燃气轮机进气冷却系统介绍及经济性分析

唐 健，崔耀欣，张栋芳，严 晶

（1.上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240；2.上海电气电站设备有限公司汽轮机厂，上海 200240）

燃气轮机作为一种高效率、低排放的动力机械正在被中国市场广泛接受，它具备结构紧凑、安装容易、运行灵活等显著特点，目前用于发电的燃气轮机简单循环效率一般在32%～40%之间，联合循环效率最高可达到60%左右。

燃气轮机在高温环境工作时，其输出功率和效率都会有显著的降低，其原因是燃气轮机是一种恒定容量的机器，即在恒定的工作转速下，沿进气系统吸入恒定体积流量的空气（不考虑IGV 的影响），但是燃气轮机的出力和空气质量流量成正比，而非体积流量，因此只要把进入燃气轮机的空气温度降下来，进入燃气轮机的空气质量流量就会增加，从而提高燃气轮机出力和效率。本文针对现有的几种成熟的进气冷却系统进行通用性经济分析，为进气冷却方案选取和经济性验算提供基本的技术指导。

1 进气冷却的原理

进气冷却系统的基本原理就是通过降低燃气轮机进气温度，增大空气的密度，提高进气的质量流量，从而使燃气轮机的出力增大；另一方面，随着进气温度的降低，压气机耗功也减少。图1是某F级燃气轮机进气温度与性能参数关系的参考曲线。

燃气轮机进气系统设置的进气冷却系统必然会对整个燃气轮机进气增加一定量的压降，这部分的压降会降低燃气轮机的出力和效率。而且一旦进气冷却系统已经配置，不管其是否投入使用，这个出力和效率的降低是始终存在的，会对燃气轮机运行的经济性产生一定的影响。图2是某F级燃气轮机进气压损与性能参数关系的参考曲线。

图1 燃气轮机进气温度与性能的关系

图2 进气压损和性能之间的关系

从图1曲线中可以读出，随着进气温度的提高，燃气轮机的出力和效率均出现明显的降低。这可以解释为压气机的耗功量Wc随吸入空气的热力学温度T1成正比变化，即大气温度升高时，燃气轮机的净出力减小。

式中：ηc为压气机内效率；Cp为空气比定压热容；K为绝热指数。当大气温度升高时，即使机组的转速和燃气透平前的燃气初温保持恒定，压气机的压缩比也会有所下降，这将导致燃气透平做功量减少，而燃气透平的排气温度却有所增高。

从图1的曲线可以看出，进气温度在20℃以上时，大气温度每提升1℃，出力降低0.75%左右，这对电厂效益存在非常不利的影响。在南方炎热的夏季，高温时段正是电网需要燃气轮机发挥其调峰性能、增加出力的时候，引入进气冷却系统，降低进气温度，有利于燃气轮机机组的运行。

2 进气冷却各方式介绍和比较

2.1 蒸发冷却系统

燃气轮机进气蒸发冷却系统是利用水在空气中蒸发时吸收潜热来降低空气温度的，在焓湿图上表示为等焓加湿过程，在理想状态下，空气在等焓加湿后可达到湿球温度［1］。当未饱和空气与水接触时，二者之间会发生传热、传质过程，空气的显热转化为水蒸发时所吸收的潜热，起到降低空气温度的作用。

2.1.1 介质式蒸发冷却

介质式蒸发冷却又称为水膜式冷却，即将水膜式蒸发冷却器置于空气过滤器后，燃气轮机进气与水膜接触从而达到降温加湿的目的。冷却装置与带填料层的喷水室结构相似，主要由冷却水泵、喷嘴、用以形成水膜的介质（湿润的蜂巢状纤维）、除水板、水箱等组成［2］。

介质式蒸发冷却器的冷却效果受当地空气湿度影响较大，设备成本较低，但是安装和运行成本较高，同时对燃气轮机进气造成一定的压损。

2.1.2 喷雾式蒸发冷却

喷雾冷却系统使用高压水泵把除盐水增压到6.9～20.7MPa，水经过不锈钢管网到达安装在进气系统中的喷嘴矩阵。这种冷却器将水高细度雾化后，喷入空气流中，利用水雾化后表面积急剧增大的特点来强化蒸发冷却效果，可以将空气冷却至饱和点附近，具有很高的冷却效率；并且阻力损失较小，经过冷却后的空气，其相对湿度达到97%～100%。在进气系统内，一般在滤芯之后消音器之前布置雾化喷嘴矩阵，通过喷雾泵组模块，将除盐水引入，并经过过滤、加压，通过喷嘴，产生雾化液滴，与入口空气混合。喷雾量视自带的湿度温度监测模块、控制模块调整泵组的开启情况予以控制，来满足不同的冷却温度梯度要求。

喷雾蒸发冷却一般安装在进气道过滤后，不需要较多更改进气道，因设备启停快等优点而被广泛用于要求高温季节提高出力的燃气轮机（乃至联合循环）进气冷却系统中。喷雾蒸发冷却的设备投资和运行费用较低，该冷却方式对环境湿度的敏感度比蒸发式冷却更低，压降也非常小，但是其对水质的要求比蒸发式的要高，同时，一旦发生喷嘴故障，可能对燃气轮机的安全运行形成一定的风险。

2.2 制冷式冷却系统

制冷式冷却系统是进气与制冷剂不直接接触的一种冷却方式，空气在管外翅片侧流动，冷源在管内循环，通过对流换热对空气进行冷却。根据冷源获取方式的不同可分为以下几种冷却方式。

2.2.1 压缩式制冷冷却

压缩式制冷采用压缩制冷循环，向盘管冷却器提供冷源，冷源的获得以消耗机械功（电力）为代价，燃气轮机压气机进气在换热器内被冷却水或吸收剂冷却。压缩制冷系统简单，可以获得较低的制冷温度；但最大的缺点是需要消耗电力，燃气轮机进气冷却多发电的25%～30%要用于驱动该系统，这达不到增加出力的目的，所以该系统应用较少。

压缩式制冷冷却系统的特点是对环境湿度的敏感性较低，可获得较低的制冷温度。但是其初期投资费用和运行维护费用都比较高，设备交付周期及安装时间较长，压降大约在100Pa到200 Pa之间。

2.2.2 吸收式制冷冷却

吸收式制冷是利用电厂余热驱动制冷机，向燃气轮机进气提供冷源，通过表面式热交换器来降低燃气轮机进气温度，以达到增加出力、提高效率的目的。由于该冷却方式可以充分利用电站余热，且利用的是低品位的热能，因此发展较快，应用较多。目前普遍使用LiBr作为制冷剂。

吸收式制冷系统的特点和压缩式制冷系统的特点相似，对环境湿度的敏感性较低，但是初期投资较高。

2.2.3 蓄冷式制冷冷却

蓄冷冷却在本质上也属于压缩制冷冷却，蓄冷冷却技术的出现正是基于压缩制冷耗费机械功（电能）的原因发展起来的。其主要是充分利用电网的峰谷差电价［3］，即在电网低谷时期，利用低价电驱动压缩制冷机制冷，把获得的冷量储藏在蓄冷装置中；到电网高峰期，制冷装置停止运行，再把蓄冷装置储藏的冷量释放出来，用以冷却燃气轮机进气，降低进气温度，来达到增加出力、提高效率的目的。该方式一方面可以增加低谷期用电量、扩大高峰期发电，起到调整电网负荷的作用；另一方面，蓄冷用的是低价电，电网高峰期发电是高价电，从中可以取得电的差价利润，达到双重效果。

在这种冷却方式中，燃气轮机的进气与冷却介质不直接接触，不与制冷剂接触，而与载冷剂通过换热器进行热交换。冰、水或其它传热流体可用作为蓄冷介质。

3 进气冷却经济性分析

燃气轮机配置进气冷却后年度净收益可以用下式表示：

式中：NPa为年度净收益；ΔPO为因温度降低而增加的发电量；NC为冷却系统年运行小时数；Pe为上网电价；ΔCf为每小时增加的燃料消耗量；Pf为燃料价格；CEQ为设备总投资；n为冷却系统使用寿命；CMa为进气冷却每年的运行和维护费用；ΔP1为因压降增加减少的发电量；N为燃气轮机年运行小时数；ΔPONCPe为因进气冷却而增发电力的价值；ΔCfNCPf为因进气冷却而多消耗的燃料价值；CEQ／n式为进气冷却初始投资折算到每年的投入值；ΔP1NPe为因进气冷却压降增加而导致的电力损失的价值。

注：这个公式中未考虑资金的现金价值，以及因进气冷却系统可能导致的燃气轮机本体部件寿命改变而产生的隐性成本等。

分析年度净受益与电价Pe之间的关系，将（1）式可以变换如下：

假定：各种进气冷却方式NC、N、n都一样，各种进气冷却方式产生的额外压降一般在50～300Pa（0.5～3mbar）之间，各种冷却方式产生的降温效果一般为7～20℃（与当地的温度、湿度及选用的进气冷却方式有关），根据图1和图2的参考性能曲线可知，因压降导致的功率降低ΔP1远远小于因温度降低而增加的ΔPO，只要进气冷却年运行时间NC相对于燃气轮机年运行时间N不是非常小，（2）式可以简化为：

根据上节中分析的各进气冷却方式的特性对比，在燃料价格Pf固定情况下，可以得出如图3所示的年净收益NPa与电价Pe之间的关系曲线：

图3 电价Pe对年净收益NPa 的影响

从图3可以看出，当电价越高时，制冷冷却的年净收益越高；当电价越低时，制冷冷却亏损越严重，因为制冷冷却的初始投资和维护费用较高。各冷却方式盈亏平衡点电价Pe1＜Pe2＜Pe3，说明喷雾冷却可以在较低的电价达到盈亏平衡点，而制冷冷却需要较高的电价才能达到盈亏平衡点。

而在电价Pe固定的情况下，年净收益NPa与燃料价格Pf之间的关系曲线如图4 所示。可以看出，当燃料价格越低时，制冷冷却的收益越大，当燃料价格越高时，制冷冷却的亏损也越大，因为制冷冷却受环境湿度影响较小，相比介质冷却和喷雾冷却发出更多的电，消耗的燃料也更多，而且制冷冷却的初始投资和维护费用较高，所以燃料价格越高，亏损越大。各冷却方式的盈亏平衡点Pf1＜Pf2＜Pf3，说明制冷冷却在较低的燃料价格情况下就达到收支平衡，而喷雾冷却可以在较高燃料价格情况下达到收支平衡，也即喷雾冷却可以承受相对更高的燃料价格。

图4 燃料价格Pf对年净收益NPa 的影响

再讨论进气冷却系统年运行小时数NC对年度净受益NPa的影响，假定电价Pe、燃料价格Pf及燃气轮机的年运行小时数N均为定值。把（1）式两边同时除以燃气轮机年运行小时数N，即可以得到燃气轮机每小时的净收益公式：

假设Nc／N＝τ，一般情况下ΔPOPe－ΔCfPf＞0，即进气冷却增发的电价大于燃料多消耗引起的成本，制冷冷却对环境湿度的敏感性较低，冷却温度与冷源温度及换热面积相关。而喷雾冷却和介质冷却对环境湿度的敏感性较高，这两种进气冷却的增发电量差不多。由此可以得出如图5所示的燃气轮机每小时的净收益NPa／N和τ之间的关系曲线：

图5 τ与小时净收益NPa／N 的关系

从图5可以看出，进气冷却年运行小时数越高，燃气轮机运行的收益越高。针对介质（或喷雾）冷却，环境相对湿度越低时，燃气轮机收益率也越高，该结论是假定进气冷却全年环境温度一直不变。但在实际情况下，由于环境温度会发生改变，进气冷却运行时间越多，平均运行环境温度肯定越低，进气冷却平均单位换热量也越低，导致收益的增势会趋近平缓。因此实际情况下的燃机每小时净受益NPa／N和τ之间的关系曲线如图6所示。

由于中国各地平均气温Ta有较大差距，气温对进气冷却的影响较大，环境气温直接决定了进气冷却换热量的大小，也决定了进气冷却增发功率ΔPO的大小。当NC，N，n都为定值时，平均气温Ta和进气冷却增发功率ΔPO之间的关系如图7所示。

图6 实际τ与小时净收益NPa／N 的关系

图7 平均大气温度Ta 与增发功率ΔPO之间的关系

由上图可以看出，对于介质（或喷雾）冷却，燃气轮机增发功率ΔPO随着平均大气温度的上升而上升，并且增速加快，当地空气湿度越低时，增速会越大。而对于制冷式冷却，当平均大气温度增加时，燃气轮机增发功率ΔPO也加快上升，但湿度对其影响较小。

4 结论

综上所述，进气冷却系统的选用原则及其经济性需要考虑以下几点：

1）进气冷却技术需成熟，设备可靠性要高，系统运行稳定性要强；

2）适合项目当地气候条件，不同的气候环境宜选用不同的进气冷却方式；

3）系统设计要符合机组的主机设计特点、运行模式，对机组热力系统的影响小，改造风险小；

4）通过综合考虑项目的投资、年利用率、运行维护费用等因素来判断项目的经济性。

对于具体的燃气轮机机组，无论是单循环还是联合循环，都需要获得当地的气象资料、燃气轮机（联合循环）机组的性能特性、燃料价格、上网电价、运行方式、投资维护费用等参数，才能较为准确地评估进气冷却系统的经济性，以免得不偿失。本文仅对进气冷却技术作一些介绍，并对影响进气冷却经济性的一些因素进行趋势分析，不作为实际判断经济性的参考依据。

［1］焦润平，付忠广，毕克.燃气轮机机组进气冷却技术分析评估［J］.热力发电，2007，（4）：18－23.

［2］辛军哲，辛黎虎，刘金星.燃气轮机进气蒸发冷却系统的设计及效果［J］.煤气与热力，2012，32（5）：10－14.

［3］郑叔琛，黄志刚，王震华.浅述燃气轮机的进气冷却技术［J］.南京工程学院学报，2002，2（2）：1－8.