余热锅炉排烟尾气余热冷却燃机进气研究

陈志锋

(华电分布式能源工程技术有限公司， 北京 100070)

余热锅炉排烟尾气余热冷却燃机进气研究

陈志锋

(华电分布式能源工程技术有限公司， 北京 100070)

燃气轮机发电效率与空气进气温度密切相关。随着大气温度升高，空气密度降低，流经燃气轮机的空气流量相应减少，从而引起燃气轮机发电效率下降。冷媒水在冷却器的管内流动，空气在管外流动。通过冷媒水和空气之间的热交换，实现燃机进口空气的冷却。以GE LM2500型航改机作为参考设备，讨论利用联合循环余热系统对燃机进气进行冷却的实际效果。

燃气轮机；发电效率；进气冷却；余热

0 引言

燃气联合循环系统[1]是由燃气轮机(以下简称燃机)、余热锅炉和蒸汽轮机三大主机系统组成的燃气分布式供冷、供热、发电系统。燃机以天然气为原料，通过燃气燃烧带动发电机发电，产生高品位电能；稳定运行后的排烟尾气温度一般在500 ℃以上；高温烟气通过余热锅炉产生中、低压蒸汽，用于拖动后面的汽轮机发电和抽汽供热/制冷，实现系统发电、供热、制冷。燃气联合循环系统综合效率可达到70%以上。

1 燃机进气冷却技术

燃机的热力循环通常为工质取自大气的开式循环，其功率和效率随环境条件的变化而变化。当温度升高时，因大气的密度降低，燃机空气流量、压力等参数下降，其效率随之下降，热耗率上升。图1为常规燃机发电热耗和功率与进气温度的影响关系[2]。

图1 燃机发电热耗和功率与进气温度的影响关系

本文依托实际项目，通过利用Thermoflow软件和郑州区域地理气候等参数对某燃气联合循环项目进行模拟分析，研究燃机进气温度对燃机功率和热耗的影响。该项目采用GE LM2500型航改燃机。图2为环境温度对燃机出力的影响曲线，图3为环境温度对燃机效率的影响曲线。从以上2图中可以看出，随着环境温度升高，燃机出力不断降低，当环境温度从15 ℃上升到33 ℃时，燃机功率降低了15%左右，热耗率增加了5百分点左右。

图2 环境温度对燃机出力影响

图3 环境温度对燃机效率影响

燃机进气温度过高，对机组发电功率和热耗产生不利影响；目前常用的解决方法是对燃机进气进行冷却，通过降低进气温度，从而达到提升燃机发电效率和整机功率的目的。

燃机入口空气冷却技术经过20年的发展，目前主要的技术手段有直接接触和间接接触两大形式[3]。

图4 余热冷却进气系统组成

1.1 直接接触式冷却

直接接触式冷却采用在表面介质上淋水或喷雾等方式，通过水的蒸发吸收汽化潜热降低空气温度。该方式的优点是系统简单，入口空气流阻增加小，一次投资和运行维护费用低。缺点是受环境相对湿度影响大，冷度低, 冷却后的进气温度仅能逼近但永不能达到环境湿球温度，同时对喷淋水、雾的水质要求高。

1.2 间接接触式冷却

间接接触式冷却是指采用冷却盘管(换热器)和常规制冷设备实现的燃气轮机进气冷却技术。一般是冷媒水在冷却器的管内流动，空气在管外流动。通过冷媒水和空气之间的热交换，实现燃机进口空气的冷却。该方式的优点是不受环境湿球温度影响，可以实现较大的冷度，能够将进气冷却到最佳温度。缺点是系统复杂，入口空气流阻大，占地、一次投资、运行维护费用均较大。

2 系统工艺简介

郑州属于夏热冬冷地区，夏季高温天气延续时间长，室外温度高，对于航改机组影响较大；项目采用燃机联合循环系统，中间过程产生大量的余热蒸汽和热水，可以作为间接接触式冷却方式的热源，既可以实现进气冷却，提高发电出力和发电效率，又可以充分利用系统余热，提高整个系统的综合热效率。因此，本项目进气冷却设计方案采用热水型溴化锂机组+蒸汽型溴化锂机组作为进气系统冷源，对进气系统进行冷却。

热水型溴化锂机组采用回收余热锅炉排烟尾气余热[4](排烟温度从110 ℃左右降到80 ℃左右)产生的高温热水(90 ℃)作为动力热源，实现制冷功能。

蒸汽型溴化锂机组通过余热锅炉回收燃气排汽热量产生的中、低压蒸汽作为动力热源，实现制冷功能。本项目采用低压蒸汽作为蒸汽溴化锂机组热源。本项目进气冷却技术方案按照2台GE LM2500+G4型燃机进行计算，单台燃机计算进气冷却所需制冷功率为5.4 MW左右，2台燃机冷却所需最大制冷功率为10.0 MW。优先采用热水型溴化锂机组实现进气冷却，不足部分由蒸汽溴化锂补充，这样既可以充分利用排烟余热，也能更好地保证系统工业蒸汽用户需求。

3 系统组成

该项目余热冷却进气系统组成如图4所示。余热冷却进气系统运行流程如下：燃气进入燃气轮机驱动发电后，排放的烟气进入余热锅炉；余热锅炉产生高压蒸汽进入背压汽轮机发电并外排蒸汽至蒸汽联箱；余热锅炉低压蒸汽直接进入蒸汽联箱，从蒸汽联箱提供蒸汽供用户使用，同时一部分蒸汽进入蒸汽型溴化锂机组产生冷水，通过过滤房给燃气轮机的空压机部分进气进行冷却；同时，通过利用余热锅炉扩大省煤器回收余热锅炉的排烟尾气余热，从而制取高温热水；热水进入热水型溴化锂机组产生冷水，通过过滤房给燃气轮机的空压机部分进气提供另一路冷源；进气冷却冷源优先采用低品位余热实现冷却。

4 效益分析

4.1 性能计算

GE LM2500型航改机进气温度超过15.0 ℃以上时，进气温度对机组效率和出力均产生影响。郑州市的夏季工况气象条件[5]和机组进气冷却前后的典型工况燃机性能计算见表1。

表1 典型工况燃机性能计算

表1采用Thermoflow计算，可以看出，当燃机进气冷却后，进气从30.2 ℃降为15.0 ℃时，单台燃机发电出力提高了20%，发电效率提高了1.86百分点。

4.2 经济指标

该项目进气冷却投资估算的主要内容包含燃机进气冷却过滤房费用、制冷设备容量增加费用、输送管道费用、电控辅助设备费用、施工安装费用等，总投资估算约2 000万元。

4.3 运行费用分析

郑州某项目为区域项目，正常情况下机组24 h运行，机组全年利用小时数为5 500 h，考虑郑州超过15.0 ℃以上的天气时间占全年的3/4，可估算进气冷却的时间约为4 000 。当地中水价格0.96 元/t，项目燃气价格为2.1 元/m3，电价为0.8 元/(kW·h)。以此为计算基础，核算运行消耗和收入如下：项目用于进气冷却消耗的蒸汽量为3.2 万t，用于汽机发电量约为6.97 GW·h，系统耗电量约为1.08 GW·h，系统耗水量约为10 万t。由于进气冷却带来出力增加而相对增加的燃气量约为480 万m3。

由于进气冷却提升的发电出力和效率带来的收益估算为多发电量约为228.00 GW·h。综合计算采用进气冷却系统，工作周期内节省费用约为163 万元。

5 结束语

进气冷却系统的整体收益虽然不高，但是由于联合循环项目供能存在波动性，在外供负荷不稳定的情况下，为保证发电利用小时数，系统多会部分负载运行，对机组的运行效率、检修要求和使用寿命均有影响，所以，进气冷却系统作为区域联合循环项目的一个补充，可以作为系统供能调节的手段使用。经综合比较，燃气联合循环系统采用进气冷却利大于弊，将是今后发展的一个方向。

[1]焦树建.燃气轮机与燃气-蒸汽联合循环装置[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2]焦树建.燃气-蒸汽联合循环[M].北京：机械工业出版社，2002.

[3]彦启森.制冷技术及其应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[4]燃气-蒸汽联合循环电厂设计规定：DL/T 5174—2003[S].

[5]民用建筑供暖通风与空气调节设计规范: GB 50736—2012[S].

(本文责编：刘炳锋)

2016-12-01；

2017-01-06

TK 222

B

1674-1951(2017)02-0073-03

陈志锋(1980—)，男，北京人，工程师，从事燃气分布式能源项目设计研究方面的工作(E-mail:czf2004@126.com)。