利用燃机进气冷却技术提高燃机的发电能力
2014年01月01 06:27:00 来源：中国制冷网
摘要：通过利用燃机进气冷却技术，解决了随着环境温度的升高燃机的发电能力降低的问题，提高了燃机的发电能力。
关键词：燃机 环境温度 进气冷却 提高发电
一、前言
经过几年的研究和探索，济钢成功实施了燃气蒸汽联合循环发电项目（简称CCPP），通过燃机将钢铁生产过程中副生的大量高炉煤气和焦炉煤气由过去直接燃烧排放，改为燃烧做功进行发电，解决了过去这些煤气直接燃烧排放，造成资源的白白浪费和污染环境的问题。自CCPP投产以来，发现美国GE公司的PG6561B-L型燃气轮发电机组存在随着环境温度的变化，出力发生变化、影响发电能力的问题。
二、问题分析
根据美国GE公司的技术条件，PG6561B-L型燃气轮发电机组出力与大气温度的关系如下：在大气温度为15℃时额定出力为100%（46.6MW），在35℃时出力为额定出力的90%（41940kW），如果再加上其他的影响因素（如燃气轮机进气阻力对出力的影响等），实际出力只有85%左右。燃气轮发电机组属于定容式旋转机械，动力输出与质量流量成正比，气温上升时，密度下降，所以燃气轮发电机组的热耗率与进气温度呈线性上升关系。因此，随着环境温度的升高燃机的发电能力降低。
济南地区特别是夏季,气温很高、湿度大，持续时间很长，燃气轮发电机组的出力在该季节热耗急剧增加，发电能力下降很大。降低燃气轮发电机组的进气温度，就能降低热耗率，提高燃气轮发电机组的热效率。因此，为提高我公司燃气轮发电机组的能力，达到或超过GE设计能力、多发电，很有必要研究提升燃气轮机出力能力的问题。
三、研究及装置组成
1.降低燃气轮发电机组进气温度和热耗的研究
降低燃气轮发电机组进气温度和热耗可采用对燃机的进气进行冷却，冷却的方式主要有两种类型：直接冷却和间接冷却。
（1）直接冷却 直接冷却有喷雾冷却、湿压缩、直接喷水等。直接冷却方式的冷媒主要是水喷雾冷却，效率高、能耗小。其关键的水雾化技术要掌握，一旦发生故障，将会对燃气轮发电机组造成致命的损害，这种损害一般有以下几种方式出现：其一，水质原因对燃气轮机空压机造成腐蚀性损害；其二大颗粒水滴进入燃气轮机空压机对叶轮造成损害；其三，增加空气中水蒸气的含量，提高余热锅炉排烟的酸露点。
为解决直接冷却方式水喷雾冷却发生故障对燃机带来的损害，需要研究水喷雾雾化程度和系统组成。
（2）间接冷却 间接冷却有溴化锂制冷，蓄冰等。该冷却方式的冷媒主要是溴化锂制冷机，效率低、能耗大。
2.研究技术确定
经过深入研究开发，最终确定“利用燃气轮机进气冷却及湿压缩技术”来降低燃机的热耗，冷却方式采用直接冷却技术，冷媒主要是水喷雾，如图1所示。该技术系统包括燃气轮机雾化冷却系统和湿压缩系统.
1)燃气轮机雾化冷却系统：在燃气轮机的压气机进口处注入微小的雾状水滴，利用水蒸发时的冷却作用，降低压气机进口温度，并经逐级蒸发冷却使压气机的温度降低，减少了压气机的功耗， 提高了压气机在热天的允许体积流量。
2)湿压缩系统：在压气机出口注入微小的雾状水滴，利用水蒸发时的冷却作用，降低进入的空气在压缩过程的热，提高燃机的功率。
经过以上两个系统，一是减少压气机的功耗，提高压气机在热天的允许体积流量。二是降低进入的空气在压缩过程的热，提高燃机的功率。因此也就提高了燃气轮机的出功，从而致使输出功率增加。
图1 燃气轮机进气冷却及湿压缩示意
3.主要技术创新
低热值混合煤气燃机发电机组PG6561B-L型燃气轮发电机属于定容式旋转机械，动力输出与质量流量成正比，气温上升时，密度下降，所以燃气轮发电机组的热耗率与进气温度呈线性上升关系。因此，随着环境温度的升高燃机的发电能力降低。济南地区特别是夏季,气温很高、湿度大，持续时间很长。
1）在没有安装燃气轮机进气冷却及湿压缩系统时，6B型燃气轮机在不同环境温度的出力情况如图2所示。
2）安装燃气轮机进气冷却及压气机湿压缩装置以后，根据理论测算我公司 6B型燃气轮机的出力情况见图2蓝色线，因此，应用燃气轮机进气冷却及湿压缩技术后，在燃料保证的提前下，我公司的燃气轮机发电能力可得到提高。
3）在进气过滤器后设置蒸发冷却级，利用水在空气中蒸发时所吸收的潜热来降低燃气轮机进口空气温度，当未饱和空气与水相接触时，两者之间便会发生传热、传质过程，空气的显热变为水蒸发时所吸收的潜热，使空气温度降低；同时，在气流下游设置湿压缩喷雾级，进一步提高燃气轮机在高温环境下的性能。
图2 燃机三种情况的发电曲线
4）燃机进气雾化式蒸发冷却的蒸发冷却效率≧99.5% 。
5）燃机进气雾化式蒸发冷却及湿压缩系统的运行采用全自动控制保护系统。
6）控制保护系统具备自动报警、自动停机、保护功能，以保证高压喷水系统以及机组的安全运行；应对管线漏水进行监测；当燃机遮断、气切油、降负荷、进气加热系统打开、导叶开度小时，雾化式蒸发冷 却及湿压缩系统应自动退出。
7）控制保护系统能够根据其自身气象站采集的大气参数，自动控制合理的雾化喷水量。
8）燃机进气雾化式蒸发冷却及湿压缩系统保证不对燃气轮机的安全运行产生任何不良影响。即不破坏燃气轮机入口流场的均匀性；不会造成燃气轮机外物损伤；不会造成压气机叶片的水蚀损伤。
4.燃气轮机进气冷却及湿压缩主要组成
燃气轮机进气冷却系统由高压输送泵组、高压水输送管道、水雾化喷嘴及反馈保护控制系统组成。
高压泵组包括高压泵、泵马达、气动控制阀、控制柜、电气设施、水过滤、手动隔离阀、压力表、流量表和底盘。其中，高压泵由具有不锈钢歧管的高速离心泵设计；高效泵马达，具有F级绝缘的TEFC（按户外使用规定）；气动控制阀为不锈钢球阀，打开后建立所选择的喷嘴组的水流量；控制柜具有模块硬件式样PLC和马达起动器的NEMA 4/4X；电气设施用于带断接开关的单点380伏三相配电柜；水过滤为亚微米进水过滤器加高压泵出口过滤器。
喷嘴岐管由高压不锈钢管、焊接管接头及喷嘴组成。进气导管和岐管管道焊用不锈钢隔板/支持板，为抗旋涡冲刷提供必须的强度和刚度。对导管穿透处进行封焊。每个喷嘴头包含多个针型雾化喷嘴。通过螺纹连接的喷嘴头牢固地固定在喷嘴组的管子上，且使用锁紧螺丝或锁片可靠地固定。
四、应用情况
1.燃气轮机进气冷却及湿压缩装置运行情况统计
未投入进气冷却及湿压缩装置燃气轮机的运行情况见表1，投入进气冷却及湿压缩装置燃气轮机的运行情况见表2。经过实际运行，在进气冷却及湿压缩装置投入40%时，燃机发电功率平均增加3.0MW。
2.其他效益 （1）环保效益 在燃气轮机安装了压气机湿压缩及进气冷却系统后，因为燃气轮机的压气机出口空气温度降低了，这样燃烧室内火焰由于有更低温的空气进来参与燃烧，降低了火焰的燃烧温度，从而使氮氧化合物的排放降低了25-30%，有效的提高了环保效益。 （2）保护燃气轮机热段部件 同样由于燃气轮机压气机的出口空气温度降低了，进入燃烧室的冷却空气温度也降低了，这样有效地保护了燃烧室及过渡段热段部件的使用寿命。另外，也同样压气机的出口空气温度降低了，从压气机抽出来的用于冷却热段部件的空气温度降低了。这样，冷却空气有更多的蓄能来带走更多的热量更好地保护了燃气轮机热段部件。如：涡轮叶片、喷嘴及复环等。 五、结语 低热值混合煤气PG6561B-L型燃机经过利用燃机进气冷却和湿压缩技术，解决了随着环境温度的变化，出力发生变化、影响发电能力的问题，提高了低热值混合煤气燃机的发电能力，在进气冷却及湿压缩装置投入40%时，燃机发电功率平均增加3.0MW，年新增效益830万元，同时使氮氧化合物的排放降低了25%～30%，有效的提高了环保效益，该项技术具有很好的市场前景和推广意义。
