燃气轮机进气蒸发冷却系统的设计及效果分析

摘 要

摘要：论述了燃气轮机发电机组进气蒸发冷却系统的工作原理、主要设计参数，采用典型气象年逐时气象参数对其全年运行效果进行了分析。采用进气蒸发冷却系统后，发电量增加，发电效率
摘要：论述了燃气轮机发电机组进气蒸发冷却系统的工作原理、主要设计参数，采用典型气象年逐时气象参数对其全年运行效果进行了分析。采用进气蒸发冷却系统后，发电量增加，发电效率提高，热耗率减小。
关键词：燃气轮机发电机组；进气冷却；蒸发冷却；逐时计算
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
    燃气轮机的发电功率和效率与空气进气温度密切相关，随着大气温度升高，空气密度降低，导致流经燃气轮机进气道的空气质量流量减少，引起燃气轮机发电功率下降。通常这种发电功率的减小恰恰发生在电力负荷较大的时候。据研究，环境温度升高1℃最大可导致燃气轮机额定发电能力下降1%[1]。另外，压气机的耗功量随吸入空气的热力学温度成正比，即大气温度升高时，压气机的耗功量也会增加[2]。因此，对燃气轮机进气的冷却具有很重要的意义。
    燃气轮机进气冷却的方式一般有蒸发冷却、电制冷、冰蓄冷制冷、蒸汽或热水制冷。其中蒸发冷却方式由于设备简单、造价低廉、耗能低、使用维护方便、冷却效果好、在冷却的同时增加空气的含湿量等特点而越来越得到广泛的使用。尤其是由于其冷却效果主要受空气干湿球温差的影响，特别适合于我国新疆这种全年相对湿度较低的地区。基于此，新疆克拉玛依电厂在2007年购买燃气轮机发电机组时，就论证了该燃气轮机使用进气蒸发冷却系统的技术可行性。经过近两年的建设，该系统已于2009年2月正式投入使用。
2 燃气轮机发电机组主要性能参数
    PG6111FA型燃气轮机发电机组的标准工况(额定工况)为：环境温度为15℃，大气绝对压力为97.8kPa、相对湿度为48%(即含湿量为5.25g/kg)。在标准工况下，该燃气轮机发电功率为73640kW，单位时间耗热量为750.4×106kJ/h，热耗率(指每生产1kW·h电所消耗的热量)为10190kJ/(kW·h)，排气质量流量为735.3×103kg/h，排气温度为600.6℃，燃料是天然气。在非标准工况下(环境相对湿度为48%，大气绝对压力为97.8kPa)，燃气轮机进气温度与性能参数的关系见图1，图1中设计比例是指燃气轮机非标准工况下的性能参数与标准工况下的性能参数之比。在环境温度为15℃、大气压力为97.8kPa时，燃气轮机空气进气含湿量与性能参数的关系见图2，图2中含湿量是每1kg干空气中含有水的质量，修正系数是指非IS0标准空气进气含湿量时燃气轮机的性能参数与IS0标准空气进气含湿量下燃气轮机的性能参数之比。
 

3 进气冷却系统设计
3.1 装置工作原理
   燃气轮机进气蒸发冷却系统中蒸发冷却是指直接蒸发冷却，是利用水在空气中蒸发时吸收潜热来降低空气温度，在焓湿图上表示为等焓加湿过程，理想状态下，空气在等焓加湿后可达到湿球温度。当未饱和空气与水接触时，两者之间会发生传热、传质过程，空气的显热转化为水蒸发时所吸收的潜热，从而空气温度降低。所使用的水可以是循环水，也可以是直流水。采用直流水可以大大减小系统结垢的风险，因此本系统采用直流水，经进气冷却系统后的水再回收用于其他用途。
    进气蒸发冷却装置工作原理见图3。它由湿帘、布水器、除水板、水箱及一些附属设备组成。其工作原理是：经全膜法处理后的冷却水经阀1调节送至湿帘顶部的布水器后均匀地洒在湿帘表面，由于重力作用冷却水自上往下如水帘洒下。空气首先经过滤器过滤，除去杂质，然后再进入蒸发冷却装置，与湿帘中自上而下的冷却水进行热湿交换。部分水因吸收空气的显热汽化蒸发后变成水蒸气，未蒸发的水流回水箱，排出后用于其他用途。空气因失去显热而温度降低，同时因融进了部分水蒸气而使其相对湿度增加。空气与水蒸气的混合物流向下游的除水板，其中的小水滴和部分水雾在除水板上凝结成大水滴，并在重力的作用下落入水箱，降低了进气的携水率，减少了压气机因进气空气水量增加而导致的负荷消耗；同时空气中的微小尘埃也随水滴落入水箱，淋洒下来的冷却水对空气还起到了水洗除尘的辅助效果，避免了进气中的微量杂质对燃气轮机叶片的腐蚀。
 

3.2 湿帘规格尺寸的确定
    湿帘采用GLASdek7090系列。对于该系列的湿帘，考虑到尽量减少湿帘后携水的可能性，其迎面风速一般取2.5m/s，最高一般不超过3.2m/s。单个湿帘高度一般也不应超过3600mm，这是因为单个湿帘高度越高，其蒸发所需的水量越大，在湿帘顶部的淋水量也就越大，携水的风险相应也就越大。本系统由于处理风量比较大，高度和宽度方向分别3等分，共9块湿帘，每1等分方格内采用1块高度为3200mm，宽度为2200mm的湿帘。9块湿帘的平均迎面风速为2.64m/s，处于安全范围之内。
    湿帘的厚度主要影响到湿帘的蒸发冷却效率和空气阻力。湿帘越厚，其蒸发冷却效率越高，但同时空气的阻力也越大。由于湿帘的阻力比较小，一般不超过300Pa，其对燃气轮机的性能影响很小。因此，在选取蒸发冷却湿帘的厚度时，一般主要考虑厚度对蒸发冷却效率的影响。本系统要求蒸发冷却效率不低于85%。根据产品生产厂家所提供的蒸发冷却效率曲线，选该蒸发冷却湿帘的厚度为250mm，空气阻力相应可查得为170Pa。
3.3 水质控制
    对蒸发冷却系统而言，由于水不断蒸发，溶于水中的矿物质会析出并沉积在湿帘表面上形成水垢。湿帘表面大量的水垢会影响湿帘的蒸发冷却效率和使用寿命。目前，在燃气轮机进气冷却系统中，一般针对不同的补水硬度(以CaC03计，质量分数)通过控制排水率(即排水质量与蒸发水质量之比)的方法来抑制水垢的产生。最小排水率通常采用图4的曲线来确定[3]。
 

    新疆克拉玛依地区的地表水水质偏碱性[4]，硫酸盐浓度偏大，水的总硬度(质量分数)高达250×10-6以上，远远超过图4的取值范围。故不允许直接用该地区的地表水作为蒸发冷却系统用水，必须对其进行预处理后才能使用。蒸发冷却用水预处理有致垢离子去除法、pH值降低法以及阻垢剂法等多种方法。考虑到克拉玛依地区水源短缺，本系统采用全新的全膜法水处理技术，经处理后的补充水硬度为0。这样，根据图4的曲线，可查得此时的最小排水率为0.5，即排水量仅仅为蒸发量的一半即可保证系统的安全运行。
    全膜法(Integrated Membrane Technology，IMT)水处理技术就是包含超滤(UF)、反渗透(RO)和电去离子(EDI)等多种方式的集成膜法水处理技术[5]。其中，超滤(UF)是为了将水中的悬浮物、胶体、蛋白质和微生物等大分子物质截留，确保R0的安全可靠运行而采取的预处理；反渗透(RO)是在压力的驱动下，选择性地除去98%以上的无机离子；而采用电去离子(EDI)是为了彻底摆脱酸碱消耗和改善大气环境(EDI工艺无需排放酸碱废水，是绿色环保技术)。该全膜水处理法彻底改变了传统的蒸发冷却补充水靠离子交换，用食盐(NaCl)换软水，用酸碱换除盐水的方式，将以浪费资源、污染环境为代价的“投入换取法”变为只取不投的“分离提取”法。其工艺流程为：清水泵来水(自来水)→多介质过滤器→丝网过滤器→超滤器→超滤产水箱→一级反渗透给水泵→精滤过滤器→一级反渗透高压泵→一级反渗透装置→级间水箱→二级反渗透给水泵→二级反渗透高压泵→二级反渗透装置→电去离子给水箱→电去离子给水泵→精滤过滤器→电去离子装置→除盐水箱→除盐水泵→蒸发冷却系统。其中，多介质过滤器是为了保护超滤膜，去除水中的悬浮物、胶体、有机物；丝网过滤器是为了防止沙粒划伤超滤膜。
3.4 水系统的设计
    湿帘淋水流量主要受蒸发量和湿帘后携水量的影响。为了尽量减少携水量和结垢的可能性，本系统采用直流式水系统，即补充给蒸发冷却系统的水直接送往湿帘顶部淋下，一部分水在淋下过程中与空气接触蒸发，而未蒸发的水则直接流入水箱并排走。按照前述的排水率计算，本系统最多有2/3的淋水量用于蒸发，相应即最少有1/3的淋水量直接排掉。
直接蒸发冷却的空气处理过程的蒸发冷却效率定义为：
 
式中η——直接蒸发冷却效率
    T1——蒸发冷却系统进口空气干球温度，℃
    T2——蒸发冷却系统出口空气干球温度，℃
    Twb——蒸发冷却系统进口空气湿球温度，℃
   蒸发量的计算是以新疆克拉玛依地区极端气候参数为条件，温度为50℃，相对湿度为10%，大气绝对压力为97.8kPa。这样，该系统的最大蒸发量为：
    E=3.69m,aη(dwb-d1)    (2)
式中E——水的蒸发量，kg/h
qm,a——蒸发冷却系统进口空气的质量流量(以干空气计)，kg/s
    dwb——蒸发冷却系统进口空气湿球温度下的饱和含湿量，g/kg
    d1——蒸发冷却系统进口空气含湿量，g/kg
   据此，当qm,a为203kg/s，η为85%，dwb为19.13g/kg，d1为7.91g/kg时代入式(2)可求出系统的最大蒸发量为6970kg/h，可确定本系统的淋水量(即耗水量)为10455kg/h。其中最多有6970kg/h水被蒸发，最少有3485kg/h水被排出。
3.5 除水板的设计
   尽管从理论上讲，只要设计正确，蒸发冷却系统是不会产生携水问题的。但由于下述原因，系统仍然会产生携水[3]：
   ① 湿帘损坏：将湿帘拆下重新装回时，湿帘的边缘很容易破坏。在破坏之处，很容易出现携水的现象。
   ② 布水器部分孔口堵塞：当冷却系统使用时间较长时，布水器部分孔口会发生堵塞，造成淋水不均匀，局部水量过多将会产生携水现象。
   ③ 湿帘表面结垢：当冷却系统使用时间较长后，湿帘的表面常常会出现结垢现象。大量的结垢会导致蒸发冷却性能降低和流通面积减小，从而也会引起携水现象。
    ④ 运行操作不当：当湿帘尚未完全湿透时，如果开启燃气轮机就有可能导致空气携水。
   对燃气轮机而言，空气夹带水滴将有可能使压气机叶片表面受水滴侵蚀。为防止进入燃气轮机的空气携水率过大，一般情况下都要在湿帘后加除水板。通常除水板采用百叶式结构。本系统选用LMDS型除水板，其在设计风速下对100μm及以上水滴的去除效率达99.9%，而其增加的阻力约为80Pa。
4 全年预期效果分析
4.1 典型气象年逐时气象参数
    典型气象年是在建筑热环境分析中引入的一个概念，它是以近30年的统计数据为基础，在近10年的气象数据中挑选出来的能充分反映长期的气象变化规律的全年逐时气象数据，其具体生成办法见文献[6]。从文献[6]中可以得到新疆克拉玛依典型气象年全年8760h干球温度、湿球温度和相对湿度的逐时数据。
4.2 进气冷却系统在典型气象年的效果分析
    根据克拉玛依典型气象年全年8760h干球温度、湿球温度和相对湿度的逐时数据以及图1、2的PG6111FA型燃气轮机发电机组在非标准工况下的进气温、湿度与性能参数的关系曲线，我们可以计算出该燃气轮机发电机组在没有安装进气蒸发冷却系统时的全年8760h的总发电量为641467MW·h，总耗热量为6434.352×106MJ，热耗率为10.031MJ/(kW·h)。
    要使燃气轮机进气冷却系统能够正常工作，则其蒸发冷却温度不能过低，以防系统结冰导致燃气轮机产生故障。若以环境空气湿球温度是否高于5℃作为进气蒸发冷却系统是否运行的条件，并且系统启闭时间间隔以h为单位，从文献[6]得到克拉玛依地区全年的8760h中，可以使用蒸发冷却的时间为5252h，占全年总时间的60.0%。同样，根据上述计算过程，我们可以计算出该燃气轮机发电机组在没有安装进气蒸发冷却系统时在此5252h内的总发电量为358362MW·h，总耗热量为3698.824×106MJ，热耗率为10.321MJ/(kW·h)。
    燃气轮机发电机组在加装了进气蒸发冷却系统后，其将会因湿帘和除水板的增加使进气阻力增加250Pa。根据有关资料，进气压力损失每增1kPa将会使发电效率减少1.5%，热耗率增加0.5%。由此将会使机组发电效率减少0.375%，热耗率增加0.125%。
    对此PG6111FA型燃气轮机发电机组，根据典型气象年逐时气象数据和进气蒸发冷却系统的数据，可计算出全年可使用进气蒸发冷却系统的5252h逐时发电功率和耗热量。
    通过对进气蒸发冷却系统逐时发电功率和耗热量的计算显示，PG6111FA型燃气轮机发电机组在采用了进气蒸发冷却系统的5252h运行时间内，其总的发电量为374041MW·h，总的耗热量为3798.960×106MJ，与同时间(5252h)未采用进气蒸发冷却系统相比分别增加了15679MW·h和100.136×106MJ。按增加的比例来算，分别增加了4.4%和2.7%。全年8760h相比，比未采用进气蒸发冷却系统的数据，增加的比例分别为2.4%和1.6%。由此可见，采用进气蒸发冷却系统所增加的发电量是显著的。另外，在增加发电量的同时，也增加了耗热量，但耗热量的增加比例小于发电量的增加比例。说明采用进气蒸发冷却系统后，系统热耗率减小了。热耗率在5252h内，由原来的10.321MJ/(kW·h)降至10.157MJ/(kW·h)。按全年8760h计算，也由原来的10.031MJ/(kW·h)降至9.944MJ/(kW·h)。
    通过对进气蒸发冷却系统逐时发电效率进一步进行分析发现，在可以使用进气蒸发冷却的5252h内，加装蒸发冷却系统使发电效率增加低于2%的时间较少，等于670h，仅占总运行时间(5252h)的12.8%，也就是说在蒸发冷却系统运行的5252h内，有87.2%的时间，其可以使机组的发电效率增加2%以上；发电效率增加在2%～8%的时间为4169h，占总时间的79.4%；发电效率增加大于8%的时间也比较少，为423h，占总时间的7.8%；最高可增加11.19%。
5 结论
    ① 蒸发冷却技术在新疆克拉玛依地区燃气轮机进气冷却中具有很大的适用性。在全年的8760h中，可以使用蒸发冷却的时间为5252h，占全年总时间的60.0%。
    ② 蒸发冷却技术在新疆克拉玛依地区燃气轮机进气冷却中具有显著的应用效果。在可使用蒸发冷却系统的时间里，蒸发冷却后发电效率增加比例大于2%的时间有87.2%之多，增加比例最高可达11.19%。机组发电量同比(5252h)可增加4.4%，全年(8760h)相比发电量也有2.4%的增幅。
    ③ 采用进气蒸发冷却系统后，燃气轮机发电机组的热耗率也有一定的减小，提高了能源利用率。热耗率在5252h时间内，由原来的10.321MJ/(kW·h)降至10.157MJ/(kW·h)。按全年8760h的总值计算，也由原来的10.031MJ/(kW·h)降至9.944MJ/(kW·h)。
    ④ 对燃气轮机进气蒸发冷却系统，应综合考虑湿帘的携水、蒸发冷却效率、空气阻力以及当地的水质情况，进行系统的方案设计和系统各参数的确定。
参考文献：
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(本文作者：辛军哲1 辛黎虎2 刘金星1 1.广州大学 广东广州 510006；2.新疆克拉玛依电厂 新疆克拉玛依 834009)