苏骏豪
国家电投集团郑州燃气发电有限公司 河南郑州 450001
摘要：随着国内对污染物排放控制的日趋严格,作为清洁能源的天然气越来越受到重视，燃气轮机发电机组的装机容量在逐年提高。燃气轮机电站由于具有热效率高、环境性能好、启停快、运行灵活等优点,得到了广泛的应用。由于燃气轮机是定容式动力机械，所以燃气轮机的性能与其所处的环境温度密切相关。为提高定型燃气轮机发电机组的性能,避免透平的出力降低，可通过冷却压气机的进气而避免。通过利用燃机进气冷却技术，解决了随着环境温度的升高燃机的发电能力降低的问题，提高了燃机的发电能力。本文将详细介绍其技术原理和实施措施，希望给相关人员提供一定的参考。
关键词：燃机；环境温度；进气冷却；提高发电
一直以来,我国的燃气轮机进气冷却技术发展相当缓慢，投入运行的燃机电站还较少，主要有以下两方面的原因：(1)我国燃机电站在总装机容量中所占比例较小。(2)燃机进气冷却技术还没有引起足够的重视，几乎所有新建燃机电站都没有直接设计安装进气冷却系统。已有的国内外运行经验表明,这些进气冷却技术已比较成熟,从技术角度,完全可以应用到我国的燃机电站中,只是应该注意以下问题:(1)冷却方式的选择。(2)冷却系统冷却能力的确定。(3)加紧制订燃气轮机进气冷却系统选型、优化设计的相关导则及强制性措施,以利于在燃机电站的建设初期统一规划设计合适的燃机进气冷却系统。
一、燃气轮机冷却技术
到目前为止，燃机进口空气冷却技术概括起来主要有两种类型：制冷式冷却和蒸发式冷却。
1.1制冷式冷却
燃机进气制冷式冷却方式根据所采用的制冷系统形式的不同又可有多种类型，如吸收式制冷冷却、压缩式制冷冷却、蒸汽喷射式制冷冷却以及吸收式制冷与压缩式制冷混合式冷却等等。目前工程中应用的主要是前两种。采用制冷式冷却方式时，制冷系统通过安装于燃机进气道内的热交换器来降低燃机进气的温度。所采用的热交换器也基本上有两种型式：直接接触式和非直接接触式。非直接接触式通常采用管翅式结构，冷流体于管内流动，空气于管外翅片侧流动。与常规管翅式换热器所不同的是这种换热器要考虑空气中凝水的分离、收集与排出。直接接触式热交换器是将冷却塔中的介质式材料垂直横放于气流之中，制冷系统所产生的低温冷却水由上部喷淋而下，与空气对流对其冷却。这种型式的冷却器的优点是初投资低，对燃机进气造成的阻力相对较小。其缺点是由于要进行连续排污造成耗水量较大，有时可能出现微生物的滋生累积，使维护费用增加。
（1)压缩式制冷冷却
压缩式制冷冷却方式采用压缩式制冷循环，冷源的获得以消耗机械功(电力)为代价。这种冷却方式的优点是初投资较低(约低于吸收式制冷40%以上)及可以获得较低的制冷温度。然而需要耗用较大数量的电力为代价是这种冷却方式的一个最大缺点。
（2）吸收式制冷冷却
吸收式制冷装置有氨吸收式制冷和溴化锂吸收制冷两种型式。其中氨吸收式制冷虽然可获得较低的制冷温度，但其设备庞大、占地面积多、造价高且防爆等级要求较高。因此，目前在燃机进气吸收式制冷冷却系统中主要采用溴化锂吸收式制冷装置。吸收式制冷系统可以利用低位热能进行制冷，对于余热相对较为丰富的燃气轮机装置而言是一个突出的优点。通常情况下吸收式制冷系统所需热量约占燃机透平余热的5%左右，并视当地气候条件等因素有所变化。由于吸收式制冷系统能够利用燃机的余热而不以消耗电力作为代价进行制冷，因此对提高机组运行的经济性极为有利。吸收式制冷的另一特点是在制冷负荷变化较大时(20%~100%)，其效率基本维持在一个较高的水平，这一点对燃气轮机装置的进气冷却也非常有利，特别是对于那些气温变化较大的地区。
吸收式制冷冷却系统所存在的缺点是初投资较大，然而这一缺点在一定程度上可从其较低的维护费用中得到弥补，因为吸收式制冷装置不存在关键的转动部件。同时吸收式制冷系统的环保性能优良，其对大气层无破坏作用，运行时无振动，噪音很低。到目前为止，吸收式制冷冷却进气系统在国内外的燃机应用领域已得到了成功的工程应用。
1.2蒸发式冷却
蒸发式冷却技术有水膜式蒸发冷却和喷雾冷却，其原理是利用水在空气中的蒸发时所吸收的潜热来降低空气温度。当未饱和的空气与水相接触时，两者之间便会发生传热、传质过程。结果是空气的闪热变为水蒸发时所吸收的潜热，从而使其温度降低。介质式蒸发冷却器具有冷却效率低(通常在0.88左右)，对燃机进气产生的阻力大等缺点，影响了它的广泛使用。
二、实行措施和应用效果评价
2.1利用燃机进气冷却技术提高燃机的发电能力措施
经过深入研究开发，最终确定“利用燃气轮机进气冷却及湿压缩技术”来降低燃机的热耗，冷却方式采用直接冷却技术，冷媒主要是水喷雾，如图1所示。该技术系统包括燃气轮机雾化冷却系统和湿压缩系统。
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图1燃气轮机进气冷却及湿压缩示意
（1）燃气轮机雾化冷却系统在
燃气轮机的压气机进口处注入微小的雾状水滴，利用水蒸发时的冷却作用，降低压气机进口温度，并经逐级蒸发冷却使压气机的温度降低，减少了压气机的功耗，提高了压气机在热天的允许体积流量。
（2）湿压缩系统
在压气机出口注入微小的雾状水滴，利用水蒸发时的冷却作用，降低进入的空气在压缩过程的热，提高燃机的功率。经过以上两个系统，一是减少压气机的功耗，提高压气机在热天的允许体积流量；二是降低进入的空气在压缩过程的热，提高燃机的功率。因此也就提高了燃气轮机的出功，从而致使输出功率增加。
2.2应用情况
经过实际运行，在进气冷却及湿压缩装置投入40%时，燃机发电功率平均增加3.0MW。其他效益为：（1）环保效益在燃气轮机安装了压气机湿压缩及进气冷却系统后，因为燃气轮机的压气机出口空气温度降低了，这样燃烧室内火焰由于有更低温的空气进来参与燃烧，降低了火焰的燃烧温度，从而使氮氧化合物的排放降低了25%～30%，有效地提高了环保效益。（2）保护燃气轮机热段部件同样由于燃气轮机压气机的出口空气温度降低了，进入燃烧室的冷却空气温度也降低了，这样有效地保护了燃烧室及过渡段热段部件的使用寿命。另外，也同样压气机的出口空气温度降低了，从压气机抽出来的用于冷却热段部件的空气温度降低了。这样，冷却空气有更多的蓄能来带走更多的热量，更好地保护了燃气轮机热段部件（涡轮叶片、喷嘴及复环等）。
三、结论
为提高定型燃气轮机发电机组的性能,避免透平的出力降低，可通过冷却压气机的进气而避免。燃汽轮机的进气冷却是增加其出力的最有效的办法。但是对于不同地区不同运行条件的燃气轮机电厂，应根据当地的空气相对湿度来决定所采用的进气冷却方式。
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