燃气轮机排气废热驱动的吸收式制冷循环特性研究

张丽娜 徐士鸣 李见波

(大连理工大学能源与动力学院 大连 116024)

燃气轮机排气废热驱动的吸收式制冷循环特性研究

张丽娜 徐士鸣 李见波

(大连理工大学能源与动力学院 大连 116024)

燃气轮机的性能受到环境温度的影响，其输出功率和效率随进气温度升高而降低，这一问题可以采用进气冷却的方法来解决。本文根据天然气长输管线加压站燃气轮机排气废热及其使用场合的特点，在满足燃气轮机进气冷却要求的基础上，提出一种以R124-DMAC为工质的废热驱动的全空冷型吸收式制冷系统的燃气轮机进气冷却方案，并对此方案进行循环热力计算及性能影响因素分析。理论研究结果表明:该制冷循环切实可行，在环境温度较高时也能保证系统稳定运行和较高性能系数。

进气冷却；吸收式制冷；燃气轮机；R124-DMAC

燃气轮机因其具有重量轻、体积小、设备简单、启动加速快、高效率、低噪声等优点，被视为最适于天然气长输管线加压站的动力设备。然而燃气轮机是一种定进气体积流量的动力设备，其工作性能与其所处的环境温度密切相关。当环境温度升高时，空气密度减小，进入压气机和燃气透平的空气质量减少，使得燃气轮机的出力下降。环境温度升高还会使压气机的工作效率及压缩比降低，同时压气机的耗功也随之增大，从而导致燃气轮机的出力进一步下降。文献[1]由燃气轮机性能曲线推导出如下结论:当环境空气温度从15℃(ISO规定的燃气轮机标准进气温度)升高到30℃时，燃气轮机的输出功率会下降近10%。此外，燃气轮机有大量高温排气废热，如果不回收利用此废热，会造成能源的浪费和对环境的热污染。如果利用燃气轮机排气废热驱动吸收式制冷机来冷却进气，既能有效利用燃气轮机的排气废热，又能提升燃气轮机的性能，不失为是一种较好的废热利用方案[2－4]。

Sahil Popli等[5]针对中东地区高温高湿的特点，设计了废热驱动的单效溴化锂吸收式制冷机对进气进行冷却的系统。其研究结果显示，17 MW燃机排出的废热驱动的溴化锂制冷机组可提供12.3 MW的冷量，并可把进气温度冷却到10℃左右。M.Ameri 等[6]设计了紧凑型双效溴化锂吸收式制冷机燃气轮机进气冷却系统，在高温环境下可使燃气轮机动力输出提高11.3%，项目投资回收期为4.2年。王松岭等[7]利用Aspen Plus软件模拟了采用热管型溴化锂吸收式制冷的燃机进气冷却技术，可使压气机进口气温下降10℃到15℃，且运行费用仅为压缩制冷系统的5%左右。浙江金华燃机发电有限公司完全利用低压蒸发器的余热驱动溴化锂制冷机，使燃机进气温度下降10～12℃，燃机功率增加约2150 kW[8]。

然而溴化锂机组在运行中一方面要耗用大量冷却水，另一方面使用的冷却水一般都取自未处理的硬水(含城市自来水)，在应用环境较差的情况下，容易造成吸收器、冷凝器管内结垢，从而影响传热效果，降低机组制冷量和使用寿命。针对我国多处于水资源匮乏的高温干旱(沙漠)地区的天然气加压站[9]，其燃气轮机进气冷却系统则不适宜采用溴化锂-水吸收式制冷系统，必须采用直接空气冷却方案。因此经过分析认为，在直接空冷的要求下，采用有机工质对R124-DMAC(一氯四氟乙烷和二甲基乙酰胺)作为吸收式制冷工质比较合适。基本物性参数如表1所列，工质热物性参数(压力、温度、质量分数、比焓等)关联计算方程已有学者进行了测试[10]。此工质对具有低毒、低可燃性、不结晶、对金属无腐蚀作用、对环境影响较小、在空冷条件下工作压力较低等特点。

表1 标准状态下R124和DMAC基本物性参数Tab.1 Basic physical parameters of R124 and DMAC at standard state

1 燃气轮机废热制冷循环

图1以R124-DMAC为工质的燃气轮机废热驱动的空冷型单级单效吸收式制冷循环流程图。该循环由发生器、气液分离器、吸收器、冷凝器、蒸发器、溶液热交换器、溶液泵及节流阀等所组成。利用燃气轮机排气废热作为热源，在发生器中加热一定浓度的溶液，使溶液部分气化，并通过气液分离器内分离出制冷剂(R124)蒸气。制冷剂蒸气在空冷式冷凝器中凝结成液体，再经过冷器降温、节流阀降压至蒸发压力后进入蒸发器内蒸发，产生冷量去冷却燃气轮机进气。蒸发器内产生的低压制冷剂蒸气过热后再流入空冷吸收器中，被来自气液分离器并经溶液热交换器冷却后的稀溶液吸收。吸收制冷剂蒸气后的溶液(浓溶液)经溶液泵升压并经溶液热交换器升温后进入发生器，再次被燃气轮机排气加热，完成一个工作循环。

2 循环热力计算模型

2.1 建模假设

1)忽略循环内所有设备散热损失；

2)只考虑对流换热，忽略辐射换热；

3)忽略不凝气体对换热的影响；

4)考虑到管路阻力，设定吸收压力比蒸发压力低0.01 MPa；

5)当换热管内的溶液和蒸气共存时，溶液和蒸气处于气液平衡状态。

2.2 热力循环计算模型

1)各设备单位质量制冷剂换热量

图1 燃气轮机废热驱动的空冷型吸收式制冷循环流程Fig.1 The working flow of air-cooling absorption refrigeration driven by gas-turbine waste heat

以上各式中:q为单位质量制冷剂换热量，kJ/ kg；f为溶液循环倍率，kg/kg；h为比焓，kJ/kg；ξ为质量分数；ρ为密度，kg/m3；η为效率；pg为发生压力，Pa；pa为吸收压力，Pa；pq·b为饱和空气的水蒸气分压力，kPa；φ为空气相对湿度；t为温度，℃；m为质量流量，kg/s；Δp为压降，Pa；cp为定压比热，kJ/ (kg·K)；下标:1～19为图中的位置点；g为发生；c为冷凝；sc为过冷；e为蒸发；ab为吸收；ex为溶液热交换；r为制冷剂；s为浓溶液；w为稀溶液；a为空气；y为烟气。

3 循环热力计算特性分析

3.1 制冷循环设计参数

燃气轮机排气废热驱动的，以R124-DMAC为工质的空冷型吸收式制冷循环设计工况参数如表2所列。由于燃气轮机铭牌参数只给出了额定工况下的排气流量，因此其进气流量需要进行推算。

表2 制冷循环设计工况参数Tab.2 Given parameters of refrigeration cycle

设燃料成分为(CxHyOzN′uSv)n，1摩尔燃料完全燃烧需要的理论量空气的摩尔数为[11]: β摩尔燃料与L0摩尔空气的燃烧方程为[11]:

式中:α为过量空气系数；β为燃料系数(为过量空气系数的倒数)。

根据式(27)和(28)燃气轮机以天然气作为燃料时，根据已知的额定工况下燃气轮机的排气量和空气系数，可以求得该燃气轮机的进气流量ma为85.9 kg/s。

3.2 设计工况循环热力计算结果

燃气轮机排气废热驱动的，以R124－DMAC为工质的空冷型吸收式制冷循环设计工况下循环热力计算结果如表3所列。

表3 设计工况下燃气轮机废热制冷循环热力计算结果Tab.3 Thermal calculation results of refrigeration cycle driven by gas-turbine waste heat under given conditions

设计工况下计算得到的制冷循环COP值为0.52。在50℃冷凝温度条件下，制冷系统的最高工作压力仅为0.76 MPa(绝压)，出发生器的溶液温度为129.3℃。

4 循环性能影响因素分析

4.1 放气范围变化对循环性能的影响

放气范围(稀、浓溶液之间的浓度差)，对吸收式制冷循环的工作特性有较大的影响。合适的放气范围，可使制冷循环在较低的溶液泵流量条件下，达到较高的COP值，这对减低溶液泵耗功非常重要。从图2中可以看出，当其它工作参数不变时，随着放气范围的增大，溶液循环倍率随之减小，而循环COP值随之增大。当放气范围继续增大时，循环COP值的增幅趋于平缓。当浓溶液浓度不变时，放气范围的增大会意味着稀溶液浓度的降低，这将导致出发生器的溶液温度升高，对回收废热不利。另外，由于R124-DMAC工质对的沸点差只有176℃，稀溶液浓度降低，也会使发生出的混合蒸气中吸收剂的含量增加，对无精馏设备的制冷系统而言，制冷剂中吸收剂含量增大，其制冷能力减小。因此，经综合考虑，设计的制冷循环的放气范围确定为0.09。

4.2 发生器负荷率的影响

由于吸收式制冷循环的动力来源是燃气轮机排放的废热，而燃气轮机工作时不能保证任何时刻都处于额定功率下运行。实际的燃机进气量和排放的废热量随其出力的变化而发生变化，进而使得发生器负荷和制冷负荷也随之变化。为分析发生器负荷的变化对制冷循环特性的影响，将溶液泵流量按两种策略进行控制:一种是溶液泵流量不变控制策略(case1)，另一种是保持溶液放气范围不变(case2)的控制策略。在case2控制策略下，溶液泵出口流量随发生器负荷率的变化进行调节。图3给出了两种溶液泵控制策略下其他工作参数不变时，循环制冷量随发生器负荷率的变化关系。图中可见，在相同的发生器负荷率下，case2的制冷量大于case1。表明采用保持溶液放气范围不变的溶液流量控制策略，发生器负荷变化对循环制冷量的影响相对较小。考虑到所研究的制冷系统制冷负荷量级较大，采用控制溶液放气范围不变的策略控制较为适宜。

4.3 环境温度的影响

由于所研究的废热制冷循环采用纯空冷方式，吸收器和冷凝器的冷却都通过空气。所以环境温度的高低影响冷凝温度和吸收终了的溶液温度，进而影响制冷系统各运行参数。对于一个设计参数确定的废热制冷系统，其系统内各换热和运转设备的结构形式及传热面积是一定的。所以可以将发生器的负荷设为已知参数，即取设计工况下的发生器负荷。在溶液放气范围不变的控制策略下，对不同环境温度下的循环进行热力计算，其计算结果如图4和图5所示。两图分别给出了制冷负荷和燃机进气温度，溶液循环倍率和循环COP值随环境温度变化关系。图中可以看出，当环境温度从设计的环境温度(35℃)升高到40℃时，吸收终了的浓溶液浓度将会降低，溶液循环倍率上升，制冷量和循环COP值下降。由于环境温度升高，导致系统制冷能力的下降，使得燃气轮机进气温度从设计值(15 ℃)上升到大约20℃。由此可见，环境温度变化对采用燃气轮机排气废热驱动的吸收式制冷系统以及燃气轮机进行冷却有很大的影响。

图2 放气范围对制冷循环的影响Fig.2 Influence of deflation ratio on refrigeration cycle

图3 发生器负荷率对制冷循环的影响Fig.3 Influence of generator load ratio on refrigeration cycle

图4 制冷量和燃机进气温度随环境温度变化关系Fig.4 Variations of cooling capacities and gas-turbine air inlet temperature with ambient temperature

图5 溶液循环倍率和COP值随环境温度变化关系Fig.5 Variations of solution circulation ratio and COP with ambient temperature

5 结论

1)根据缺水地区燃气轮机进气冷却技术要求，采用R124－DMAC为制冷剂的空冷型吸收式制冷循环，通过循环热力计算及分析，理论上可以满足要求。

2)在设计工况下废热驱动的制冷循环COP值可达0.52，制冷负荷为1 980.3 kW，燃气轮机进气温度可从环境温度(35℃)冷却到15℃。

3)废热驱动的吸收式制冷循环运行特性受环境温度、溶液放气范围和发生器负荷率影响。对于所研究的具有大制冷负荷的废热制冷循环，在变工况条件下，与定溶液泵出口流量控制策略相比，采用溶液放气范围不变控制策略，根据相对较好的工作特性。

本文受沈鼓—大工研究院重大科技发展基金项目资助。(The project was supported by Key Technology Development Foundation for SBW and DLUT Research Institute.)

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Study on Cycle Characteristics of Absorption Refrigeration Driven by Waste Heat from Gas Turbine

Zhang Lina Xu Shiming Li Jianbo

(School of Energy and Power Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，116024，China)

The ambient temperature influences the performance of gas turbine.The power output and efficiency of gas turbine decrease with the temperature increasing.But it can be solved by cooling the air inlet.This paper is based on the characteristics of the waste heat from gas turbine and its operation condition at natural gas pressured station for long distance pipeline.To meet the gas turbine's needs for inlet air cooling，a fully-air cooling mode absorption refrigeration system is proposed.The system is driven by gas turbine waste heat using R124-DMAC as working fluid.In addition，the cycle thermodynamic calculation and the performance analysis of influencing factors for this system were done.The theoretical research results show that the refrigeration cycle is feasible.The cycle can operate steadily with a high coefficient of performance(COP)while the ambient temperature is high.

inlet air cooling；absorption refrigeration；gas turbine；R124-DMAC

TB61＋1；U463.851

A

0253－4339(2014)05－0088－06

10.3969/j.issn.0253－4339.2014.05.088

徐士鸣，男(1957－)，教授，博士生导师，大连理工大学能源与动力学院，(0411)84708774，E-mail:xsming＠dlut.edu.cn。研究方向:废热吸收式制冷。现在进行的研究项目有:沈鼓—大工研究院重大科技发展基金项目——天然气加压站燃气轮机余热回收装置总成及天然气冷却设备研发等。

2014年1月20日

About the corresponding author

Xu Shiming(1957－)，male，professor，doctoral tutor，Dalian U-niversity of Technology，(0411)84708774，E-mail:xsming＠dlut. edu.cn.Research fields:absorption refrigeration driven by waste heat.The author takes on project supported by the Key Technology Development Foundation for SBW and DLUT Research Institute:Waste heat recycle installation and refrigeration system design for the gas turbine at the natural gas pressured station.