如何提高燃气轮机装置的热效率

　　摘要：燃气轮机的性能由于受到环境温度的影响很大，随着大气温度的升高，燃气轮机出力严重下降，效率降低，特别是夏季高温时刻，更需要提高燃气轮机装置的热效率。本文介绍了几种型式的进气冷却技术，使燃气轮机常年稳定在低进气温度下运行,提高其热效率。
　　关键词：燃气轮机；热效率；进气冷却
　　前言：由于燃气轮机的热力循环一般为工质取自大气的开式循环，所以环境温度对其输出功率的影响很大。夏季高温时刻，这是电网迫切需要燃气轮机电厂以最大出力顶峰发电的关键时刻，然而随着气温的升高，燃气轮机的输出功率反而下降，热耗率却增加，使调峰的能力受到很大影响。对于天然气处理和化工装置，夏季是原料气充足的季节，燃气轮机输出功率下降，装置生产能力不足，效益下降。因此，如何提高燃气轮机装置的热效率，已成为燃气轮机发电部门需要解决的重要问题。
　　1.几种主要的进气冷却技术
　　消除环境温度升高对燃气轮机出力的影响，提高燃气轮机装置的热效率最为有效的措施是对燃气轮机进口空气进行冷却。燃气轮机进气冷却的实质是散去进气中的热量，其措施是通过热交换器用冷却系统中的冷媒水带走这些热量。采用先进的进气冷却技术，使燃气轮机在夏季高温时刻稳定在低进气温度下运行，保持燃气轮机大出力和高效率。目前，燃气轮机进口空气冷却技术主要有两大类型：制冷式冷却技术和蒸发式冷却技术。
　　1.1制冷式冷却技术
　　制冷式冷却技术利用制冷系统降低燃气轮机进气的温度，是通过在燃气轮机进气道内安装热交换器来实现的。热交换器主要有直接接触式和非直接接触式有两种类型。直接接触式热交换器是把冷却塔中的介质式材料垂直横放在气流当中，通过制冷系统产生的低温冷却水从上到下喷淋，与空气形成对流对，降低燃气轮机进气的温度。直接接触式热交换器对燃气轮机进气造成的阻力较小，且前期投资小。但是由于其要进行连续排污，污水处理耗水量较大，甚至可能出现微生物的滋生累积，后期大量增加维护费用。非直接接触式一般采用管翅式结构，冷流体在管道内部流动，空气则在管道外翅片侧流动。这种换热器与常规管翅式换热器不同，空气中凝水的分离、收集与排出需要特别考虑。
　　目前燃气轮机进气制冷式冷却方式应用比较广泛的主要有吸收式制冷冷却和压缩式制冷冷却两种方式。
　　1.1.1压缩式制冷冷却
　　压缩式制冷冷却方式一般利用压缩式制冷循环，通过消耗机械功(电力)获得冷源。此方式优点是获得的制冷温度较低，且初期投资比较小，大约只需要吸收式制冷一半左右；压缩式制冷系统用于燃气轮机的进气冷却，最大的缺点是需要消耗的电力数量较大，还有就是随制冷负荷的降低其效率会大幅度下降。这一缺点会给设计点(设计制冷容量)的选定造成特别大的困难。即使选定的设计点非常合理了，但随着大气温度变化，无法保证系统的稳定高效运行，进而会影响燃气轮机运行经济性的提高。
　　1.1.2吸收式制冷冷却
　　吸收式制冷装置有氨吸收式制冷和溴化锂吸收制冷两种型式。其中氨吸收式制冷优点是可获得的制冷温度较低，缺点是设备庞大、占地面积过大且造价高、防爆等级要求较高。因此，目前在燃机进气吸收式制冷冷却系统中主要采用溴化锂吸收式制冷装置。
　　吸收式制冷系统可以利用低位热能进行制冷，对于余热相对较为丰富的燃气轮机装置而言是一个突出的优点。通常情况下吸收式制冷系统所需热量约占燃机透平余热的5%左右，并视当地气候条件等因素有所变化。由于吸收式制冷系统能够利用燃机的余热而不以消耗电力作为代价进行制冷，因此对提高机组运行的经济性极为有利。吸收式制冷的另一特点是在制冷负荷变化较大时(20%～100%)，其效率基本维持在一个较高的水平，这一点对燃气轮机装置的进气冷却也非常有利，特别是对于那些气温变化较大的地区。
　　吸收式制冷冷却系统所存在的缺点是初期投资太大，吸收式制冷装置关键的部件不需要转动，因此其后期维护费用相当低，一定程度上可弥补这一缺点。吸收式制冷系统同时具有优良的环保性能，其工质对大气层无破坏作用，且其运行时基本没有振动，几乎没有噪音。吸收式制冷冷却进气系统在国内外的燃气轮机装置应用领域，目前在工程应用中已经有了许多成功的案例。
　　根据制冷系统的不同形式，还有蒸汽喷射式制冷冷却、吸收式制冷和压缩式制冷混合式冷却等多种类型。
　　1.2蒸发式冷却
　　蒸发式冷却技术的原理是利用液态水经过蒸发汽化时所吸收的汽化潜热来降低空气温度。当未饱和的空气接触液态水时，空气和水之间就会产生传热、传质过程，水蒸发时就将空气的闪热变为其所需要吸收的潜热，从而使空气温度降低。常用的蒸发式冷却方法有两种：第一种方法是将湿膜蒸发冷却器安装在燃气轮机进口空气过滤器下游侧的空气通道中，通过喷洒水在湿膜蒸发冷却器上面，使水分蒸发进而冷却进口空气。第二种方法俗称喷雾冷却，就是直接将水雾化后喷入进气道中，使其对进气进行冷却。进气喷雾冷却系统主要包括以下设备：喷嘴矩阵、水泵模块与钢架、排水装置及与之配套的电气、仪控、管路等。采用第二种方法必须控制空气的携水率，一般不得超过燃气轮机厂商规定携水率的范围，否则会影响其性能。向燃气轮机进气中喷入的水雾最终将随气流进入燃机压气机，如果水不纯含有微量的杂质,杂质会附着在压气机叶片表面上引起叶片的腐蚀，所以要求喷雾冷却喷入的水质具有相当高的纯净度。蒸发喷雾冷却系统简单,投资省、运行维护方便、耗功较少。
　　结束语：
　　采用进气喷雾冷却技术能够有效提高燃气轮机发电机组的出力,降低热耗率。实践表明冷却的效果会随着空气自身湿度的增加逐渐变弱,当相对湿度超过75%后,冷却几乎没有效果,喷雾降温后出力基本不会增加,甚至热耗率会上升。相对湿度越低，蒸发冷却获益越大，因此蒸发冷却比较适合在干燥炎热的地区使用。建议空气湿度常年保持在75%以上的地区采用制冷式冷却技术。利用进气冷却技术能够有效地提高燃气轮机的热效率，增大燃气轮机出力，可以取得一定的经济效益。对于不同地区的燃气轮机电厂，应根据当地的空气相对湿度灵活选择合适的进气冷却方式。
　　参考文献：
　　[1]何语平,祝耀坤.采用进气冷却技术提高燃气轮机的出力和热效率[J].浙江电力,2004,23(3):25-29.

《如何提高燃气轮机装置的热效率》

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