燃气轮机进气冷却技术研究

徐亦淳

上海电力股份有限公司

燃气轮机进气冷却技术研究

徐亦淳

上海电力股份有限公司

介绍了气温对天然气轮机和出力和热耗的影响，详细分析了天然气轮机进气的几种冷却技术，最后列举了进气喷雾冷却的优势和工程案例。

燃气轮机；进气冷却；节能降耗

1 气温对燃气轮机性能的影响

1.1 气温对燃机出力的影响

由于压气机是定容设备，即在既定的转速下运送恒定容量的空气，其质量流量与空气温度成反比，随着环境大气温度升高，压气机进气在容积流量不变的情况下，质量流量将降低，燃机燃料消耗量减小，燃机透平工质相应减少，燃机出力随之降低。对燃机而言，环境温度每升高1℃，出力将下降0.5%～0.9%。

以GE公司PG9351FA燃机为例，燃机出力随着压气机进气温度的升高而降低。如图1所示，PG9351FA燃机进口气温从性能保证工况的气温15.6℃气温升至40℃时，燃机出力从253.83 MW（100%）降低至209.06 MW，出力下降幅度达到17.6%。进气温度每降低1℃，燃机出力可增加1.834MW。

1.2 气温对燃机热耗的影响

随着大气温度升高，压气机耗功增加，在燃机输出功率降低的同时，燃机热效率随之降低，热耗增加。环境温度每升高1℃，热耗将增加0.2%～0.3%。

燃机热耗随着压气机进气温度的升高而升高，尤其是在高气温情况下更为明显。如图2所示，PG9351燃机进气温度从性能保证工况时的15.6℃升至40℃时，燃机热耗从9 744 kJ/kWh 增加至10360 kJ/kWh，即热耗增加6.3%。

因此，燃机在夏季高温条件下运行，已不能满足设计进口气温的要求，造成燃机热耗率增加，最大增加6%左右，而且机组出力严重受限，最大下降超过17%，使机组经济性大幅降低。在夏季用电高峰期间出力下降严重，削弱了其调峰能力，也影响了企业的经济效益。

2 进气冷却几种技术分析

燃气轮机出力随进气温度升高而降低的问题可以通过冷却燃气轮机压气机进气来解决，特别是高温天气条件下运行的燃气轮机发电机组的压气机加装进气冷却装置是增加其出力的最有效的方法。

图1 PG9351FA燃机出力与压气机进气温度的关系

燃机进气冷却技术分为蒸发式冷却和制冷式冷却两大类。前者根据冷却器的结构不同分为介质式蒸发冷却和高压喷雾冷却，后者根据冷源的获取方式不同分为压缩制冷冷却、吸收制冷冷却、蓄冷冷却和LNG冷能冷却。

2.1 蒸发式冷却

蒸发式冷却原理是利用水在未饱和空气空气中蒸发时吸收潜热，从而降低空气温度。

（1）介质式蒸发冷却技术

介质式蒸发冷却主要由冷却水泵、喷嘴、用以形成水膜的介质、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，燃机进气与水膜接触从而达到降温加湿的目的。经冷却后的空气，相对湿度可达95%，该方式的缺点是进气阻力大，安装时进气道要进行较大的改造，停机时间长。

（2）喷雾式冷却技术

冷却器将水高细度雾化后，直接喷入空气气流中，液态水在汽化过程中吸收汽化潜热，从而降低空气温度，接近湿球温度，可将空气冷却至饱和点附近（相对湿度达100%），并利用水雾化后表面积急剧增大的特点来强化蒸发冷却的效果，具有很高的冷却效率，且进气阻力小，特点是安装时无需对进气道进行改造，停机时间短。

2.2 制冷式冷却

制冷式冷却是在燃机压气机进口处设置翅片式表面换热器，空气在管外翅片侧流动，冷源在管内流动。这种换热器要考虑空气中冷凝水的分离、收集与排放。

图2 PG9351燃机热耗与压气机进气温度的关系

（1）压缩式制冷技术

压缩式制冷采用压缩制冷循环，向燃机压气机进口的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，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，大大影响增加出力的效果。

（2）吸收式制冷技术

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。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吸收制冷两种型式。氨吸收制冷虽可获得较低的制冷温度，但设备占地面积大、造价较高且防爆等级要求较高，运行管理成本高。

（3）蓄冷冷却技术

蓄冷冷却技术是充分利用电网的峰谷差电价，即在电网低谷时，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，待电网高峰期，制冷装置停止运行，再把蓄冷装置储藏的冷量释放出来，用以冷却燃机进口空气，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，增加高峰期发电量，起到调整电网负荷的作用；另一方面蓄冷用的是低价电，电网高峰期发电的电价高，获取发电的差价利润，达到双重效果。

（4） LNG冷能冷却技术

LNG的温度是-160°C，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空气，达到冷却燃机进口空气的目的。

2.3 进气冷却几种技术比较

已有的国内外运行经验表明, 这些进气冷却技术已经比较成熟, 几种冷却方式各有其特点，对于不同地区不同运行条件的燃气轮机，应根据实际条件选择进气冷却方式。蒸发式冷却直接接触式投资小, 施工工期短, 但冷却能力较小, 特别适用于资金相对短缺、干燥炎热的地区。LNG 冷能利用需要与LNG 接受站统一协调考虑。蓄冷式制冷与压缩制冷、吸收制冷的投资相当,蓄冷制冷特别适用于电网峰谷电价差较大的地区，而溴化锂吸收制冷则以其能充分利用电厂余热、冷却能力较大的优越性。表1列举了国内几个已采用进汽冷却技术燃气轮机电厂。

3 进气喷雾冷却的优势和工程案例

燃机进气喷雾冷却系统无需对原有的进气室进行大的改动，安装速度快、初始投资低、维护及保养简单、系统耗水量小；系统采用模块化设计制造，占地小，安装位置灵活，相比较常规蒸发冷却和制冷冷却，对燃机进气道几乎不产生压力降，改造技术风险小；喷雾冷却是一种成熟先进的技术产品，并且在全球有超过970套的成功应用案例。

表1 燃机进气冷却国内应用情况

3.1 进气喷雾冷却的工程布置

如图3所示，喷雾系统主要包括高压泵站、喷嘴矩阵、供水管道及疏水管道。泵站由多台交流电机驱动的陶瓷柱塞式高压泵、0.35μm除盐水进水过滤器、测定空气干球温度和相对湿度的气象站以及就地PLC控制系统组成。喷嘴矩阵为众多喷嘴及歧管组成，并固定在压气机进气管道内的喷嘴组合；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口底部的逆止阀，以确保运行时正常疏水。

喷雾矩阵安装在过滤器后、消音器前，此种安装方式既能保证雾化的效果，又能防止水滴进入压气机，是当喷雾仅用于蒸发冷却时的最佳选择方案。

3.2 进气喷雾冷却技术原理

进气喷雾的目标是要将水分裂为尽可能小的雾滴，以获得最大的表面积来增加雾滴表面和空气之间的传热。任何压力雾化喷嘴的根本原理是通过一个小孔将水的压力转变为动能。选择喷嘴最重要的因素是雾滴尺寸和在进气道横截面上雾滴的分布，因为这些都影响喷雾冷却的效率和透平运行的安全。目前，在燃机进气喷雾冷却中占主导地位的是撞针式喷嘴。

如图4所示，撞针式喷嘴是水强行通过一个光滑的小孔以高速正面撞击一个位于喷孔上方的撞针。喷射的流速以及所产生的雾滴尺寸取决于喷水压力。水流撞击在撞针上形成一个薄的锥形膜，随着锥形膜离开喷孔而扩展，薄膜的面积也扩张，因而水膜变得越来越薄，最后表面张力使水膜变成“指状（梳状）”，空气流动的不稳定性使“指状”破碎为丝线，然后变为雾滴。水膜的厚度取决于孔的直径、撞针的几何形状和水压。提高水压即增加引起水膜扩张的速度从而使水膜厚度变薄，最终使雾滴尺寸减小以及喷嘴的流量增加。

3.3 进气喷雾冷却经济分析

以某长三角区域某2台GE公司PG9351燃机电厂为例，夏季极限工况为37°C，实施进气喷雾后燃机出力从253.83MW（100%）降低至215MW，喷雾进气冷却系统的最大冷却能力为进气温度降低9.9°C，此时燃机出力可增加18.156MW，燃机出力可恢复至约233MW；而且，当环境温度进一步升高时，燃机出力还将下降，因此，在夏季极限工况下燃机在投用喷雾进气冷却系统后的燃机负荷不会高于现有的铭牌出力。

图3 喷雾冷却系统示意图

图4 撞针式喷嘴

Study on Gas Turbine Inlet Air Cooling Technology

Xu Yichun
Shanghai Electric Power Co.,Ltd

The article introduces atmosphere temperature impact on output and heat consumption of gas turbine and analyzes several inlet air cooling technologies of gas turbine. The author lists advantages and engineering cases of inlet air spraying cooling.

Gas Turbine, Inlet Air Cooling, Energy Saving and Consumption Reducing

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.11.002

徐亦淳：（1979-），男，工程师，本科。从事发电技术节能管理工作，任职于上海电力股份有限公司。