高压喷雾进气冷却技术在M251S型燃气轮机上的应用

胡 灿，岳玉琅，宋澜波

（湖南华菱涟源钢铁有限公司能源总厂，湖南娄底 417009）

前言

华菱涟钢能源总厂有3 套M251S 型CCPP 联合循环发电机组，设计ISO 工况下空气进气温度为15 ℃，燃机出力28.5 MW，汽机出力为22 MW，空气流量102.5 kg/s。随着环境温度的升高，进气温度高于15 ℃时，发电出力受到了非常大的制约，在夏季高温季节燃机发电机出力下降明显，效率大幅度降低，其平均负荷下降至22 MW 左右，燃机负荷下降同时进入余热锅炉烟气量减少，进一步导致蒸汽联合循环汽轮发电机组负荷出现下降。因此，随着环境温度的不断升高，CCPP 发电效率下降明显[1,2]。

为了缓解南方高温环境导致燃机发电出力下降的问题，通过降低燃机空气进气温度来恢复燃机高温环境部分出力。2018 年，采用美国米氏高压喷雾冷却系统（MeeFog）对能源总厂发电三车间1#、3#燃机空气进气进行喷雾冷却处理。在燃机空气进气道上安装美国米氏高压喷雾冷却系统高压雾化喷头，燃机周围空地处安装美国米氏高压喷雾冷却系统成套装置及控制装置。改造完成后，显著提升了高温季节燃气轮机的出力，提高了联合循环的发电负荷和效率[3,4]。

1 设计参数

根据改造前燃机运行数据统计分析，燃机出力与温度之间的关系如图1 所示，即燃机进气温度每降低1 ℃，燃机出力增加356 kW左右。

图1 燃机发电负荷与进气温度之间的关系

具体设计条件为：高温季节环境干球温度为35 ℃，空气流量为102.5 kg/s，相对湿度为45%，喷雾冷却用水为精制脱盐水。

燃机进气冷却系统（如图2所示）设计喷嘴数量为160个，孔径为140 μm，运行压力为13.8 MPa，流量为24.2 L/min，最大冷却能力为9.7 ℃。

图2 MeeFogTM喷雾系统

2 进气冷却影响机理分析[1]

为了分析进气冷却技术对燃气轮机循环过程的影响机制，主要从热力学角度来考察进气温度对燃气轮机性能的作用机理。燃气轮机理想简单循环比功为：

式中，WGT为理想循环的净比功，对应热力循环过程P-V 和T-S 图（如图3 所示）中1→2、2→3、3→4 和4→1 这四个过程所包围的面积。WT为理想循环透平所做的膨胀比功。WC为理想循环压气机所消耗的比功。

式中，CP为定压比热，T1进气初始温度，T3为燃气初始温度，τ 为燃气轮机温比，π 为空气压缩机压比，，κ为绝热指数。

可见，当压比保持不变时，随着温比的增加，燃气轮机单位质量工质做功能力和燃气轮机有用功系数即循环效率均呈现增大的趋势。因此，在燃气初始温度保持不变的情况下，降低压气机进气初始温度能够显著提高机组的出力以及机组的效率。

图3 燃机轮机理想简单循环的P-V和T-S图

3 实际运行情况分析

3.1 发电负荷增效情况对比

为了验证喷雾进气冷却的效果，对投入前后的进气温度数据进行统计，结果如图4 所示。在当地气温超过35 ℃时，空气进气温度下降范围在5～10 ℃，气温超过40 ℃，温降在8～9 ℃。2018年，高温季节投入期间（5～10 月），整体温降平均约为4～6 ℃。

为了验证进气喷雾冷却系统对燃气-蒸汽联合循环发电负荷的影响，利用两台运行状况基本一致的燃机进行对比实验，如图5所示。投入喷雾后，3#燃机和余热锅炉-汽机的负荷均明显增加，统计期间（剔除因机组或公司煤气系统问题导致负荷控制的特殊情况）联合循环平均每天发电量增加4.6 万kWh，日均温度下降为5 ℃，小时机组负荷增加约为1 917 kWh，则折算到进气温度每下降1 ℃，联合循环机组的小时发电负荷增量约为380 kWh。

图4 喷雾投入前后进气温度变化情况

图5 喷雾冷却投退对联合循环负荷的影响对比

3.2 发电负荷及成本增加核算

①年发电增加量为：380 kW/℃×1 6794 ℃·h×10-4=638.2 万kWh。ECDH 值(有效蒸发冷却度时）：指某一地区有效蒸发温降度与持续时间的积的总和，即式中，ΔTi为某一个温降值，单位为℃；Hj为对应这一温降值ΔTi所持续的总时间，单位为h。涟钢地区的这一数值基于2015年的长沙的气象数据计算得出。

发电创效为：638.2 万kWh×0.63 元/kWh=402万元；

②燃料成本增加：638.2 万kWh×320 gce/kWh×29.26 kJ/gce×10-6×40元/GJ=239万元；

③除盐水增加成本：168 L/℃·h × 16 794 ℃·h（ECDH）÷ 1 000 × 5元/t=1.41万元；

④电耗增加成本：7.5 kW × 6 × 30 × 24 h × 0.63元/ kWh=2.04万元。

3.3 效益及投资回收期

喷雾冷却技术总体收益为159.55 万元/套机组，项目总投资为300万元/套，投资回收期为2年左右，经济效益较为可观。

4 结论

燃气轮机进气冷却技术对于燃机负荷的提升有着显著影响，该技术的采用能够显著提高机组在高温季节的发电量和效率。喷雾冷却技术具有投资少、安装简单、运行成本低且投资回收期短的显著优势，年创效达150万元以上，具有较为可观的经济效益,在工业上应用前景良好。