余熱鍋爐排煙尾氣余熱冷卻燃機進氣研究

陳志鋒

(華電分布式能源工程技術有限公司， 北京 100070)

余熱鍋爐排煙尾氣余熱冷卻燃機進氣研究

陳志鋒

(華電分布式能源工程技術有限公司， 北京 100070)

燃氣輪機發電效率與空氣進氣溫度密切相關。隨著大氣溫度升高，空氣密度降低，流經燃氣輪機的空氣流量相應減少，從而引起燃氣輪機發電效率下降。冷媒水在冷卻器的管內流動，空氣在管外流動。通過冷媒水和空氣之間的熱交換，實現燃機進口空氣的冷卻。以GE LM2500型航改機作為參考設備，討論利用聯合循環余熱系統對燃機進氣進行冷卻的實際效果。

燃氣輪機；發電效率；進氣冷卻；余熱

0 引言

燃氣聯合循環系統[1]是由燃氣輪機(以下簡稱燃機)、余熱鍋爐和蒸汽輪機三大主機系統組成的燃氣分布式供冷、供熱、發電系統。燃機以天然氣為原料，通過燃氣燃燒帶動發電機發電，產生高品位電能；穩定運行后的排煙尾氣溫度一般在500 ℃以上；高溫煙氣通過余熱鍋爐產生中、低壓蒸汽，用于拖動后面的汽輪機發電和抽汽供熱/制冷，實現系統發電、供熱、制冷。燃氣聯合循環系統綜合效率可達到70%以上。

1 燃機進氣冷卻技術

燃機的熱力循環通常為工質取自大氣的開式循環，其功率和效率隨環境條件的變化而變化。當溫度升高時，因大氣的密度降低，燃機空氣流量、壓力等參數下降，其效率隨之下降，熱耗率上升。圖1為常規燃機發電熱耗和功率與進氣溫度的影響關系[2]。

圖1 燃機發電熱耗和功率與進氣溫度的影響關系

本文依托實際項目，通過利用Thermoflow軟件和鄭州區域地理氣候等參數對某燃氣聯合循環項目進行模擬分析，研究燃機進氣溫度對燃機功率和熱耗的影響。該項目采用GE LM2500型航改燃機。圖2為環境溫度對燃機出力的影響曲線，圖3為環境溫度對燃機效率的影響曲線。從以上2圖中可以看出，隨著環境溫度升高，燃機出力不斷降低，當環境溫度從15 ℃上升到33 ℃時，燃機功率降低了15%左右，熱耗率增加了5百分點左右。

圖2 環境溫度對燃機出力影響

圖3 環境溫度對燃機效率影響

燃機進氣溫度過高，對機組發電功率和熱耗產生不利影響；目前常用的解決方法是對燃機進氣進行冷卻，通過降低進氣溫度，從而達到提升燃機發電效率和整機功率的目的。

燃機入口空氣冷卻技術經過20年的發展，目前主要的技術手段有直接接觸和間接接觸兩大形式[3]。

圖4 余熱冷卻進氣系統組成

1.1 直接接觸式冷卻

直接接觸式冷卻采用在表面介質上淋水或噴霧等方式，通過水的蒸發吸收汽化潛熱降低空氣溫度。該方式的優點是系統簡單，入口空氣流阻增加小，一次投資和運行維護費用低。缺點是受環境相對濕度影響大，冷度低, 冷卻后的進氣溫度僅能逼近但永不能達到環境濕球溫度，同時對噴淋水、霧的水質要求高。

1.2 間接接觸式冷卻

間接接觸式冷卻是指采用冷卻盤管(換熱器)和常規制冷設備實現的燃氣輪機進氣冷卻技術。一般是冷媒水在冷卻器的管內流動，空氣在管外流動。通過冷媒水和空氣之間的熱交換，實現燃機進口空氣的冷卻。該方式的優點是不受環境濕球溫度影響，可以實現較大的冷度，能夠將進氣冷卻到最佳溫度。缺點是系統復雜，入口空氣流阻大，占地、一次投資、運行維護費用均較大。

2 系統工藝簡介

鄭州屬于夏熱冬冷地區，夏季高溫天氣延續時間長，室外溫度高，對于航改機組影響較大；項目采用燃機聯合循環系統，中間過程產生大量的余熱蒸汽和熱水，可以作為間接接觸式冷卻方式的熱源，既可以實現進氣冷卻，提高發電出力和發電效率，又可以充分利用系統余熱，提高整個系統的綜合熱效率。因此，本項目進氣冷卻設計方案采用熱水型溴化鋰機組+蒸汽型溴化鋰機組作為進氣系統冷源，對進氣系統進行冷卻。

熱水型溴化鋰機組采用回收余熱鍋爐排煙尾氣余熱[4](排煙溫度從110 ℃左右降到80 ℃左右)產生的高溫熱水(90 ℃)作為動力熱源，實現制冷功能。

蒸汽型溴化鋰機組通過余熱鍋爐回收燃氣排汽熱量產生的中、低壓蒸汽作為動力熱源，實現制冷功能。本項目采用低壓蒸汽作為蒸汽溴化鋰機組熱源。本項目進氣冷卻技術方案按照2臺GE LM2500+G4型燃機進行計算，單臺燃機計算進氣冷卻所需制冷功率為5.4 MW左右，2臺燃機冷卻所需最大制冷功率為10.0 MW。優先采用熱水型溴化鋰機組實現進氣冷卻，不足部分由蒸汽溴化鋰補充，這樣既可以充分利用排煙余熱，也能更好地保證系統工業蒸汽用戶需求。

3 系統組成

該項目余熱冷卻進氣系統組成如圖4所示。余熱冷卻進氣系統運行流程如下：燃氣進入燃氣輪機驅動發電后，排放的煙氣進入余熱鍋爐；余熱鍋爐產生高壓蒸汽進入背壓汽輪機發電并外排蒸汽至蒸汽聯箱；余熱鍋爐低壓蒸汽直接進入蒸汽聯箱，從蒸汽聯箱提供蒸汽供用戶使用，同時一部分蒸汽進入蒸汽型溴化鋰機組產生冷水，通過過濾房給燃氣輪機的空壓機部分進氣進行冷卻；同時，通過利用余熱鍋爐擴大省煤器回收余熱鍋爐的排煙尾氣余熱，從而制取高溫熱水；熱水進入熱水型溴化鋰機組產生冷水，通過過濾房給燃氣輪機的空壓機部分進氣提供另一路冷源；進氣冷卻冷源優先采用低品位余熱實現冷卻。

4 效益分析

4.1 性能計算

GE LM2500型航改機進氣溫度超過15.0 ℃以上時，進氣溫度對機組效率和出力均產生影響。鄭州市的夏季工況氣象條件[5]和機組進氣冷卻前后的典型工況燃機性能計算見表1。

表1 典型工況燃機性能計算

表1采用Thermoflow計算，可以看出，當燃機進氣冷卻后，進氣從30.2 ℃降為15.0 ℃時，單臺燃機發電出力提高了20%，發電效率提高了1.86百分點。

4.2 經濟指標

該項目進氣冷卻投資估算的主要內容包含燃機進氣冷卻過濾房費用、制冷設備容量增加費用、輸送管道費用、電控輔助設備費用、施工安裝費用等，總投資估算約2 000萬元。

4.3 運行費用分析

鄭州某項目為區域項目，正常情況下機組24 h運行，機組全年利用小時數為5 500 h，考慮鄭州超過15.0 ℃以上的天氣時間占全年的3/4，可估算進氣冷卻的時間約為4 000 。當地中水價格0.96 元/t，項目燃氣價格為2.1 元/m3，電價為0.8 元/(kW·h)。以此為計算基礎，核算運行消耗和收入如下：項目用于進氣冷卻消耗的蒸汽量為3.2 萬t，用于汽機發電量約為6.97 GW·h，系統耗電量約為1.08 GW·h，系統耗水量約為10 萬t。由于進氣冷卻帶來出力增加而相對增加的燃氣量約為480 萬m3。

由于進氣冷卻提升的發電出力和效率帶來的收益估算為多發電量約為228.00 GW·h。綜合計算采用進氣冷卻系統，工作周期內節省費用約為163 萬元。

5 結束語

進氣冷卻系統的整體收益雖然不高，但是由于聯合循環項目供能存在波動性，在外供負荷不穩定的情況下，為保證發電利用小時數，系統多會部分負載運行，對機組的運行效率、檢修要求和使用壽命均有影響，所以，進氣冷卻系統作為區域聯合循環項目的一個補充，可以作為系統供能調節的手段使用。經綜合比較，燃氣聯合循環系統采用進氣冷卻利大于弊，將是今后發展的一個方向。

[1]焦樹建.燃氣輪機與燃氣-蒸汽聯合循環裝置[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]焦樹建.燃氣-蒸汽聯合循環[M].北京：機械工業出版社，2002.

[3]彥啟森.制冷技術及其應用[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[4]燃氣-蒸汽聯合循環電廠設計規定：DL/T 5174—2003[S].

[5]民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范: GB 50736—2012[S].

(本文責編：劉炳鋒)

2016-12-01；

2017-01-06

TK 222

B

1674-1951(2017)02-0073-03

陳志鋒(1980—)，男，北京人，工程師，從事燃氣分布式能源項目設計研究方面的工作(E-mail:czf2004@126.com)。