾滴与进气道中的障碍物或壁面碰撞后聚合而形成未能蒸发的自由水，这些水必须排出机外以免进入压气机造成叶片损伤。未能蒸发掉的水量与进气道的结构有关，一般在喷水量的0～10%，建议取5%。

为了防止喷雾系统堵塞、腐蚀，以及对压气机叶片的侵蚀，喷雾系统必须使用经高精滤的除盐水。

2 喷雾系统设备及计算

MeeFogTM进气喷雾冷却系统主要包括泵站、喷嘴矩阵、供水管道及疏水管道等。泵站是由交流电机驱动的陶瓷活塞式高压泵、过滤器、测定空气干球温度和相对湿度的气象站，以及PLC控制计量系统组成为一个可以露天布置的撬体；喷嘴矩阵为由众多喷嘴及歧管组成，并固定在压气机进气道内的喷嘴组合；供水管则是连接泵站和喷嘴矩阵的高压不锈钢管道；疏水管是布置在进气室和压气机进气缸底部的排水管道，其端部装有逆止阀，确保运行时正常疏水。

高压供水泵的型号和数量根据要求的供水压力和喷水量来确定。MeeFogTM推荐供水压力为13.8MPa（足以保证水的雾化细度的要求）。选用喷孔为0.15mm的撞针式喷嘴，每个喷嘴在上述供水压力下的流量qw为0.010 2t／h（0.17 L／min），所需喷嘴数为：

将计算结果向上取整得到合适的喷嘴数Z′。

根据△T1确定喷雾级数，每级温降为1～2K。每级喷嘴数相同，由此也可取整到合适的喷嘴总数Z″。最大温降达10K以上时，一般都推荐取8级或更多。喷嘴歧管在矩阵上的布置应确保在各种工况下喷雾分布均匀。

3 国内燃气轮机采用进气喷雾冷却时的参数估算

显然，喷雾系统参数与当地气象条件、燃气轮机的空气流量和冷却的温降要求有关。为了有一个大致的概念，将设计气象条件统一取为夏季，T1干球为37℃、Ψ 为40%，此时，空气湿度图上查得T1湿球＝25.3℃，由此得出压气机进气最大温降△T1＝T1干球-T1湿球＝11.7K。

由式（5）可确定单位空气的喷水率为：

也可从图1（空气湿度图）上按喷水后25.3℃相对湿度为100%和喷水前47℃相对湿度为40%时的绝对湿度（即干空气中的含水量）之差求得单位喷水率g′水＝0.020 4-0.015 8＝0.004 6 kg／kg空气。

对固定转速的发电燃气轮机，压气机进气的容积流量不变，质量流量与进口温度有关，经过进气喷雾冷却后的空气流量G空气25.3为：

式中：G空气ISO为燃气轮机制造厂给出的ISO条件（T1＝15℃）下压气机的进气流量，kg／s。

将△T1和G空气25.3代入式（3）后，便可得到总喷水量：

考虑5%的疏水量后的总喷水量为：选用喷孔为0.15mm的撞针式喷嘴，根据式（5），可求得喷嘴总数：

按分组原则并将喷嘴分为每级喷嘴数相同的8级后取整到合适的喷嘴数Z′，最终得到总喷水量为：若设计条件改变，则可由新的条件按上述步骤计算出相应参数。

总喷水量也可按不同机型的G空气和△T1从图4中查得，并加5%的疏水量，但要注意，G空气必须是进气冷却后的气温下的数值（可按式（6）求得）；而喷嘴总数则按式（9）计算、分组并向上取整到合适的值。

表1列出了目前国内常用的燃气轮机采用MeeFogTM进气喷雾冷却系统时的参数估算结果，可供参考，其设计条件为大气干球温度37℃、相对湿度40%，喷雾级数8级。

表1 国内燃气轮机采用进气喷雾冷却的估算

表1 （续）

4 国内燃气轮机采用进气喷雾冷却遇到的问题

进气喷雾冷却有许多优点，在国外燃气轮机上已获得大量应用，但人们对此项技术还有一些疑虑。

4.1 会对压气机叶片造成损伤

人们担心在压气机进口喷入大量水滴是否会造成压气机叶片侵蚀。理论和试验证明：小于20μm的水滴会跟随气流流动而不会撞击叶片，因而喷雾冷却的关键在于制造微小的水滴。MeeFogTM的撞针式喷嘴正好能满足这一要求。美国GE公司的航机衍生型燃气轮机LM6000 Sprint在高、低压压气机入口用空气雾化喷嘴进行喷雾冷却，使输出功率提高20%～30%，有数百台这样的机组在全球成功运行，就足以证明燃气轮机采用进气喷雾冷却是安全可靠的。