LNG冷能利用对联合循环机组性能的影响分析

邱永罡

（上海电气电站集团工程公司，上海 201612）

0 引言

燃气轮机（以下简称“燃机”）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。我国燃机发电厂主要采用天然气作为主要燃料，随着我国能源多元化的发展，越来越多的沿海发电厂采用LNG（液化天然气）作为天然气的主要来源。

LNG的主要成分是甲烷，无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/600，LNG具有压力低、密度大、安全可靠性较高的优点，适合大规模、跨国界、远距离运输，现已成为天然气远洋运输的主要方式。

LNG使用前需气化至常温，此过程中LNG会释放出大量冷量。每1 kg LNG气化过程中可释放出的冷量约830~860 kJ[1]（包括气化潜热和气态天然气从储存温度升高至环境温度的显热）。工程应用方面，LNG冷能可被用于诸多领域，如空气分离、轻烃分离、冷能发电、制造液态CO2和干冰、食品冷冻、低温粉碎及蓄冷等[2-3]。

对于燃机联合循环发电厂，LNG气化的冷能可以通过多种途径被利用，包括：

（1）冷却燃机进风，提高燃机出力。

（2）冷却汽轮机循环水，降低背压、提高汽轮机的出力和蒸汽循环的效率。

（3）冷却辅机冷却水，改善夏季辅机冷却水偏高的问题。

以下主要分析这几种冷能利用方式对于全厂性能的影响，重点分析利用LNG冷能冷却燃机进风对联合循环性能的影响[4-7]。

1 燃机发电厂LNG冷能的利用方式分析

1.1 LNG冷能利用的方式

（1）LNG冷能用于燃机进气冷却。

燃机在高温环境工作时，其出力和效率都会有显著的降低，主要原因是燃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（进口可调静叶）的影响，但是燃机的出力和空气质量流量成正比，而非体积流量，因此可以通过LNG的冷能把进入燃机的空气温度降下来，增加进入燃机的空气质量流量，从而提高燃机出力和效率[4-5]。

在实际操作中，可利用LNG气化过程产生的冷水或者乙二醇，通过装在燃机进气装置上的翅片管换热器对燃机进口空气进行冷却，冷却介质在冷却完空气后回到气化装置中，从而形成完整循环[8-10]。冷能利用装置既为LNG气化提供热量，又为燃机进气冷却提供冷能，冷能综合利用效果显著。当然在燃机进气系统增加换热器将增大燃机的进气压损，一般压损将增加100~300 Pa[6]，对于联合循环的性能有一定影响。

（2）LNG冷能用于汽轮机循环水冷却。

当汽轮机冷却采用水冷时，可以利用LNG的冷能降低凝汽器的进口循环水温度，从而降低汽轮机的背压，提高汽轮机的出力和蒸汽循环的效率。

此方式先取一部分的循环水作为气化LNG的热源，从而获得更低温度的冷却水。然后将低温的冷却水在进入凝汽器之前与剩余的循环水混合，降低进入凝汽器的循环水温度，从而使汽轮机获得更低的背压[11-12]。

（3）LNG冷能用于闭式辅机冷却水冷却。

闭式循环冷却水主要用于辅机润滑油和发电机的冷却，常规冷却方式包括使用湿式通风冷却塔冷却、干式空气冷却、利用冷却水加板式换热器冷却等。常规的冷却方式都需要消耗较多厂用电，且投资较大。在夏季高温时，辅机冷却水温度往往会偏高，影响机组的安全运行，降低设备寿命。

对于燃机发电厂，利用LNG冷能可以将辅机冷却水温度降低约5.6℃，满足辅机冷却水热负荷的要求[8]。

1.2 不同LNG冷能利用方式的比较

对于F级一拖一发电厂而言，利用LNG冷能冷却燃机进气能够大大提高联合循环的出力，出力增加可达6%左右，效果较为明显。利用LNG冷能冷却汽轮机循环水，能够将凝汽器的进水温度降低约0.45℃，联合循环出力增加约0.13%，联合循环效率提高0.05%左右，对性能的提升相对有限，且此方式仅适用于水冷机组，对于空冷机组不适用。利用LNG冷能冷却闭式循环水，对于水冷机组，可以减少开式冷却水约2 500 t/h，减少厂用电约132 kW。对于空冷机组，如使用干式空冷辅机冷却塔，可节约300 kW左右的厂用电和干式空冷塔的投资。同样，此方案对于联合循环的性能影响较小，对于干燥缺水需要采用干式辅机冷能塔的发电厂收益略好。

对比以上3种冷能利用方式，冷却燃机进气效果更明显，以下重点讨论利用LNG冷能冷却燃机进气的方案对于联合循环性能的影响[2]。

2 利用LNG冷能冷却燃机进气案例

某F级一拖一燃机联合循环机组，夏季环境温度为30℃，相对湿度60%，大气压0.1 MPa。蒸汽循环采用三压再热方案，凝汽器采用直流冷却，夏季水温27℃，循环水量24 000 t/h。

2.1 LNG用于燃机进气冷却对联合循环性能的影响

LNG的冷能通过换热器，将管内冷却工质的冷能传递到空气中，降低燃机进口空气温度。由于冷却介质不与空气直接接触，因此空气的冷却是一个定含湿量的降温过程，空气温度降低，相对湿度上升，含湿量不变。当空气温度低于露点温度时，相对湿度达到100%的上限，这时随着空气温度的降低，相对湿度保持100%不变，空气含湿量下降，换热器表面有水凝结。

燃机进气温度降低的幅度取决于燃料中可利用的LNG冷能Q，冷能Q可通过如下公式进行计算[1]：

式中：Q为可利用的LNG冷能；qf为LNG的质量流量；rLNG为单位质量LNG的冷能。

单位质量的LNG冷能rLNG约为830~860 kJ，考虑到一定能量损失，假设可以利用的冷能为820 kJ/kg，通过夏季工况燃料量，可以通过式（1）初步计算出可以利用的LNG的冷能Q0。在冷能利用后，随着燃机的进气温度下降，出力上升，燃料量也上升，可利用的冷能也更多了，因此最终可以利用的冷能Q需要迭代计算。

图1是从气温30℃、相对湿度60%、大气压0.1 MPa的初始环境温度开始，冷能利用后的燃机进气参数的变化情况。

图1 湿度和燃机进气温度随着冷能利用的变化曲线

根据燃机进口参数的变化，可以利用燃机的修正曲线计算出对应的燃机的出力、效率、排烟参数的变化。修正结果如图2—5所示。

图2 燃机效率随进气温度的变化曲线

图3 燃机出力随进气温度的变化曲线

图4 燃机排烟流量随进气温度的变化曲线

图5 燃机排烟温度随进气温度的变化曲线

从以上的修正结果看，燃机的出力、效率和排烟流量随着冷能利用都将上升，而排烟温度随着燃机进气温度的下降而下降。

对于联合循环，联合循环效率和出力可利用式（2）计算[13-14]：

式中：ηcc为联合循环效率；ηgt为燃机效率；Pst为蒸汽轮机出力；Pgt为燃气轮机出力；Pcc为联合循环出力。

根据以上联合循环性能的计算公式，冷能利用后汽轮机的出力对联合循环性能有最直接的影响。为了计算汽轮机的出力，通过搭建全厂热平衡模型，模拟计算出燃机排烟参数变化对应的汽轮机出力[13-15]，计算结果如图6所示。

图6 汽机出力随进气温度的变化曲线

根据蒸汽循环的计算结果可知蒸汽轮机的出力随着冷能利用而提高，但提高的幅度低于燃机，主要原因是燃机排烟温度的降低导致蒸汽循环的效率下降，从而抵消了排烟流量增加带来的增益。根据公式（2）和（3）可以计算出联合循环的性能如图7所示。

由图8可知虽然冷能利用后燃机本身效率提升，但蒸汽侧的效率下降抵消了燃机侧效率上升的增益，最终联合循环的效率降低。如果按照完全利用燃料冷能，不考虑换热器压损的影响，联合循环出力可增加约6.7%，效率仅降低约0.2%，在夏季用电高峰期将带来不错的收益。

图7 联合循环出力随进气温度的变化曲线

图8 联合循环效率随进气温度的变化曲线

2.2 换热器压损的影响

利用LNG冷能需要在燃机进气装置中增加翅片换热器，换热器的阻力将对燃机的性能和排烟参数产生影响，从而影响最终的联合循环性能。换热器的空气侧阻力约100~300 Pa之间[5]，取决于换热器的结构和换热面积的大小。图9，10是考虑200 Pa压损和不考虑压损联合循环性能的差异。

图9 进气压损对联合循环出力的影响

由图9—10可知换热器的压损将降低联合循环的出力和效率，但效率降低较少约0.01%，出力的降低相对明显，约1 MW左右。

2.3 空气相对湿度对冷能利用效果的影响

图10 进气压损对联合循环效率的影响

由2.1节介绍的研究结果可知，进入燃机的空气温度对于联合循环的出力有直接的影响，进气温度越低燃机出力越大，在相同冷能的情况下，空气温度降得越低冷能利用的效果越好。空气的相对湿度对于降温效果有直接的影响，图11是环境相对湿度分别为为60%和80%时，需要冷能利用的曲线。

图11 需要的LNG冷能随进气温度的变化曲线

由图11可知，当燃机进气温度降低到露点温度时，降低同样的温度需要的冷能急剧增加，其中一部分冷能被用于凝结析出空气中的水蒸汽，单位冷能降温效果急剧下降。环境相对湿度对露点温度的影响非常明显，相对湿度越低，露点温度越低，相同的燃料冷能能够获得更低的燃机进气温度，从而获得更大的出力。

2.4 设计温度的选择对于冷能利联合循环效率的影响

当设计温度确定后，蒸汽循环的主蒸汽和热再蒸汽管道可根据设计温度选择对应的材料，当排烟升高时，为了避免主蒸汽和热再蒸汽温度超温，锅炉的过热器和再热器需要进行喷水降温，从而导致蒸汽循环的效率降低。在配置冷能利用装置后，由于受到喷水对于蒸汽参数的影响，不同的设计选型点，冷能利用对于联合循环效率的影响略有差异。图12是设计点在30℃和设计点在19℃时，联合循环效率的差异。

图12 联合循环效率随进气温度的变化曲线

由图12可知，在设计环境温度较低时，夏季工况为了控制蒸汽温度需要大量喷水，而冷能利用后，燃机排烟温度降低，蒸汽温度降低，喷水量逐步降低，主蒸汽和热再蒸汽温度保持不变，效率的降低相对平缓，甚至会出现效率上升的情况。而设计环境温度较高时，在夏季工况不喷水或仅少量喷水，随着冷能利用排烟温度降低，主蒸汽和热再蒸汽参数下降较快，联合循环效率的降低也相对较快。因此在有冷能利用措施的情况下，将发电厂的设计温度降低，可以使整个热力系统和设备在冷能利用后处于高效运行点，从而提高发电厂运行效率。

3 结论

（1）LNG的冷能对于联合循环机组利用价值较大，各种冷能利用方案对于提高联合循环的性能和经济性都有不错的效果，其中利用LNG冷能冷却燃机进气的效果最为明显。

（2）利用LNG冷能冷却燃机进气能够显著增大燃机在夏季工况的出力，但联合循环效率会略微降低。

（3）环境相对湿度对利用LNG冷能冷却燃机进气有显著影响，湿度越低，冷能利用效果越好。

（4）对于利用LNG冷能冷却燃机进气的机组，将设计工况定在相对较低的环境温度较为合理，有利于在冷能利用后使联合循环的效率保持在一个比较高的水平。