燃气轮机进空气冷却方式的经济性比选

郭甲生， 刘育权， 包 春， 李 勇， 刘 伟

(1.上海航天能源股份有限公司，上海201201；2.航天智慧能源研究院，上海201201； 3.广州供电局有限公司，广东广州510000；4.广州发展集团股份有限公司， 广东广州510000；5.上海交通大学，上海201000)

1 概述

燃气轮机性能受环境温度影响较大，当环境温度升高时，空气密度减小，单位时间进入燃气轮机的空气质量减少，从而使燃气轮机的输出功率下降。当环境温度升高时，压气机的压缩比降低，压气机的功耗也将增大。冷却燃气轮机进空气(以下简称进气)，是确保高温地区燃气轮机输出功率的有效措施[1-2]。

本文以广州地区某园区燃气分布式能源站(以燃气轮机作为原动机)为例，提出采用蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组(以下简称吸收式冷水机组)、电制冷机组对燃气轮机进气进行冷却，对两种制冷设备进行选型与造价测算(不考虑制冷设备的备用)。以燃气轮机发电机组在全年100%负荷率(指发电功率的负荷率)下，测算燃气轮机进气冷却前后的燃气轮机耗气量、燃气轮机发电机组输出电功率、余热锅炉蒸汽产量。计算采用两种制冷设备时的项目收益与静态投资回收期，确定最佳制冷设备。本文对测算中的相关参数进行了简化处理，将吸收式冷水机组的热力系数、电制冷机组制冷性能系数视为不随制冷设备的负荷率发生变化，分别取1.4、4.0。

2 工程概况

广州地区某园区天然气分布式能源站，以管道天然气作为燃料(低热值为34.18 MJ/m3)，天然气经调压及计量后进入燃气轮机，燃气轮机发电机组发电并入电网，燃气轮机排放的高温烟气通过余热锅炉产生过热蒸汽，供园区内用户使用，用户处凝结水通过凝结水管道回输至能源站。不足蒸汽利用燃气调峰锅炉提供。

能源站配置2台装机容量为14.4 MW的燃气轮机发电机组，额定发电功率为13.95 MW，额定耗气量4 509 m3/h。2台余热锅炉，供汽压力2.5 MPa，温度250 ℃，单台额定蒸发量27.4 t/h，1台燃气轮机配置1台余热锅炉。1台蒸发量为25 t/h的燃气调峰锅炉，用于补充不足蒸汽量。1台额定制冷量为3 867 kW的吸收式冷水机组，耗汽量为3.93 t/h，进汽压力为0.8 MPa，进汽温度为170 ℃，为园区办公建筑供冷。

3 制冷设备选取

① 负荷预测

广州地区典型年室外空气逐时干球温度、含湿量见图1、2，数据来自《中国建筑热环境分析专用气象数据集》(中国建筑工业出版社2005年出版)。全年运行时间按8 760 h考虑，图1、2中，第1 h表示[0:00，1:00)，第2 h表示[1:00，2:00)，以此类推。不同室外空气干球温度范围对应的待冷却温度见表1。

图1 广州地区典型年室外空气逐时干球温度

图2 广州地区典型年室外空气逐时含湿量

湿空气比焓h的计算式为[3]：

h=cp,gθ+(2 500+cp,qθ)d

(1)

表1 不同室外空气干球温度范围对应的待冷却温度

式中h——湿空气比焓，kJ/kg

cp,g——干空气的比定压热容，kJ/(kg·K)，本文取1.01 kJ/(kg·K)

θ——空气逐时干球温度，℃

cp,q——水蒸气的比定压热容，kJ/(kg·K)，本文取1.85 kJ/(kg·K)

d——空气逐时含湿量，kg/kg

100%负荷率下，冷却后燃气轮机进气(干空气)质量流量保持44 kg/s。根据图1、2及表1数据，由式(1)可计算得到100%负荷率下，冷却空气的逐时冷负荷，见图3。

图3 100%负荷率下冷却空气的逐时冷负荷

② 制冷设备选型

制冷设备选取吸收式冷水机组、电制冷机组，且单独配置。由图3可知，在100%负荷率下，冷却空气的最大逐时冷负荷为3 159 kW。考虑裕量，制冷设备的额定制冷量选取为3 500 kW。

4 经济性分析

4.1 造价与运行费用

① 吸收式冷水机组

吸收式冷水机组额定制冷量为3 500 kW，单位制冷量造价(含设备费、安装费)取1 200 元/kW，可计算得到造价为420×104元。

吸收式冷水机组典型年耗汽量mab的计算式为：

(2)

式中mab——吸收式冷水机组典型年耗汽量，t

t——时间，h，取1 h

Φi——第i小时冷却空气冷负荷，kW

Itc——吸收式冷水机组的热力系数，本文取1.4

Φs——1 t/h蒸汽对应的热功率，kW·h/t，本文取700 kW·h/t

由图3数据及式(2)，可计算得到吸收式冷水机组典型年耗汽量为10 188 t。蒸汽价格取348 元/t，可计算得到吸收式冷水机组典型年蒸汽费用为354.54×104元/a。

② 电制冷机组

电制冷机组额定制冷量为3 500 kW，单位制冷量造价(含设备费、安装费)取1 000元/kW，可计算得到造价为350×104元。

电制冷机组典型年耗电量Eel的计算式为：

(3)

式中Eel——电制冷机组典型年耗电量，kW·h

ICOP——电制冷机组的制冷性能系数，本文取4.0

由图3数据及式(3)，可计算得到电制冷机组典型年耗电量为250.38×104kW·h。电价取0.745 元/(kW·h)，可计算得到电制冷机组典型年电费为186.53×104元/a。

4.2 收益

不考虑空气含湿量对燃气轮机性能的影响，在100%负荷率下，燃气轮机单位时间耗气量V、燃气轮机发电机组输出电功率P、余热锅炉单位时间蒸汽产量q随燃气轮机进气温度的函数关系分别为：

(4)

(5)

(6)

式中V——燃气轮机单位时间耗气量，m3/h

θin——燃气轮机进气温度，℃

P——燃气轮机发电机组输出电功率，kW

q——余热锅炉单位时间蒸汽产量，t/h

由图1、表1数据及式(4)～(6)，可计算得到，采取进气冷却后，燃气轮机耗气量增加317.28×104m3/a，燃气轮机发电机组输出电量增加1 342.38×104kW·h/a，余热锅炉蒸汽产量增加8 813 t/a。

① 吸收式冷水机组

采用吸收式冷水机组时，典型年的蒸汽缺口为1 375 t，可计算得到蒸汽费用为47.85×104元/a。天然气价格取2.858 元/m3，可计算得到由燃气轮机耗气量增加导致的天然气费用为906.79×104元/a。由燃气轮机进气冷却获得的发电收益为1 000.07×104元/a。由以上数据，可计算得到采用吸收式冷水机组时，典型年项目收益为45.43×104元/a。

② 电制冷机组

采用电制冷机组时，燃气轮机发电机组增加的发电量除满足电制冷机组制冷外，还剩余1 092×104kW·h。由已知数据，可计算得到采用电制冷机组时，典型年项目收益为213.45×104元/a。

4.3 静态投资回收期

吸收式冷水机组、电制冷机组的造价分别为420×104、350×104元，典型年项目收益分别为45.43×104、213.45×104元/a。可计算得到，采用两种制冷设备的静态投资回收期分别为9.24、1.64 a。由计算结果可知，采用电制冷机组冷却燃气轮机进气时，经济性比较理想。

5 结论

吸收式冷水机组、电制冷机组的造价分别为420×104、350×104元，典型年项目收益分别为45.43×104、213.45×104元，静态投资回收期分别为9.24、1.64 a。采用电制冷机组冷却燃气轮机进气，经济性比较理想。