浅谈进气温度对燃机联合循环性能的影响

严志远

（国电环境保护研究院有限公司，江苏 南京 210033）

0 前言

燃机是以空气为做功介质的旋转设备，因此空气温度对燃机及联合循环的性能影响较大。关于空气温度对燃机联合循环机组性能影响的研究，大多数是针对燃机满负荷运行工况展开的。研究结果指出燃机是定容运行设备，环境温度升高，燃机效率和负荷均会下降[1-3]，进气冷却可以提高燃机效率及联合循环的满负荷出力[4-6]。受制于国内发电政策，燃机联合循环机组多承担调峰任务，以部分负荷运行。在国内燃机较多的省份，例如北京、天津、广东和江苏等地，燃机负荷率为50%～80%。在此区间内，燃机热耗大幅增加，从 图1中可以看到，燃机负荷率为50%时，燃机热耗增加约30%。实践表明，通过加热燃机入口空气可以有效地提高燃机联合循环机组热效率。

为了深入研究进气加热对燃机及联合循环的性能影响，该文基于Thermoflex软件燃气-蒸汽联合循环热力系统模型，从机组及系统方面分析进气加热对联合循环性能的影响。

1 进气温度对单燃机性能影响

对于燃机来说，进气温度即环境温度。表1为北京某燃机电厂在不同环境温度（进气温度）下，燃机负荷、燃料流量、IGV角度和燃机效率的实际运行数据，从数据中可以发现，在燃机负荷保持不变的情况下，从冬季变化到夏季，环境温度（进气温度）升高20.81 ℃时，IGV角度增加了3.16°，燃机效率增加了0.6%，当环境温度（进气温度）升高到24.79 ℃时，燃机效率增加幅度更大，为0.86%。

表1 环境温度对某燃机运行性能影响数据表

应用ThermoFlex热平衡通用计算软件分析了环境温度（进气温度）对燃机性能的影响，燃机热耗变化如图2所示。可以看到，随着环境温度（进气温度）的升高，燃机热耗（效率）在逐渐降低（升高），且随着负荷的增加，变化的幅度在逐渐减小。

图1 燃机热耗随负荷率变化曲线（以100%负荷时为基准）

图2 某燃机热耗随进气温度变化曲线

2 进气加热对联合循环性能影响

某F级燃气蒸汽联合循环机组性能保证工况数据作为模型设计依据，见表2。在Thermoflex软件上建立该联合循环机组热力系统模型，分析加热燃机入口空气对联合循环性能影响。在该模型中，不考虑热源，直接改变燃机进气温度。

表2 计算设计参数

2.1 进气加热对联合循环性能影响

对该F级联合循环机组进行热平衡计算，得到全厂热耗、燃机负荷、燃机热耗变化曲线，如图3～图5所示。其中，200 MW对应50%负荷、300 MW对应80%负荷。

图3 全厂热耗随进气温度变化曲线

图3为联合循环全厂热耗随进气温度的变化曲线。可以看到，进气温度的提高可以有效降低部分负荷工况下联合循环机组的热耗，而且联合循环机组负荷越低，热耗降低幅度越大，如进气温升20 ℃，联合循环机组为200 MW（50%负荷）时，热耗降低102 kJ/kWh，联合循环机组为300 MW（80%负荷）时，热耗降低76 kJ/kWh。

图4为进气温度变化时，联合循环中燃机负荷的变化曲线。联合循环机组以部分负荷运行，总出力保持一定，随着进气温度的提高，燃机和汽机负荷会进行再分配，燃机负荷会降低，且全厂负荷越高，燃机负荷降低幅度越大，如进气温升20 ℃，联合循环机组为200 MW（50%负荷）时，燃机负荷降低1.3 MW，联合循环机组为300 MW（80%负荷）时，燃机负荷降低2 MW。

图5为进气温度变化时，联合循环中燃机热耗的变化曲线。图5和图2中的变化曲线表现出不同的变化规律。对图5的理解，需要结合图1、图2和图4来进行分析。燃机在负荷降低时燃机热耗会增加（图1），提高进气温度可以使以部分负荷工况运行的燃机热耗降低（图2），对于联合循环机组，提高进气温度时燃机负荷会下降（图4），所以在提高进气温度及燃机负荷下降的综合作用下，燃机热耗变化较为复杂，呈现先增加后降低或者直接降低的趋势。

图4 燃机负荷随进气温度变化曲线

图5 燃机热耗随进气温度变化曲线

2.2 进气加热经济性分析

如果联合循环机组以某一部分负荷运行5 000 h，进气加热的热源为电厂低品位废热，即不考虑热源的经济性，机组每年节省天然气流量如图6所示。可以看到，进气温升20 ℃时，年节省天然气流量约303万Nm3～337万Nm3，如果按照天然气价2.4元/Nm3计算，年节约727 万元～808万元。

图6 节省天然气流量随进气温度变化曲线

3 结论

该文基于Thermoflex软件，建立了某燃机联合循环热力系统模型，从机组及系统分析了进气加热对联合循环的性能影响，得到3个结论：1）燃机或联合循环以部分负荷运行时，提高进气温度可以有效地改善燃机及联合循环运行性能，提高燃机或联合循环机组运行效率。2）联合循环机组以部分负荷运行，提高进气温度会降低燃机负荷，使燃机效率呈现了较复杂的变化趋势。3）对于长期部分负荷运行的燃机联合循环机组，采用低品位余热或废热作为进气加热热源，可以节省大量天然气成本。