基于进气温度调节的燃气-蒸汽联合循环机组热力性能优化分析

范雪飞， 蒋 俊， 刘网扣， 朱志劼， 王思远

(上海发电设备成套设计研究院有限责任公司,上海 200240)

大型高效燃气-蒸汽联合循环机组的变工况热力性能受大气温度和负荷要求影响很大[1]：夏季往往是用电高峰，而此时由于进气温度高，机组在基本负荷下的发电功率降低；在非用电高峰期间，机组长时间在部分负荷下运行，机组的发电效率偏低。从电厂生产运行角度出发，既要提高夏季用电高峰时基本负荷下机组的发电功率，又要提升部分负荷下机组的发电效率。围绕这2项需求，国内外的研究机构和燃气轮机(以下简称燃机)电厂通过改变压气机进气温度以提升机组的热力性能，开发出基本负荷下进气冷却、部分负荷下进气加热的技术[2]。

进气冷却可采用溴化锂吸收式制冷+空气表面冷却的方案，该方案对大气湿度的适应性好、耗水量少,同时可避免水进入压气机可能产生的不利影响，该方案已应用在以下机组中：东莞天明电力有限公司S106B机组改造后进气温度最大降低17 K，联合循环发电功率升高4 MW左右[3]；深圳金岗电力有限公司PG6541B机组改造后进气温度下降14 K，联合循环发电功率升高了10.7%[4]；浙江浙能金华燃机发电有限责任公司PG6551B机组改造后进气温度下降10～12 K，燃机发电功率升高2～2.3 MW[5]；伊朗Chabahar燃机电厂GE Frame5机组改造后，进气温度降低15 K，燃机发电功率最大升高1.88 MW[4,6]；沙特某燃机电厂GE 7EA机组改造后，进气温度由25.8 ℃降低到15 ℃，燃机发电功率升高5.7 MW[7]。

进气加热的热源选用余热锅炉的排烟可以提高能源的利用效率，天津华电福源热电有限公司的9E机组采用进气加热后，其进气温度最大可提高20 K，联合循环发电效率提高0.75%[8]。

现有改造案例中的机组均分别具备进气冷却或进气加热的功能，而在同一机组上，为提高机组热力性能，同时具备进气冷却和进气加热功能的改造案例还没有。为同时满足上述2项需求，实现进气温度的优化调节，笔者以GE S109FA燃气-蒸汽联合循环机组为研究对象，提出了分别利用余热锅炉低压蒸汽、尾部烟道排烟实现进气冷却、进气加热的综合优化方案，并建立了相应的热力系统模型，采用GT Pro软件计算并分析了不同大气温度、不同负荷指令下进气冷却或进气加热对机组热力性能的影响，为进气温度的调节策略提供参考。

1 进气温度调节方案及设计参数

1.1 综合优化方案

本文中热力计算选择的燃气-蒸汽联合循环机组型号为GE S109FA。燃机型号为PG9351FA，余热锅炉为三压、再热、自然循环锅炉，汽轮机为三压、一次中间再热、双缸双排汽冷凝式汽轮机，燃料为天然气。所提出的综合优化方案是在1台机组上综合了进气冷却和进气加热的功能，如图1所示。

图1 进气温度调节方案示意图

进气冷却选择溴化锂制冷机加表面式换热器的方案。溴化锂制冷机采用双效型，以余热锅炉低压蒸汽作为驱动热源，循环水作为冷却水，蒸汽在制冷机中做功后回水,与其他热水混合后进入低压省煤器，产生的冷水进入水-空气换热器以冷却压气机进气。进气加热方案为在锅炉尾部烟道加装烟气-水换热器，热水吸收锅炉排气的废热后进入水-空气换热器以加热压气机进气。

通过隔离阀实现进气冷却、进气加热的切换。由于进气加热和进气冷却可以共用1套水-空气换热器，且系统的部分管路可以共用，故系统紧凑，可节约投资。

1.2 进气冷却方案分析及热力参数

采用水-空气表面式换热器对进气(空气)进行冷却时，由于空气为未饱和的湿空气，冷却过程先是等湿降温，相对湿度不断增大，当相对湿度达到100%后，冷却过程为去湿冷却，此时空气温度继续下降并有凝结水析出。与蒸发式冷却相比，表面式冷却在空气相对湿度达到100%后还能继续降低进气温度。

对机组进气冷却需要有足够的冷量，而余热锅炉的排烟温度在90 ℃左右，其热能品位较低不适合作为驱动热泵的热源，进气冷却方案采用从余热锅炉低压蒸发器抽汽(温度为146.80 ℃、压力为0.436 9 MPa)作为驱动溴化锂制冷机的热源。

进气冷却方案的设计参数见表1。溴化锂制冷机的制冷系数(COP)为1.08，制冷量为7 824 kW。一般进气冷却适用的场景为夏季高负荷，故大气温度设定为35 ℃，负荷率为100%，空气经过滤器后的压力和相对湿度由0.101 3 MPa、60%变为0.100 3 MPa、59.41%，经过水-空气换热器后，空气的温度被溴化锂制冷机输出的冷却水降低10 K(由35 ℃降低到25 ℃)，空气相对湿度达到100%，析出的冷凝水质量流量为2.3 t/h。

表1 进气冷却方案的设计参数

1.3 进气加热方案分析及热力参数

以某运行的PG9351FA燃机对应的燃气-蒸汽联合循环机组为例,其排烟温度在冬季为89 ℃，在夏季为92 ℃，由于国内燃烧用的天然气含硫量低，有望进一步将余热锅炉排烟温度降低到70 ℃[9]。

进气加热方案的设计参数见表2。设计条件下大气温度为15 ℃，进气加热前燃机负荷率为50%，尾部烟道排烟温度为89 ℃，通过进气加热，进气温度由15 ℃提高到35 ℃，烟囱排烟温度降低到70.7 ℃。在不同负荷下，燃机进气质量流量与烟道排烟质量流量同时增减，如果保持排烟温度降低到70.7 ℃不变，进气温度可提高20 K左右。

表2 进气加热方案的设计参数

1.4 进气压损影响分析

由于在压气机进气系统中新增烟气-水换热器，压气机的进气阻力增加，进气压损会对机组的性能产生影响。当进气温度为25 ℃时，在基本工况下水-空气换热器产生的进气压损从0 Pa升高到1 500 Pa的过程中，联合循环发电功率和发电效率的变化见图2。由图2可知，每100 Pa的进气压损会使联合循环发电效率降低0.006%，参考文献[8]，仿真计算中的换热器新增进气压损设计值为300 Pa(预计会使联合循环发电效率降低0.018%)。

图2 进气压损对联合循环机组性能的影响

1.5 主要新增设备投资及耗电量估算

溴化锂制冷系统可采用2台蒸汽型一体式冷水机组，单台冷水机组的制冷量为4 070 kW，额定蒸汽压力为0.4 MPa，冷水进口温度为12 ℃，出口温度为7 ℃，冷水额定质量流量为700 t/h。2台制冷机组共占地体积约为6 500 mm×6 500 mm×3 660 mm，预计新增投资600万元。

在压气机进气处新增1台水-空气换热器，进气冷却或进气加热的额定参数分别见表1和表2。进气冷却换热量约为7 824 kW，进气加热换热量约为8 500 kW，预计新增投资800万元。

在锅炉尾部烟道处新增1台烟气-水换热器，烟气质量流量为1 601 t/h，换热量约为8 500 kW，预计新增投资400万元。

新增运行能耗主要集中在进气冷却系统中的溴化锂制冷机、冷水泵和冷却水泵的功率，预计在进气冷却时新增运行能耗300 kW。

改造所需的主要设备投资估算为1 800万元，在进气冷却时额定新增耗电量预计为300 kW。

2 基本负荷下进气冷却对机组热力性能的影响及分析

2.1 大气温度对机组热力性能的影响

在压气机转速和体积流量不变时，忽略大气温度对气流马赫数的影响，近似认为外界对1 kg空气的绝热压缩功Δhs不变，计算公式[10]如下：

(1)

式中:γ为绝热指数；R为气体常数，J/(kg·K)；Ta为大气温度，K；π为压比。

随着大气温度升高，进气密度减小,压气机进气质量流量qm减少，压气机压比π和联合循环的发电功率降低,故在高温下，可以通过降低机组进气温度来提高联合循环机组基本负荷下的发电功率。经计算,不同大气温度下的性能参数见表3。

表3 不同大气温度下的性能参数

大气温度对联合循环发电效率的影响见图3。由图3可知，随着大气温度升高，压比降低导致燃机发电效率降低，透平排气温度升高使得汽轮机发电效率略有升高，而总的联合循环发电效率降低。

图3 发电效率随大气温度的变化

2.2 进气冷却对机组热力性能的影响

大气温度Ta分别设定为25 ℃、30 ℃、35 ℃和40 ℃，压气机进气通过水-空气换热器后，其温度降低10 K。进气冷却后，qm、π及透平排气温度Tet的变化见表4，对联合循环发电功率的影响见图4。计算结果表明，通过降低压气机进气温度可以提高联合循环机组在基本负荷下的进气质量流量、压比及发电功率，其中发电功率升高了4.73%～6.10%，且大气温度越高时采用进气冷却的效果越明显。

表4 进气冷却后性能参数的变化

图4 进气冷却对联合循环发电功率的影响

进气冷却对发电效率的影响见表5。由表5可知，在燃机基本负荷下进气冷却提高了压气机的压比，燃机发电效率提高。同时,由于进气冷却降低了透平排气温度并且从余热锅炉低压蒸发器抽汽用于驱动溴化锂制冷机，汽轮机发电效率降低。综合两者，同时考虑到溴化锂制冷机的耗电量，改造后机组联合循环发电效率略有降低，降低了0.20%～0.28%。

表5 进气冷却对发电效率的影响

3 部分负荷下进气加热对机组热力性能的影响及分析

燃机负荷率的定义[11]为：

kp=W2/Wmax

(2)

式中：kp为燃机负荷率,%；W2为燃机实际发电功率，MW；Wmax为燃机在当前进气温度下的最大发电功率，MW。

当联合循环机组的发电功率为定值，进气温度升高时，燃机实际发电功率W2降低，但是由于进气温度升高后燃机的最大发电功率Wmax降低幅度更大，导致燃机负荷率上升(见表6)。分别选取进气加热前的燃机负荷率为50%、75%和86%，当进气温度由15 ℃提高到35 ℃时，在相同的联合循环发电功率下，燃机负荷率提高8%～14%。

表6 进气温度由15 ℃提高到35 ℃时负荷率的对比

在进气温度为15 ℃、燃机负荷率为86%时，进气温度升高20 K，联合循环机组负荷不变时燃机负荷率刚好达到100%，对于不同的大气温度，进气温度升高20 K后,燃机负荷率达到100%时的相关参数见表7。在大气温度较高，进气加热时进气温度升高的幅度不宜过大，否则会降低联合循环发电功率，可以通过减少加热水的质量流量来控制进气温度的升高幅度。

表7 燃机达到100%负荷率时的相关参数

进气加热对联合循环发电效率的影响见图5。由图5可知,在不同的燃机负荷率下(50%、75%、86%)，通过进气加热使进气温度提高20 K后，联合循环发电效率提高0.88%左右。

联合循环发电效率提升的原因主要有以下2点：第一是因为进气吸收了锅炉排烟的废热能量，这部分能量又进入联合循环系统做功，如表8所示，由空气携带进入压气机的能量升高，机组所需的燃料减少；第二是由于进气温度提高后，燃机负荷率上升，燃机的发电效率可以进一步升高(见图6)。

对于连续部分负荷下运行的燃机，进气加热除了能提高燃机的发电效率外，还能防止压气机进气结冰，提高预混燃烧的范围，从而降低污染物排放。

图5 进气加热对联合循环发电效率的影响

表8 燃机负荷率为50%时燃料能量和进气能量

图6 进气加热对燃机发电效率的影响

4 结 论

(1) 根据所提出的基于进气温度调节的综合优化方案，可以综合当前的大气温度、机组负荷以及运行目标对进气温度进行冷却或加热调节。

(2) 进气冷却可有效提升联合循环机组基本负荷下的发电功率。通过降低压气机进气温度，基本负荷下联合循环发电功率升高4.73%～6.10%，且大气温度越高时采用进气冷却提高联合循环发电功率的效果越明显，而联合循环发电效率略有降低，降低了0.20%～0.28%。

(3) 进气加热可有效提高部分负荷下联合循环机组的经济性。在不同的燃机负荷率下(50%、75%、86%)，通过吸收余热锅炉烟气废热，进气温度由15 ℃升高到35 ℃时，在联合循环发电功率不变的情况下，燃机负荷率上升8%～14%，联合循环发电效率提高0.88%左右。

(4) 本文综合优化方案的具体实施以及详细技术方案应该根据机组实际运行参数、现场安装空间来制定，技术方案需解决余热锅炉尾部烟道烟气-水换热器选型设计、水-空气换热器选型设计和锅炉钢结构校核等重难点问题。