进气温度对燃气-蒸汽联合循环机组性能的影响

张涛，付忠广，刘志坦，严志远，朱鸿飞，张天清

（1 华北电力大学能源动力及机械工程学院，北京102206；2 国电环境保护研究院，江苏南京210031）

作为清洁低碳化石能源，天然气发电的环境效益及其在能源发展格局中的重要作用越来越受到关注，燃气轮机（简称“燃机”）装机比重逐年提升[1]。但受天然气气源及发电成本等因素制约[2]，我国天然气发电机组利用小时数偏低，多数机组长时间处于部分负荷工况运行；另外，因风力、光伏等新能源发电上网和特高压输电工程的影响，部分机组将长期处于深度调峰运行状态。

在部分负荷工况运行时，燃气-蒸汽联合循环机组（简称“联合循环”）性能降低，安全性和经济性变差[3]。张国强等[4-5]通过对顶底循环分析研究，指出联合循环整体性能主要取决于顶循环，提高顶循环的热力学完善程度有利于提高联合循环的全工况性能，提出了降低燃机排气背压优化联合循环部分负荷性能的方法。于兰兰[6]从联合循环整体经济性出发，研究了控制燃机透平前温和进口温度等部分负荷性能的提升手段。Zuming 等[7]提出了EGR-IGVC运行策略，指出通过烟气再循环可提高联合循环部分负荷效率，同时可有效降低二氧化碳和氮氧化物的排放。

同时，燃机性能受外界环境影响较大[8-9]。闫顺林等[10]、刘闯等[11]、Arrieta等[12]分析了大气温度、压力、相对湿度等变量对燃机出力和效率的影响，指出环境温度对机组性能影响最大；钱江波等[13]分析了环境温度对联合循环全工况热力参数和调峰性能的影响规律，指出变工况时顶循环效率变化幅度大于底循环，提高顶循环能量利用率有利于提高联合循环全工况性能。Abigail等[14]研究了进气环境对联合循环CO2捕集率的影响，指出进气温度升高后，联合循环出力和烟气量均降低，二氧化碳捕集率下降。为了应对进气环境的不利影响，文献[15]研究了高湿环境下燃机进气系统湿堵机理，分析了利用进气加热保障进气过滤系统安全性的策略；同时，众多学者[16-20]对进气温升对联合循环满负荷工况下性能的影响以及利用进气冷却提高燃机在高温环境下出力进行了广泛的研究。

当前国内外学者多集中于环境温度单一变化对联合循环性能的影响研究，同时对满负荷和部分负荷工况下机组性能与进气温度变化之间关系的研究较少。本文选取某GE 9E 级燃气-蒸汽联合循环机组为研究对象，在进气温度与联合循环在满负荷和部分负荷工况下性能变化规律分析基础上，提出进气温度控制技术（inlet air temperature control ,IATC）。通过建模仿真对联合循环全工况下应用进气温度控制技术进行了分析，同时通过试验研究了该技术对提高联合循环部分负荷性能的应用价值。

1 研究对象及模型

1.1 研究对象分析

以我国天津某200MW级燃气-蒸汽联合循环机组为研究对象，主要设备包括GE 9171E 燃机、LCZ65-5.8/0.45/0.4 抽凝式汽轮机和双压无补燃卧式余热锅炉等。机组在不同环境温度下的典型运行数据如表1所示。

工况1 和工况2 表示联合循环分别在环境温度为12.7℃和28.8℃时，满负荷工况下的运行数据。可知当进气温度由12.7℃升高至28.8℃时，联合循环和燃机无法均保持原满负荷输出功率，燃机功率和燃气耗量降低的同时，联合循环功率和效率分别降低13.3MW和0.85%。工况3和工况4所示为联合循环保持141.8MW 定负荷时，在不同环境温度下的运行数据。可知当进气温度由24.3℃升高至36.2℃时，燃机功率有较小幅度下降，燃气耗量减少，同时联合循环效率升高0.3%。联合循环效率在部分负荷下受环境影响的规律与满负荷工况不同。

由以上分析可知，进气温度对联合循环满负荷和部分负荷等工况性能均有影响，但对不同工况性能影响差异较大。研究掌握进气温度与联合循环性能之间的规律，进而通过进气温度控制技术优化联合循环运行具有现实意义。

1.2 研究模型及验证

联合循环进气温度控制系统是在常规联合循环基础上集成进气冷却系统（turbine inlet air cooling system,TIAC） 和进气加热系统（turbine inlet air heating system，TIAH），由布置在压气机进气过滤室内的气-水换热器调节进气温度，如图1所示。

图1 燃气-蒸汽联合循环机组进气温度控制系统原理图

进气冷却系统采用蒸汽型溴化锂吸收式冷水机组，以0.4MPa饱和水蒸气为热源，制取7℃冷水输送至进气过滤室内气-水换热器与空气进行换热降温，该系统可实现燃机进气空气的深度冷却；进气加热系统利用余热锅炉排烟余热加热给水，热水经气-水换热器与空气进行换热，提升燃机进气温度。

本文采用EBSILON 仿真软件搭建研究对象热力系统模型，并将100%性能保证工况下模拟计算值与设计值进行对比验证，如表2 所示。分析可知，系统模拟计算值与机组设计值的相对误差均小于1%，热力系统模型具有较高的准确性。

表2 模拟计算值和设计值比较

1.3 热力性能计算

联合循环效率是指在燃机进气温度控制时，联合循环输出总功率与天然气消耗总热量的比值，用式(1)表示。

燃机效率是指燃机输出功率与天然气消耗总热量之比，用式(2)表示。

式中，ηc为联合循环效率；ηGT为燃机效率；P1为联合循环输出总功率，kW；P2为燃机输出功率，kW；g为天然气耗量，m3/s；LHV为天然气低位发热值，取34570kJ/m3。

联合循环热耗率定义为每产生1kW·h 电能所消耗的热量，是衡量进气温度控制技术的重要热经济性指标，用式(3)表示。

式中，qe为联合循环热耗率，kJ/(kW·h)。

燃机负荷率定义为燃机输出功率与当前进气温度下所能输出最大功率之比，用式(4)表示。

式中，kp为燃机负荷率；Pmax为燃机在当前进气温度下所能输出最大功率，kW。

2 燃机进气冷却技术及应用效果评价

2.1 环境温度对联合循环满负荷工况性能的影响

图2 功率及热耗率随环境温度变化规律

在联合循环满负荷工况下，燃机和联合循环功率及热耗率随环境温度的变化规律如图2所示。分别以进气温度12.5℃时的功率和热耗率为参考值，图2中功率及热耗率相对值定义为不同环境温度下机组功率和热耗率与相应参考值的比值。可知当环境温度升高时，燃机功率和联合循环功率均无法保持原满负荷功率，温度由12.5℃上升至32℃时，其功率分别相对降低12.2%和11.9%；燃机热耗率和联合循环热耗率分别相对增加3.1%和2.8%。模拟数据与表1 中工况1 和工况2 所示的联合循环满负荷工况运行数据趋势一致。分析其原因主要在于环境温度升高时空气密度降低，而燃机是以空气为主要工质的定容设备，在满负荷工况下燃机进气可转导叶开度保持最大值不变，进气质量流量减少，压气机压缩相同工质的耗功相对增加，故燃机功率和效率均降低。另外，环境温度升高时汽机背压升高，进一步降低了汽机功率[3]。

2.2 燃机进气冷却对联合循环性能的影响

综合分析表1 和图2 可知，当环境温度较高时，存在降低燃机进气温度，提高联合循环输出功率和降低热耗率的可行性。

对联合循环采用燃机进气冷却技术的性能变化情况进行模拟分析。空气参数的初始值设置为研究对象所在地6 月至8 月日间平均温度32℃和相对湿度55%，以5℃间隔温度及空气露点附近温度作为典型温降点，分别考察进气温度为32℃、27℃、22℃、19.5℃、17℃和12℃时，燃机、汽机及联合循环功率、燃机进气流量及汽机抽蒸汽量的变化规律，如图3所示。

图3 进气冷却与功率、抽蒸汽量及进气流量变化规律

由图3可知，在32℃至12℃的温降区间内，燃机进气流量随着温度降低而逐渐增加，相对应的燃机功率由112MW大幅度增加至128MW。随着空气降温幅度增大，汽机抽蒸汽量逐渐增加，对应的制冷负荷需求量逐渐增大，且当温度低于19.5℃后，降低空气温度所需冷负荷相对显著增加。这是因为在低于露点温度时，空气中气态水凝结吸收相变潜热的冷量约为显热的2倍，空气深度冷却所需的冷量大幅度增加[19-20]。汽机功率在32℃至22℃降温区间内有较小幅度增加，低于19.5℃后由于抽蒸汽量大幅度增加的原因，汽机功率有所降低。

整体而言，汽机降低的功率小于燃机升高的功率，故联合循环功率随着空气冷却逐渐增加，降温至12℃时联合循环功率由170.3MW 增加到184.5MW，增长了14.2MW。值得注意的是，由于抽取蒸汽作为溴冷机热源减少了汽机出力，在进气温度12℃时联合循环功率仍无法达到机组ISO工况保证功率193.3MW。故在高温季节，燃气电厂虽然可以通过进气冷却技术深度冷却进气温度提高联合循环的功率，但仍较难达到机组保证负荷。

图4所示为进气冷却对燃机和联合循环热耗率的影响规律。分别以进气温度32℃时的燃机和联合循环热耗率为参考值，热耗率相对值定义为不同进气温度下燃机和联合循环热耗率与相应参考值的比值。由图4可知，在降温区间内，燃机热耗率呈线性降低趋势，当温度由32℃降低至12℃时，热耗率相对下降约3%；受制冷所用蒸汽量增加以及燃机排烟温度降低等因素影响，随着进气温度降低，联合循环热耗率呈升高趋势，当温度由32℃下降至22℃和12℃时，热耗率分别相对增加约0.6%和2.3%。综上分析可知，采用吸收式进气冷却方式可以有效提高联合循环功率，但在一定程度上增加了热耗率，降低了天然气发电经济性能，故该技术应用具有一定的局限性。

图4 进气冷却对燃机及联合循环热耗率的影响

3 燃机进气加热技术及应用效果评价

3.1 燃机进气加热技术试验

基于表1运行数据分析得出的联合循环性能在部分负荷工况下随着环境温度升高的变化规律与满负荷工况时相反的这一特征，自主设计安装燃机进气加热系统，对研究对象在部分负荷工况下开展进气加热试验研究。该试验项目为燃机进气加热系统在国内燃气电厂中的首次示范应用。在余热锅炉低压省煤器后加装烟气-水换热器，利用烟气废热加热给水至65℃后经水泵引入燃机进气过滤室气-水换热器中形成吸放热闭式循环水系统。该系统可精确控制空气温升，温度上限设计值为40℃。

在联合循环120MW 时，通过进气加热系统将进气温度由12.5℃提高至35℃。对机组效率及燃气耗量在进气加热前后的模拟与试验数值进行比较，如图5所示。

图5 机组效率及燃气耗量的模拟和试验数值比较

由图5 可知，在进气温度12.5℃时，通过模拟计算得到的燃机和联合循环效率分别为26.40%和46.10%，燃气耗量为5.20kg/s；试验测试得到燃机和联合循环效率分别为26.64%和46.40%，燃气耗量为5.25kg/s，与模拟数值相对误差均小于1%。进口温度由12.5℃提升至35℃时，试验得到的燃机和联合循环效率分别为26.88%和47.10%，燃气耗量为5.16kg/s，与模拟值均具有高度吻合性。以上进一步验证了本文热力系统模型和模拟数值的可靠与准确性，可以通过模拟计算分析进气加热对机组性能的影响。

3.2 燃机进气加热对联合循环部分负荷工况性能的影响

分别在联合循环120MW和160MW时，将燃机进气温度由12.5℃逐渐加热提升至40℃。燃机和汽机功率随进气温升的变化规律如图6所示。

由图6 可知，在120MW 时，燃机输出功率随着进气温度升高有较小幅度降低，由68.64MW 降低至67.9MW，与表1 中燃机实际运行数据趋势一致，相对应的汽机功率随着进气温度升高有较小幅度的提升，维持联合循环功率保持不变；在160MW 时，随着进气温度升高，燃机功率由100.11MW 降低至97.9MW，对应的汽机功率随着进气温度升高而增加，与120MW 时性能变化趋势一致。

图6 部分负荷下进气加热对燃机和汽机功率的影响

图7 及图8 所示为部分负荷下燃机及联合循环效率及热耗率随着进气加热的变化规律。由图7可知，保持联合循环功率80MW、120MW和160MW，在12.5～40℃温升区间内，随着进气温度的提升，燃机效率略有增加，在进气温度40℃时的效率比12.5℃时分别相对升高约0.2%、0.4%和0，同样燃机热耗率分别相对降低1%、1.5%和0。

图7 部分负荷下进气加热对燃机性能的影响

图8 部分负荷下进气加热对联合循环性能的影响

由图8 可知，在3 种定功率工况下，在12.5～40℃温升区间内，联合循环效率随着燃机进气温度的升高均逐渐提高，进气温度升至40℃时的联合循环效率分别为42.40%、47.70%和50.64%，比进气加热前相对提高了0.86%、1.26%和1.11%。热耗率随着进气温度的升高而降低，相比进气加热前分别降低2.0%、2.7%和2.2%。可知，进气加热对联合循环效率提升的幅度大于对顶循环燃机效率的提升幅度。

图9所示为联合循环不同负荷下燃机负荷率随燃机进气温升的变化规律。由图可知，满负荷工况下，燃机负荷率随燃机进气温度升高始终保持为1；在80MW、120MW和160MW这3个部分负荷工况下，当进气温度由12.5℃升高至40℃时，燃机负荷率由0.30、0.53 和0.78 分别增加到0.36、0.64和0.92。

图9 联合循环不同负荷下燃机负荷率随进气温升的变化规律

针对本文研究对象中的燃机，当其负荷率逐渐降低时，燃机进气可转导叶开度逐步关小，进气流量降低，压气机和透平及燃机效率均随之下降，进入联合循环底循环的能量减少，联合循环功率和效率下降[6,8]。反之，在联合循环部分负荷下，保持联合循环3种定功率，通过燃机进气加热可以提高燃机进气体积流量，进而增大进口可转导叶开度，降低进气节流损失，压气机效率显著提高。同时通过进气加热提高了燃机负荷率，燃机效率增加，燃机及联合循环热耗率降低，燃气耗量减少；另外，充分利用低温余热能够有效提高能源的利用效率[21]，从燃气电厂整体角度分析，将底循环中余热锅炉的排烟余热引入顶循环燃机进行回热循环，可以提升联合循环效率[7]。燃机进气加热是燃气电厂低品位余热的一种新型应用。

3.3 燃机进气加热技术应用经济性分析

联合循环在部分负荷80MW、120MW 和160MW 时，燃气耗量随燃机进气加热的变化规律如图10所示。可知，3个部分负荷工况下燃气消耗量随着进气温度升高均逐渐下降，表明在部分负荷工况下，可以通过燃机进气加热技术节省燃气耗量，提高联合循环经济性。以图中120MW 为例，燃气耗量与进气温度的关系曲线可拟合为式(5)。

g=a+bT(5)

式中，a=5.26，b=-0.0053，拟合相关系数为0.9827，燃气耗量与燃机进气温度呈线性关系。在一定温度区间内，进气温度每升高10℃，可节约燃气190kg/h，折合270m3/h。经试验测试，在联合循环120MW 时，燃机进气温升20℃时，天然气耗量下降约为550m3/h，与模拟值吻合。

图10 部分负荷下进气加热对燃气耗量的影响

根据研究对象运行实际，对联合循环进气加热系统年利用小时数和燃机进气温升进行一定简化和假设。由图10 可知，120～160MW 负荷时燃气耗量随进气温升的下降幅度一致，假设联合循环在该负荷区间内且可投入进气加热系统的年利用小时数为3000h，以40℃为限值时平均进气温升幅度为15℃，可节约天然气耗量约为400m3/h，按工业用气价格3CNY/m3计算，可知每台机组全年节能收益为360万元，此进气加热项目示范工程的静态投资约为800万元，故具有较高的投资回报率。同时，通过燃机进气加热技术可以有效解决燃机进气系统在雨雪雾霾等气候下的湿堵和冰堵难题[5]，对保障燃机安全运行具有显著的应用价值。

4 结论

基于某200MW级燃气-蒸汽联合循环机组，通过试验和模拟仿真等方法，研究了燃机进气温度控制技术及其在联合循环全负荷工况下的应用，得出如下结论。

（1）联合循环运行数据分析表明，在满负荷工况时，环境温度升高导致燃机进气质量流量降低及汽机背压升高，联合循环功率和效率随环境温度升高而逐渐降低；在保持部分负荷不变时，环境温度升高使得燃机负荷率提高，联合循环效率增加，燃气消耗量减少。部分负荷下联合循环性能与环境温度间的变化规律与满负荷工况时差异较大。

（2）对联合循环满负荷工况下采用进气冷却技术的性能变化规律进行了仿真分析。当燃机进气温度由32℃降至12℃，联合循环功率可提高14.2MW，热耗率相应增加2.3%；在低于空气露点温度后，进气冷却所需制冷量明显增加。

（3）对联合循环部分负荷工况下利用燃机进气加热技术进行了试验研究和仿真分析。在联合循环80MW、120MW 和160MW 这3 种定负荷工况下，通过烟气余热将燃机进气温度由12.5℃升高到40℃时，燃机功率略有降低，燃机效率有小幅度增加，燃气耗量逐渐降低，联合循环效率分别提升0.86%、1.26%和1.11%。进气加热对联合循环效率提升的幅度大于对燃机效率的提升幅度。

（4）燃机进气温度控制技术建立了联合循环底循环与顶循环的耦合，在一定的联合循环负荷和进气温度范围内调节燃机进气温度可有效改善联合循环性能，具有较高的研究和应用价值。