进气冷却技术提高燃气轮机的出力和热效率

叶志平

（福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350108）

夏季高温期间，也是电网迫切需要利用燃气轮机发电的关键时期。然而，随着大气温度不断升高，汽轮机的出力也明显下降。效率不断下降时，经济效益也会受到很大影响，如何解决这一矛盾已成为燃气轮机发电部门亟待研究的课题。

1 燃气轮机工作原理及大气温度对其影响

燃气轮机的工作原理可以简单认为和喷气式飞机的喷气引擎一样。空气从燃气轮机组的进气口进入，然后通过压气叶片压入燃烧室，和燃烧室内喷入的天然气混合燃烧。燃烧过程中产生大量热能，气体急剧膨胀后进入涡轮区，逐级推动叶片转动，然后从出气口排出。叶片转动带动轴转动，实现轮机运转。

大气温度直接影响简单循环燃气轮机和联合循环燃气轮机的出力和效率[1]。对于简单的循环燃气轮机，随着大气温度不断升高，燃气轮机的出力和效率都会下降很多。不同大气温度下，G公司提供的9E型燃气轮机性能变化趋势如图1所示。

图1 不同大气温度下9E型燃气轮机性能变化曲线图

图1中，燃气轮机的输出和耗热以标准进气温度15℃为标准。当大气温度升高到38℃时，燃气轮机的出力仅为设计值的85%，而热耗将上升到设计值的104%。与此同时，9E燃气轮机的排气温度已经从设计值523℃上升到536℃。

在联合循环层面，随着大气温度不断升高，对联合循环性能影响最大的燃气轮机出力和效率均有所下降[2]。随着大气温度持续上升，冷却水的温度也会上升，涡轮背压也会上升，二次循环冷却塔冷却比采用直流电冷却温度受影响更大。汽轮机的出力和效率都呈下降趋势。鉴于燃气轮机排气温度升高，一些因素使排进余热锅炉的废气增加，因此，联合循环处理和热耗受大气温度的影响小于燃气轮机简单循环。

2 燃气轮机进气冷却技术及应用

环境温度会影响燃气轮机和联合循环的性能[3]。如果温度升高，产量会减少，效率也会降低。唯一的解决方案是使用进气冷却技术，以确保它在稳定的低进气温度环境中保持整整一年的高产量和高效率。

2.1 蒸发冷却

方法一：在燃气轮机进气滤清器下游侧的风道上安装湿膜蒸发冷却器，将水喷到进气滤清器上，通过水的蒸发实现进气的冷却。

方法二：保证水雾化，将其喷入进气道以后，可以实现进气的冷却。

选择喷雾冷却方式时要慎重，主要是因为空气中携水率较大，增加了压气机的负荷，直接影响其性能。一般情况下，运用这种方式也有一定的要求，即保证水质的纯净，如果水质中含有微量杂质，非常容易使燃气轮机叶片出现腐蚀的情况。

蒸发冷却对燃气轮机出力、热耗产生的影响和当地空气湿度存在着紧密联系，具体如图2所示。由图2可知，湿度达到20%的地区，如果气温达到38℃，蒸发冷却获得的收益较大，导致燃气轮机出力提高到11%，热耗会降低到2%；湿度达到60%的地区，气温达到38℃会蒸发冷却，使燃气轮机出力提高到4%，热耗降低到1%。所以，蒸发冷却被更多地使用到干燥炎热的区域中。

图2 蒸发冷却对燃气轮机出力和热耗产生的影响

广州明珠电力公司有2台CW251B11型燃气轮机进气系统，所安装的是美国唐纳森公司生产的蒸发冷却器。如果空气湿度为70%～80%，进气温度可下降4～6℃；如果湿度较小，进气温度可下降8℃以上。机组出力可提高1.12～1.68 MW，最高时能够达到2 MW。

新疆塔里木油田轮南燃气轮机电站中有3台Solar公司提供的Mars-100型燃气轮机。温度达到15℃时，机组出力可达到9.04 MW，热耗率为11 727 kJ/（kW·h）；如果气温达到40℃，机组出力就会下降，下降到了7.63 MW，热耗率也会上升到12 314 kJ/（kW·h），排气温度可上升到507℃。这实际上就是在燃气轮机进气温度提高到25℃的情况下，机组出力就会下降15.37%，热耗会上升到5%，排气温度会提高22℃[4]。

结合新疆塔里木油田轮南地区的气候特点可知，夏季新疆塔里木油田轮南地区气温高于40℃，湿度达到10%。2000年，工厂向燃气轮机进气口不利的方向注入盐水，通过水雾蒸发降低空气中的温度。气流中的一些细水雾在碰撞后会形成较大的水滴，这些水滴将被拆下安装到气流下游的湿膜细水雾分离器上，然后返回到喷雾供水系统。此时进行整洁，湿膜经过二次蒸发，会提高进气湿度，干球湿度会更接近露点温度。

每台喷雾蒸发冷却器设备投资金额为73万元，当年可收回投资。目前，新疆已建成燃气轮机发电机组40台。在启动西气东输和新疆开发油气田后，燃气轮机已在中国西部大开发中得到应用，喷雾蒸发冷却技术也具有非常广阔的前景。

2.2 表面式冷却

表面式冷却实际上就是借助于换热器对燃气轮机进气进行冷却。燃气轮机进气道中需要安装鳍片管式换热器，管道中注入5℃左右的冷水，燃气轮机进气时经过鳍片管外侧的时候就进行了冷却。

在冷却过程开始时，应遵循恒定的比温线。如果空气温度冷却到露点温度，空气中的水蒸气就会接近饱和状态，水就会在空气中凝结，所以需要除雾。随着温度逐渐冷却，也会产生大量的凝结水。水汽化的潜热非常高，此时冷却能量被空气消耗，水分凝结，冷却部分很小。直到空气和水价基本冷却和凝结，空气温度才能继续下降。

表面式冷却时冷源只要有足够的制冷能力，且换热器鳍片管具有一定的传热能力，就能将进气冷却到最佳进气温度，所以在潮湿炎热区域中大多数会采用这种冷却方式。

2.3 电制冷

利用燃气轮机或联合循环电厂本身产生的电，驱动氨基压缩制冷机产生低温冷水，冷水通过闭式循环回路送至燃气轮机，进入器官内的翅片管换热器，从而降低燃气轮机进气过程中的温度。

中国南京工程学院电力工程研究中心研究出一种点制冷系统，即GTIAC系列燃气轮机进气冷却装置。该种系统主要分为2个型号：GTIAC-1型主要适用于6B型燃气轮机发电机组和106B型联合循环电厂；GTI-AC-II主要适用于9E型燃气轮机和206B、109E型联合循环电厂。

江苏无锡华达电厂使用的是由美国双S公司提供的LM6000轻型燃气轮机，燃气轮机还配备了进气冷却装置。采用R-123制冷机，压缩机功率为1 281 kW。它能够产生750 m3/h的冷水（5℃），并将其发送给燃气轮机，空气冷却器帮助下一个封闭的循环回路，确保燃气轮机进气时温度最佳（8～10℃），全年耗水量为1 193 m3/h，进水温度为32.2℃，出水温度为38.5℃。

2.4 冰蓄冷制冷

利用夜晚低谷电廉价优势，主要使用水冷式低温冷水机组制冷。低温冷水机组中的冷媒采用完全不含氟利昂的407C、R134a，不会对环境产生污染。低温冷水机组会输出冷冻液，冷冻液使用乙二醇或丙二醇等，冷冻液出口温度为﹣15～5℃。

当冷冻液进入大容量冷库盘管时，会产生非常大的冰水混合物，主要用于冷却白天发电高峰期燃气轮机的进气。冷冻液也可输入到冷冻水换热器盘管中。当冷水在5℃左右生成时，及时对天然气轮机进行进气风冷。

1991年美国洛克拜燃气轮机调峰电站在美国电力研究院等单位的合作下，安装了一套新的进气冷却装置。这个电站有一台MS7001B燃气轮机发电机组，正常情况下发电65 MW，当温度升高至38℃左右时出力下降至53 MW。电站在机组附件新建了一个储冰罐，当电站调峰运行时，蓄水罐的冷水流入进气室前面的冷却管，然后将38℃左右的进气冷却至4℃左右，使燃气机轮增加10 MW左右的出力。温度升高后的水流回蓄冰罐，然后将冰融化成冷水再次进入循环。

2.5 蒸汽或者热水制冷

借助于废热锅炉尾部联合循环发电厂预热，生成低压蒸汽或高温热水，或借助联合循环汽轮机的电场，将低压空气注入溴化锂吸收式制冷机，生成冷水。冷水被送入燃气轮机进口冷却鳍片管，用于冷却进气。深圳金岗电力有限公司安装了一套106B型国产联合循环机组，将余热产生的热水送入制冷机产生冷水，进而用于燃气轮机进气冷却。相对湿度为70%左右时，气温可从35℃下降到20℃左右。除去燃气机进气及余热锅炉增加的阻力引起的出力下降，燃气轮机出力净增加了3 MW左右。

3 燃气轮机各进气冷却技术比较

3.1 蒸发冷却

蒸发冷却系统比较简单，投资较少，能耗低，维护较为便捷，但是其非常容易受空气湿度的限制[5]。中国北方、西部区域较为干燥炎热，蒸发冷却具有广阔的发展前景，但是应用中需要一定的除盐水。

3.2 电制冷

电制冷采用发电、制冷、冷却的进气方式，其具有体积小、占地小、工程量较小的优点；制冷过程中不容易受到环境湿度的限制；制冷深度较高，能够将进气温度控制到6℃。电制冷存在的缺点是需要耗电，运行成本较高。

3.3 冰蓄冷制冷

该种进气冷却技术也可归为电制冷，采用低谷电制作成大量的冰水混合物，制作完成后进行储藏，白天燃气轮机顶峰发电时放出冷量供使用。其优点是使用夜晚的廉价电能换取了高峰时的高价电，同时还能有效提高电力系统的整体效益。

3.4 蒸汽或者热水制冷

与以上2种制冷技术相比蒸汽或者热水制冷存在以下不同之处：系统比较复杂，多使用一套蒸汽或者热水系统；溴化锂制冷比电制冷压缩机占地大，但是比冷蓄冷占地小；制冷效率不会因季节变化，一年中都可以使用；最大的优点是全面利用了电厂低品位热量。条件是适合余热锅炉排烟温度较高，剩下的余热能够借助于联合循环电厂、汽轮机低压抽汽联合循环电厂。获得低品位能量，成本较低，经济划算[6-8]。

4 结束语

借助进气冷却技术很大程度上可提高燃气轮机电厂出力以及效率，增大燃气轮机的出力，并获得良好的经济效益。不同区域中采用不同燃气轮机电厂，在不同区域中使用也需要结合当地空气湿度及温度等，灵活选择合适的进气冷却方式，以达到最好的效果。