燃氣輪機進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的設計及效果分析

摘 要

摘要：論述了燃氣輪機發(fā)電機組進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的工作原理、主要設計參數(shù)，采用典型氣象年逐時氣象參數(shù)對其全年運行效果進行了分析。采用進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)后，發(fā)電量增加，發(fā)電效率
摘要：論述了燃氣輪機發(fā)電機組進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的工作原理、主要設計參數(shù)，采用典型氣象年逐時氣象參數(shù)對其全年運行效果進行了分析。采用進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)后，發(fā)電量增加，發(fā)電效率提高，熱耗率減小。
關鍵詞：燃氣輪機發(fā)電機組；進氣冷卻；蒸發(fā)冷卻；逐時計算
Design and Effectiveness Analysis of Gas Turbine Inlet Air Evaporative Cooling System
XIN Junzhe，XIN Lihu，LIU Jinxing
Abstract：The working principle and main design parameters of inlet air evaporative cooling system for gas turbine generator are described，and its operation effectiveness is analyzed by the hourly weather parameters in typical meteorological year.The power generation increases，the power generation efficiency is improved，and the heat consumption rate decreases after use of the inlet air evaporative cooling system.
Key words：gas turbine generator set；inlet air cooling；evaporative cooling；hourly calculation
1 概述
    燃氣輪機的發(fā)電功率和效率與空氣進氣溫度密切相關，隨著大氣溫度升高，空氣密度降低，導致流經(jīng)燃氣輪機進氣道的空氣質(zhì)量流量減少，引起燃氣輪機發(fā)電功率下降。通常這種發(fā)電功率的減小恰恰發(fā)生在電力負荷較大的時候。據(jù)研究，環(huán)境溫度升高1℃最大可導致燃氣輪機額定發(fā)電能力下降1%[1]。另外，壓氣機的耗功量隨吸入空氣的熱力學溫度成正比，即大氣溫度升高時，壓氣機的耗功量也會增加[2]。因此，對燃氣輪機進氣的冷卻具有很重要的意義。
    燃氣輪機進氣冷卻的方式一般有蒸發(fā)冷卻、電制冷、冰蓄冷制冷、蒸汽或熱水制冷。其中蒸發(fā)冷卻方式由于設備簡單、造價低廉、耗能低、使用維護方便、冷卻效果好、在冷卻的同時增加空氣的含濕量等特點而越來越得到廣泛的使用。尤其是由于其冷卻效果主要受空氣干濕球溫差的影響，特別適合于我國新疆這種全年相對濕度較低的地區(qū)。基于此，新疆克拉瑪依電廠在2007年購買燃氣輪機發(fā)電機組時，就論證了該燃氣輪機使用進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的技術可行性。經(jīng)過近兩年的建設，該系統(tǒng)已于2009年2月正式投入使用。
2 燃氣輪機發(fā)電機組主要性能參數(shù)
    PG6111FA型燃氣輪機發(fā)電機組的標準工況(額定工況)為：環(huán)境溫度為15℃，大氣絕對壓力為97.8kPa、相對濕度為48%(即含濕量為5.25g/kg)。在標準工況下，該燃氣輪機發(fā)電功率為73640kW，單位時間耗熱量為750.4×106kJ/h，熱耗率(指每生產(chǎn)1kW·h電所消耗的熱量)為10190kJ/(kW·h)，排氣質(zhì)量流量為735.3×103kg/h，排氣溫度為600.6℃，燃料是天然氣。在非標準工況下(環(huán)境相對濕度為48%，大氣絕對壓力為97.8kPa)，燃氣輪機進氣溫度與性能參數(shù)的關系見圖1，圖1中設計比例是指燃氣輪機非標準工況下的性能參數(shù)與標準工況下的性能參數(shù)之比。在環(huán)境溫度為15℃、大氣壓力為97.8kPa時，燃氣輪機空氣進氣含濕量與性能參數(shù)的關系見圖2，圖2中含濕量是每1kg干空氣中含有水的質(zhì)量，修正系數(shù)是指非IS0標準空氣進氣含濕量時燃氣輪機的性能參數(shù)與IS0標準空氣進氣含濕量下燃氣輪機的性能參數(shù)之比。
 

3 進氣冷卻系統(tǒng)設計
3.1 裝置工作原理
   燃氣輪機進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)中蒸發(fā)冷卻是指直接蒸發(fā)冷卻，是利用水在空氣中蒸發(fā)時吸收潛熱來降低空氣溫度，在焓濕圖上表示為等焓加濕過程，理想狀態(tài)下，空氣在等焓加濕后可達到濕球溫度。當未飽和空氣與水接觸時，兩者之間會發(fā)生傳熱、傳質(zhì)過程，空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為水蒸發(fā)時所吸收的潛熱，從而空氣溫度降低。所使用的水可以是循環(huán)水，也可以是直流水。采用直流水可以大大減小系統(tǒng)結垢的風險，因此本系統(tǒng)采用直流水，經(jīng)進氣冷卻系統(tǒng)后的水再回收用于其他用途。
    進氣蒸發(fā)冷卻裝置工作原理見圖3。它由濕簾、布水器、除水板、水箱及一些附屬設備組成。其工作原理是：經(jīng)全膜法處理后的冷卻水經(jīng)閥1調(diào)節(jié)送至濕簾頂部的布水器后均勻地灑在濕簾表面，由于重力作用冷卻水自上往下如水簾灑下?？諝馐紫冉?jīng)過濾器過濾，除去雜質(zhì)，然后再進入蒸發(fā)冷卻裝置，與濕簾中自上而下的冷卻水進行熱濕交換。部分水因吸收空氣的顯熱汽化蒸發(fā)后變成水蒸氣，未蒸發(fā)的水流回水箱，排出后用于其他用途?？諝庖蚴ワ@熱而溫度降低，同時因融進了部分水蒸氣而使其相對濕度增加。空氣與水蒸氣的混合物流向下游的除水板，其中的小水滴和部分水霧在除水板上凝結成大水滴，并在重力的作用下落入水箱，降低了進氣的攜水率，減少了壓氣機因進氣空氣水量增加而導致的負荷消耗；同時空氣中的微小塵埃也隨水滴落入水箱，淋灑下來的冷卻水對空氣還起到了水洗除塵的輔助效果，避免了進氣中的微量雜質(zhì)對燃氣輪機葉片的腐蝕。
 

3.2 濕簾規(guī)格尺寸的確定
    濕簾采用GLASdek7090系列。對于該系列的濕簾，考慮到盡量減少濕簾后攜水的可能性，其迎面風速一般取2.5m/s，最高一般不超過3.2m/s。單個濕簾高度一般也不應超過3600mm，這是因為單個濕簾高度越高，其蒸發(fā)所需的水量越大，在濕簾頂部的淋水量也就越大，攜水的風險相應也就越大。本系統(tǒng)由于處理風量比較大，高度和寬度方向分別3等分，共9塊濕簾，每1等分方格內(nèi)采用1塊高度為3200mm，寬度為2200mm的濕簾。9塊濕簾的平均迎面風速為2.64m/s，處于安全范圍之內(nèi)。
    濕簾的厚度主要影響到濕簾的蒸發(fā)冷卻效率和空氣阻力。濕簾越厚，其蒸發(fā)冷卻效率越高，但同時空氣的阻力也越大。由于濕簾的阻力比較小，一般不超過300Pa，其對燃氣輪機的性能影響很小。因此，在選取蒸發(fā)冷卻濕簾的厚度時，一般主要考慮厚度對蒸發(fā)冷卻效率的影響。本系統(tǒng)要求蒸發(fā)冷卻效率不低于85%。根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)廠家所提供的蒸發(fā)冷卻效率曲線，選該蒸發(fā)冷卻濕簾的厚度為250mm，空氣阻力相應可查得為170Pa。
3.3 水質(zhì)控制
    對蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)而言，由于水不斷蒸發(fā)，溶于水中的礦物質(zhì)會析出并沉積在濕簾表面上形成水垢。濕簾表面大量的水垢會影響濕簾的蒸發(fā)冷卻效率和使用壽命。目前，在燃氣輪機進氣冷卻系統(tǒng)中，一般針對不同的補水硬度(以CaC03計，質(zhì)量分數(shù))通過控制排水率(即排水質(zhì)量與蒸發(fā)水質(zhì)量之比)的方法來抑制水垢的產(chǎn)生。最小排水率通常采用圖4的曲線來確定[3]。
 

    新疆克拉瑪依地區(qū)的地表水水質(zhì)偏堿性[4]，硫酸鹽濃度偏大，水的總硬度(質(zhì)量分數(shù))高達250×10-6以上，遠遠超過圖4的取值范圍。故不允許直接用該地區(qū)的地表水作為蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)用水，必須對其進行預處理后才能使用。蒸發(fā)冷卻用水預處理有致垢離子去除法、pH值降低法以及阻垢劑法等多種方法?？紤]到克拉瑪依地區(qū)水源短缺，本系統(tǒng)采用全新的全膜法水處理技術，經(jīng)處理后的補充水硬度為0。這樣，根據(jù)圖4的曲線，可查得此時的最小排水率為0.5，即排水量僅僅為蒸發(fā)量的一半即可保證系統(tǒng)的安全運行。
    全膜法(Integrated Membrane Technology，IMT)水處理技術就是包含超濾(UF)、反滲透(RO)和電去離子(EDI)等多種方式的集成膜法水處理技術[5]。其中，超濾(UF)是為了將水中的懸浮物、膠體、蛋白質(zhì)和微生物等大分子物質(zhì)截留，確保R0的安全可靠運行而采取的預處理；反滲透(RO)是在壓力的驅(qū)動下，選擇性地除去98%以上的無機離子；而采用電去離子(EDI)是為了徹底擺脫酸堿消耗和改善大氣環(huán)境(EDI工藝無需排放酸堿廢水，是綠色環(huán)保技術)。該全膜水處理法徹底改變了傳統(tǒng)的蒸發(fā)冷卻補充水靠離子交換，用食鹽(NaCl)換軟水，用酸堿換除鹽水的方式，將以浪費資源、污染環(huán)境為代價的“投入換取法”變?yōu)橹蝗〔煌兜?ldquo;分離提取”法。其工藝流程為：清水泵來水(自來水)→多介質(zhì)過濾器→絲網(wǎng)過濾器→超濾器→超濾產(chǎn)水箱→一級反滲透給水泵→精濾過濾器→一級反滲透高壓泵→一級反滲透裝置→級間水箱→二級反滲透給水泵→二級反滲透高壓泵→二級反滲透裝置→電去離子給水箱→電去離子給水泵→精濾過濾器→電去離子裝置→除鹽水箱→除鹽水泵→蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。其中，多介質(zhì)過濾器是為了保護超濾膜，去除水中的懸浮物、膠體、有機物；絲網(wǎng)過濾器是為了防止沙粒劃傷超濾膜。
3.4 水系統(tǒng)的設計
    濕簾淋水流量主要受蒸發(fā)量和濕簾后攜水量的影響。為了盡量減少攜水量和結垢的可能性，本系統(tǒng)采用直流式水系統(tǒng)，即補充給蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的水直接送往濕簾頂部淋下，一部分水在淋下過程中與空氣接觸蒸發(fā)，而未蒸發(fā)的水則直接流入水箱并排走。按照前述的排水率計算，本系統(tǒng)最多有2/3的淋水量用于蒸發(fā)，相應即最少有1/3的淋水量直接排掉。
直接蒸發(fā)冷卻的空氣處理過程的蒸發(fā)冷卻效率定義為：
 
式中η——直接蒸發(fā)冷卻效率
    T1——蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進口空氣干球溫度，℃
    T2——蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)出口空氣干球溫度，℃
    Twb——蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進口空氣濕球溫度，℃
   蒸發(fā)量的計算是以新疆克拉瑪依地區(qū)極端氣候參數(shù)為條件，溫度為50℃，相對濕度為10%，大氣絕對壓力為97.8kPa。這樣，該系統(tǒng)的最大蒸發(fā)量為：
    E=3.69m,aη(dwb-d1)    (2)
式中E——水的蒸發(fā)量，kg/h
qm,a——蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進口空氣的質(zhì)量流量(以干空氣計)，kg/s
    dwb——蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進口空氣濕球溫度下的飽和含濕量，g/kg
    d1——蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)進口空氣含濕量，g/kg
   據(jù)此，當qm,a為203kg/s，η為85%，dwb為19.13g/kg，d1為7.91g/kg時代入式(2)可求出系統(tǒng)的最大蒸發(fā)量為6970kg/h，可確定本系統(tǒng)的淋水量(即耗水量)為10455kg/h。其中最多有6970kg/h水被蒸發(fā)，最少有3485kg/h水被排出。
3.5 除水板的設計
   盡管從理論上講，只要設計正確，蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是不會產(chǎn)生攜水問題的。但由于下述原因，系統(tǒng)仍然會產(chǎn)生攜水[3]：
   ① 濕簾損壞：將濕簾拆下重新裝回時，濕簾的邊緣很容易破壞。在破壞之處，很容易出現(xiàn)攜水的現(xiàn)象。
   ② 布水器部分孔口堵塞：當冷卻系統(tǒng)使用時間較長時，布水器部分孔口會發(fā)生堵塞，造成淋水不均勻，局部水量過多將會產(chǎn)生攜水現(xiàn)象。
   ③ 濕簾表面結垢：當冷卻系統(tǒng)使用時間較長后，濕簾的表面常常會出現(xiàn)結垢現(xiàn)象。大量的結垢會導致蒸發(fā)冷卻性能降低和流通面積減小，從而也會引起攜水現(xiàn)象。
    ④ 運行操作不當：當濕簾尚未完全濕透時，如果開啟燃氣輪機就有可能導致空氣攜水。
   對燃氣輪機而言，空氣夾帶水滴將有可能使壓氣機葉片表面受水滴侵蝕。為防止進入燃氣輪機的空氣攜水率過大，一般情況下都要在濕簾后加除水板。通常除水板采用百葉式結構。本系統(tǒng)選用LMDS型除水板，其在設計風速下對100μm及以上水滴的去除效率達99.9%，而其增加的阻力約為80Pa。
4 全年預期效果分析
4.1 典型氣象年逐時氣象參數(shù)
    典型氣象年是在建筑熱環(huán)境分析中引入的一個概念，它是以近30年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎，在近10年的氣象數(shù)據(jù)中挑選出來的能充分反映長期的氣象變化規(guī)律的全年逐時氣象數(shù)據(jù)，其具體生成辦法見文獻[6]。從文獻[6]中可以得到新疆克拉瑪依典型氣象年全年8760h干球溫度、濕球溫度和相對濕度的逐時數(shù)據(jù)。
4.2 進氣冷卻系統(tǒng)在典型氣象年的效果分析
    根據(jù)克拉瑪依典型氣象年全年8760h干球溫度、濕球溫度和相對濕度的逐時數(shù)據(jù)以及圖1、2的PG6111FA型燃氣輪機發(fā)電機組在非標準工況下的進氣溫、濕度與性能參數(shù)的關系曲線，我們可以計算出該燃氣輪機發(fā)電機組在沒有安裝進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)時的全年8760h的總發(fā)電量為641467MW·h，總耗熱量為6434.352×106MJ，熱耗率為10.031MJ/(kW·h)。
    要使燃氣輪機進氣冷卻系統(tǒng)能夠正常工作，則其蒸發(fā)冷卻溫度不能過低，以防系統(tǒng)結冰導致燃氣輪機產(chǎn)生故障。若以環(huán)境空氣濕球溫度是否高于5℃作為進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是否運行的條件，并且系統(tǒng)啟閉時間間隔以h為單位，從文獻[6]得到克拉瑪依地區(qū)全年的8760h中，可以使用蒸發(fā)冷卻的時間為5252h，占全年總時間的60.0%。同樣，根據(jù)上述計算過程，我們可以計算出該燃氣輪機發(fā)電機組在沒有安裝進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)時在此5252h內(nèi)的總發(fā)電量為358362MW·h，總耗熱量為3698.824×106MJ，熱耗率為10.321MJ/(kW·h)。
    燃氣輪機發(fā)電機組在加裝了進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)后，其將會因濕簾和除水板的增加使進氣阻力增加250Pa。根據(jù)有關資料，進氣壓力損失每增1kPa將會使發(fā)電效率減少1.5%，熱耗率增加0.5%。由此將會使機組發(fā)電效率減少0.375%，熱耗率增加0.125%。
    對此PG6111FA型燃氣輪機發(fā)電機組，根據(jù)典型氣象年逐時氣象數(shù)據(jù)和進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可計算出全年可使用進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的5252h逐時發(fā)電功率和耗熱量。
    通過對進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)逐時發(fā)電功率和耗熱量的計算顯示，PG6111FA型燃氣輪機發(fā)電機組在采用了進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的5252h運行時間內(nèi)，其總的發(fā)電量為374041MW·h，總的耗熱量為3798.960×106MJ，與同時間(5252h)未采用進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)相比分別增加了15679MW·h和100.136×106MJ。按增加的比例來算，分別增加了4.4%和2.7%。全年8760h相比，比未采用進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，增加的比例分別為2.4%和1.6%。由此可見，采用進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)所增加的發(fā)電量是顯著的。另外，在增加發(fā)電量的同時，也增加了耗熱量，但耗熱量的增加比例小于發(fā)電量的增加比例。說明采用進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)后，系統(tǒng)熱耗率減小了。熱耗率在5252h內(nèi)，由原來的10.321MJ/(kW·h)降至10.157MJ/(kW·h)。按全年8760h計算，也由原來的10.031MJ/(kW·h)降至9.944MJ/(kW·h)。
    通過對進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)逐時發(fā)電效率進一步進行分析發(fā)現(xiàn)，在可以使用進氣蒸發(fā)冷卻的5252h內(nèi)，加裝蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)使發(fā)電效率增加低于2%的時間較少，等于670h，僅占總運行時間(5252h)的12.8%，也就是說在蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)運行的5252h內(nèi)，有87.2%的時間，其可以使機組的發(fā)電效率增加2%以上；發(fā)電效率增加在2%～8%的時間為4169h，占總時間的79.4%；發(fā)電效率增加大于8%的時間也比較少，為423h，占總時間的7.8%；最高可增加11.19%。
5 結論
    ① 蒸發(fā)冷卻技術在新疆克拉瑪依地區(qū)燃氣輪機進氣冷卻中具有很大的適用性。在全年的8760h中，可以使用蒸發(fā)冷卻的時間為5252h，占全年總時間的60.0%。
    ② 蒸發(fā)冷卻技術在新疆克拉瑪依地區(qū)燃氣輪機進氣冷卻中具有顯著的應用效果。在可使用蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的時間里，蒸發(fā)冷卻后發(fā)電效率增加比例大于2%的時間有87.2%之多，增加比例最高可達11.19%。機組發(fā)電量同比(5252h)可增加4.4%，全年(8760h)相比發(fā)電量也有2.4%的增幅。
    ③ 采用進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)后，燃氣輪機發(fā)電機組的熱耗率也有一定的減小，提高了能源利用率。熱耗率在5252h時間內(nèi)，由原來的10.321MJ/(kW·h)降至10.157MJ/(kW·h)。按全年8760h的總值計算，也由原來的10.031MJ/(kW·h)降至9.944MJ/(kW·h)。
    ④ 對燃氣輪機進氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，應綜合考慮濕簾的攜水、蒸發(fā)冷卻效率、空氣阻力以及當?shù)氐乃|(zhì)情況，進行系統(tǒng)的方案設計和系統(tǒng)各參數(shù)的確定。
參考文獻：
[1] MOHANTY B，PALOSO G.Enhancing gas turbine performance by intake air cooling using an absorption chiller[J].Heat Recovery Systems＆CHP，1995，15(1)：41-50.
[2] 焦樹建.燃氣-蒸汽聯(lián)合循環(huán)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002：35-36.
[3] JOHNSON R S.The theory and operation of evaporative coolers for industrial gas turbine installations[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1989，111(2)：327-334.
[4] 吳文強，陳助濤，姜卉芳.克拉瑪依市地表水環(huán)境變化趨勢分析[J].新疆農(nóng)業(yè)大學學報，2005，28(1)：73-76.
[5] 胡勃.全膜法水處理系統(tǒng)在鍋爐補給水處理中的應用[J].科協(xié)論壇，2009(4)：91-91.
[6] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室，清華大學建筑技術科學系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2005：30-36.
 
(本文作者：辛軍哲1 辛黎虎2 劉金星1 1.廣州大學 廣東廣州 510006；2.新疆克拉瑪依電廠 新疆克拉瑪依 834009)