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进气冷却技术对燃机联合循环性能的影响研究

发表时间：2021/4/28 来源：《电力设备》2020年第33期作者：王宁

[导读] 摘要：为了提高循环机组运行的灵活性，防止机组低效能运行，在实际工作中应加强进气冷却技术对燃机联合循环性能影响的研究，通过系统性的因素掌握核心的敏感性因素，从而保证机组运行的平稳性和经济性运行。

        （大唐南京热电有限公司南京 211200）
        摘要：为了提高循环机组运行的灵活性，防止机组低效能运行，在实际工作中应加强进气冷却技术对燃机联合循环性能影响的研究，通过系统性的因素掌握核心的敏感性因素，从而保证机组运行的平稳性和经济性运行。本文论述了进气冷却技术对燃机联合循环性能影响，可为机组安全、经济运行提供参考依据。
        关键词：燃机联合循环；性能；进气冷却技术
        进行进气冷却技术对燃机联合循环性能影响的分析时，首先应对燃机联合循环系统整体性得了解认识，明确主要的运行参数，还要对宽负荷高效调峰有所了解和认识。通过燃气和空气系统实现蒸汽循环的优化调整，从而防止出现低效运行的情况。这样不仅可以提高生产效益，还能保证系统运行的平稳性。
        一、燃机联合循环性能的概述
        在分析工作前，需要对燃机联合循环性能有所了解和认识，然后再对燃机进气冷却技术的特点掌握。联合循环机组一般由燃气轮机、余热锅炉、汽轮机组成：燃气轮机的热功率在此循环中占70%以上，因此提高燃机热功率对联合循环总功率的提高起决定性作用。燃气轮机属于容积式的动力机械，输出功率和进气质量有着密切的关系。环境温度高导致气体密度降低，等容积下参与燃烧的空气量会下降，使燃机功率降低，最终导致联合循环效率降低。提高等容积下的空气量是提高燃机热效率的一项有效而简单的方式，为此可以对燃气轮机设置进气冷却系统。
        二、燃机进气冷却技术的概述
        （一）原理
        燃气进气冷却系统主要是通过冷却燃气轮机压气机入口的空气温度来适当的调节燃机的出力效果，从而提高燃机的工作效率。燃机进气冷却系统可以分为蒸发式的冷却和制冷式的冷却，在运行中根据周边温度和湿度选择合适的方法。

        图1：燃机联合循环与制冷系统
        （二）类型
        蒸发式冷却，方法为向空冷器进气口喷入一些雾化水，利用水的蒸发吸热来降低周边的空气温度，这种方法比较适用于空气湿度较小的情况，在降温之后，温度不会低于周边空气的湿球温度。蒸发式冷却系统结构非常的简单，但降温的幅度是有限的，且会受到周边大气湿度的影响，冷却效率比较低;并且还要消耗一定的除盐水，这种冷却方法比较适用于炎热的地区。
        制冷式冷却方法为在进气道周围设置换热面，通过冷媒质和空气的冷热交换来降低进气道中的空气温度。这种方式需要设置制冷循环，如压缩机或者是吸收式的制冷机，这种方式可以大大降低空气温度，通过提高空气密度来最终提高燃机出力。这种制冷方式的降温幅度较大，但应特别注意在冷却后的空气温度，防止过冷空气对压气机正常运行造成影响；同时还需在进气道内部设置冷凝水的过滤装置，用于去除冷却空气时产生的凝结水，防止其进入到压气机。
        （三）实施思路
        夏季高温天气时，制冷机热交换产生的冷水由冷水泵送至燃机进气口处的空冷器中，通过空冷器来降低燃机的进气温度，提高燃机的运行效率，进口处空气换热后的回水回至制冷机。制冷机的冷媒（溴化锂）吸收余热锅炉尾部烟气的热量升华为气体，升华过程中会顺带吸收制冷机中空冷器的回水热量，将其重新变为冷水；升华后的溴化锂气体经冷却塔来的冷却水热交换，重新冷凝为液体。通过热交换原理，由溴化锂、循环水作为媒介，通过低温热水利用余热锅炉尾部的烟气沸热来提升换热效率。但是在实际运行时烟气露点不能太低，因此应对低温热水流量进行有效控制。制冷量较大时，余热锅炉尾部烟气的热量不足以维持该循环，此时可以从汽轮机低压缸内抽取部分蒸汽用于制冷操作，从而提高联合循环效率。进气冷却技术需要多方位的管理和监督，将整个操作流程偏差控制到最小。

        图2：冷水泵结构图
        三、进气冷却对燃机联合循环性能的影响
        （一）正比关系
        进气冷却对于燃机联合循环性能的影响是非常复杂的，在实际工作中需要从不同的角度进行整体优化。进气冷却后燃机出力和燃机热效率的提高使联合循环效率提升，且进气温度降低会使排气流量增加，使余热锅炉换热面内主蒸汽流量升高，使余热锅炉换热面的通流量增加。根据经验，环境温度越高，进气冷却对联合循环性能影响越明显。如果进行多方面的分析，可发现联合循环机组出力和进气温度是呈线性关联的：进气冷却温度越低，则联合循环机组出力越高，两者是正相关的，说明进气冷却对于联合循环机组效率影响显著。
        根据实际运行可发现，进气冷却对燃机排气也有明显影响。因燃机效率较高，天燃气和空气作工充分，在进气冷却之后燃机排气速度升高，燃机排气温度也在一定范围内降低。根据空气流通原理，燃机排气量明显提高，从而使余热锅炉换热面的进气通流量增加。对余热锅炉来说，进气量上升表示换热面通流速度更快；但因进气冷却导致燃机排气温度降低，使余热锅炉的烟气温度下降，会影响余热锅炉的整体换热效率。
        就目前实际运行经验来看，进气冷却在22℃时，燃机热功率提升远大于余热锅炉热能损失，此时联合循环实际的效率能维持在较高水平。
        （二）敏感性能的分析
        进气冷却系统工作时，联合循环机组出力变化趋势较明显，当环境温度越高时，进气温度降低会增加燃机出力，且增长非常的明显。联合循环机组效率的变化整体来说是非常复杂的，因此在运行时要密切注意运行参数，追踪机组效率波动趋势要选择效率最高的温度点。
        当机组负荷调整时，可以不采取进气冷却的方法来降低最终的调峰值；对于联合机组，进气冷却可以提高机组的出力，根据这一特点能够实现机组的多灵活调节负荷能力。特别在夏季电力高峰期，机组效率因环境温度升高而降低时，可以考虑投用冷却系统来改善机组效率。如果机组全年的总发电量非常稳定，可适当的提高机组单位时间的出力效果，真正的实现资源的有效性节约。此时不需要设置进气冷却系统，就可以满足实际机组发电需求。
        结束语：
        进气冷却系统可以提高燃机出力，简单循环机组的使用较为广泛，对于联合机组运行来说，是否采取进气冷却系统应考虑其能否满足机组负荷要求。联合循环季度运行时，多机组发电可考虑设置进气冷却系统;如果机组全年总发电量是比较固定的话，那么不宜设置进气冷却系统。进气冷却系统对于联合循环是否适用及何种情况下投用对于机组效率有明显提升，这是一个值得重视及研究的课题。
        参考文献：
        [1]杨洋, 付忠广, 王树国,等. 进气冷却技术在燃气轮机及联合循环中的应用[C]// 中国动力工程学会第三届青年学术年会. 0.
        [2]林燕, 杨道宏. 进气冷却对燃机联合循环的性能影响分析[J]. 南方能源建设, 2019, 006(003):64-69