基于Ebsilon 软件的联合循环机组进气冷却系统分析

2020-09-08罗城鑫张海珍王明晓柯冬冬李焕龙

浙江电力 2020年8期

罗城鑫，张海珍，王明晓，林达，柯冬冬，李焕龙

（1.华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030；2.国家能源分布式能源技术研发（实验）中心，杭州 310030；3.浙江省蓄能与建筑节能技术重点实验室，杭州 310030）

0 引言

燃气轮机的运行性能易受环境温度变化影响[1-5]，环境温度每升高1 ℃，其输出功率和发电效率分别降低0.6%和0.18%[6]。当环境温度提高到25 ℃时，与ISO（标况大气条件）工况相比，不同厂家和型号的燃气轮机输出功率降幅为5%～13%[7]，联合循环机组的发电性能也受环境温度影响。我国南方炎热的夏季是电力负荷需求高峰期，因此，降低燃气轮机压气机进口空气温度可以有效提高机组出力，增强机组调峰裕度，并获得良好的社会经济效益。孙衍锋[8]研究了广东珠海联合循环机组采用溴化锂制冷进气冷却技术的应用可行性；Ehyaei 等[9]对联合循环电厂进行了全面的热力学建模，并利用遗传算法对系统进行优化，结果显示使用进气冷却系统和优化方法可在1 年中3 个月的高温季将机组平均输出功率、第一定律和第二定律效率分别提高17.24%，3.6%和3.5%；Kamal 等[10]使用GT Pro 软件研究了使用电制冷进气冷却技术对马来西亚LM6000PD联合循环机组性能的影响；Kumar[11]研究了蒸发进气冷却技术对燃气轮机性能的影响。

总的来说，国内外学者已经广泛开展了采用进气冷却技术提高单循环燃气轮机和联合循环机组性能的理论和模拟研究，但使用Ebsilon 系统模拟软件建模的研究较少；同时，对于我国不同区域上网电价和气价对进气冷却技术应用的经济性研究也比较罕见。

为此，本文采用Ebsilon 软件分别建立GE 公司9F.03-2015 机组单循环燃气轮机和联合循环机组系统模型，研究了不同环境温度对机组性能的影响；对比了我国福建、广东、上海3 个典型的夏季高温地区实施进气冷却技术的经济可行性和不同边界条件下的投资回收期，为符合条件的分布式能源站联合循环机组进行进气冷却技术改造提供参考。

1 单循环燃气轮机系统

1.1 燃气轮机模型

德国STEAG 公司设计的电站性能仿真计算软件Ebsilon，具有组件种类齐全、运行方式多变、设计计算灵活等优点。利用该软件对某区域型分布式能源站的单循环燃气轮机进行建模研究，如图1 所示，该机组为GE 公司生产的9F.03-2015 机组。在ISO 工况下，机组输出功率265 MW，热耗率9 516.6 kJ/kWh，排气温度595.6 ℃。

图1 GE 公司9F.03-2015 燃气轮机模型

1.2 工况模拟

分别对进气温度为5 ℃，10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃和40 ℃，相对湿度为60%，进气压力为101.3 kPa 的8 个典型工况进行建模仿真研究。对比进气温度对燃料耗量、输出功率、燃气轮机效率、热耗率、排气温度和流量等参数的影响，形成了不同进气温度燃气轮机的性能参数对比，如表1 所示。

表1 不同进气温度下的燃气轮机性能参数

结果显示，随着进气温度的升高，机组热耗率、排气温度也不断上升，而燃料耗量、输出功率、燃气轮机效率、排气流量呈下降趋势。同时模拟空气不同湿度情况下对机组性能的影响，发现空气湿度在20%～80%大范围变化时，机组输出功率变化仅在0.2%以内。这是由于环境温度为30 ℃时，作为设计工况的相对湿度60%，水分含量仅为0.64%[12]，所以湿度变化对工质热物性影响很小，一般情况下可以忽略空气湿度对机组性能的影响。

1.3 参数分析

图2 显示了燃气轮机各参数随环境温度的变化情况，其中，热耗率随进气温度上升而上升，输出功率随进气温度上升而下降；当进气温度超过30 ℃，热耗率上升的曲线变得陡峭，燃气轮机由于进气温度上升引起的运行性能恶化更趋明显；从表1 的参数对比得知，燃气轮机进气温度从15 ℃上升到35 ℃，输出功率由261.4 MW 下降到226.7 MW，降低了34.7 MW，降幅达13.3%；热耗率由9 651.5 kJ/kWh 上升到10 000 kJ/kWh，上升了348.5 kJ/kWh，升幅为3.6%。

进气温度对燃气轮机的输出功率和燃气轮机效率有显著影响的原因主要有：

（1）燃气轮机是定容式动力机械，环境温度升高会降低空气密度，从而减少了进入压缩机的空气质量流量，这是燃气轮机输出功率变化的主要原因。

图2 燃气轮机各参数随环境温度变化曲线

（2）压缩机耗功随着进气温度的上升而增加，但涡轮的出力并没有增加，因此导致了燃气轮机效率降低。

（3）由于进气温度升高而引起空气质量流量减少，导致燃气轮机涡轮入口压力降低，涡轮内的压比减小而引起燃气轮机性能恶化。

综上所述，降低燃气轮机压气机进气温度，可以大幅提升单循环燃气轮机功率和效率。但与此同时，也会消耗更多的燃料，而且实施进气冷却技术改造成本较高，所以要综合评估新增发电收益与新增燃料成本和技术改造费用之间的平衡关系。

2 燃气-蒸汽联合循环机组系统

2.1 系统模型

对某400 MW 燃气-蒸汽联合循环机组进行建模研究，模型如图3 所示，采用三压一次再热、无补燃、自然循环型余热锅炉汽水系统。燃气轮机所产生的高温烟气加热余热锅炉受热面，产生蒸汽推动汽轮机做功，实现了燃料化学能的梯级利用，使联合循环机组发电效率超过55%。

2.2 工况模拟

为与进气温度对燃气轮机性能的影响形成对比，模拟联合循环机组在空气湿度为60%，进气压力为101.3 kPa，进气温度为5 ℃，10 ℃，15 ℃，20 ℃，25 ℃，30 ℃，35 ℃和40 ℃时的8 个典型运行工况，得到联合循环机组满负荷时不同进气温度下的性能参数对比如表2 所示。

2.3 参数分析

对表2 中进气温度、燃气轮机效率和联合循环效率数据进行分析，其变化关系如图4 所示。随着燃气轮机进气温度从5 ℃上升到40 ℃，燃气轮机效率从37.7%下降到35.4%，降幅为2.3%，而联合循环效率并无显著变化；进气温度从5 ℃上升到15℃时，联合循环效率略有提升，但15℃～40 ℃的过程中基本稳定在56.4%。

图3 燃气蒸汽联合循发电系统模型

表2 不同进气温度下的联合循环机组性能参数

图4 不同进气温度下燃气轮机效率和联合循环效率的变化关系

余热锅炉排烟温度随着进气温度的升高而降低，进气温度从5 ℃上升到40 ℃，余热锅炉排烟温度从93.2 ℃下降到87.4 ℃，与进气温度的大幅变化相比，排烟温度变化相对平稳。虽然进气温度的上升使压气机功耗增加，燃气轮机效率降低，但对联合循环机组而言，燃气轮机升高的排气温度使余热锅炉性能得以提高，所以进气温度的变化对联合循环机组的效率影响较小。

图5 显示了燃气轮机功率与汽机功率随进气温度的变化关系，进气温度从5 ℃上升到40 ℃，燃气轮机功率下降了55.8 MW，降幅达20.5%，汽机功率下降了3.7 MW，降幅仅为2.8%。由于汽机功率保持相对恒定，联合循环机组输出功率的波动主要由燃气轮机决定。我国南方夏季大范围高温，是建筑用能及社会生产电力负荷需求高峰期，分布式能源站联合循环机组若能获得发电上网许可，降低进气温度就可以大幅提升联合循环机组出力，增加企业经济效益和调峰裕度。

图5 不同进气温度下燃气轮机功率和汽机功率的变化关系

3 常用进气冷却方式

进气冷却技术从原理上可以分为两大类，即喷水蒸发进气冷却和表面换热进气冷却[12-15]。

利用液体蒸发过程的吸热效应来给空气降温。蒸发冷却具有改造方便，投资小、易于维护和进气阻力低的优点；缺点是如果空气相对湿度较大，比如在我国南方地区，冷却效果就会大大降低。

通过制冷设备制取冷水，通过表面冷却器来冷却空气。制冷设备按照制冷方式可分为电制冷和吸收式制冷，虽然电制冷技术制冷效率较高，但是其消耗电能，而夏季采取进气冷却技术的目的就是为了增加机组出力，这与进气冷却改造目的相违背；吸收式制冷技术可以利用低品位余热，进气冷却后又可以增加机组出力，不过该技术初始投资较大，项目能否实施需要进行全面的经济性核算。

4 投资经济性分析

4.1 项目概况与边界条件

以广东地区某400 MW 级联合循环机组为研究对象，进气温度15 ℃为目标工况，取夏季高峰工况平均温度35 ℃为机组实际运行工况，相对湿度60%，进气压力101.3 kPa，采用吸收式制冷进气冷却技术方案。为最大程度降低溴化锂驱动烟气对机组发电功率的影响，采用烟气双效溴化锂制冷机组，COP（制冷性能系数）为1.45。我国南方6—10 月为夏季高温期，结合机组实际历史运行数据，保守取1 200 h 作为满负荷工况下进气冷却年运行小时数进行研究；广东省燃气分布式能源站上网电价0.665 元/kWh，供气气价2.4元/m3为研究边界条件。通过Ebsilon 软件进行模拟，当对烟气余热抽热8.93 MW，引起的发电损耗为4.3 MW；进气冷却压损取250 Pa，引起的发电损耗为1.1 MW。模拟影响机组经济型的夏季高峰实际工况与目标工况的参数对比及投资分析如表3 所示。

表3 实际工况与目标工况参数对比及投资分析

4.2 不同区域投资分析

不同区域执行的燃气分布式能源站上网电价和供气气价均不一致，这说明不同区域是否适合开展进气冷却改造要综合考虑当地的能源成本和收益条件。为分析不同上网电价和不同供气气价时采用进气冷却技术的经济性，除上网电价和气价外，其他边界条件不变的情况下，分别把福建省和上海市分布式能源站上网电价0.651 2 元/kWh和0.765 5 元/kWh 也列入研究对象，得到福建省、广东省和上海市三地在不同上网电价和气价的投资回收期如图6 所示。