某大学城分布式能源站燃机应用溴化锂制冷技术冷却入口空气的方案探讨

谢大幸，石永锋，郝建刚，郑　健，王　健

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

某大学城分布式能源站燃机应用溴化锂制冷技术冷却入口空气的方案探讨

谢大幸，石永锋，郝建刚，郑健，王健

（华电电力科学研究院，浙江杭州310030）

利用现有溴化锂吸收式冷水机组，消化大学城暑期过剩高温热媒水冷却燃机入口空气，可降低机组入口空气温度4.2℃，提高联合循环机组出力约1470kW。通过计算分析，简单循环燃气轮机的出力和效率都随着燃机入口空气温度的降低而得到提高，对于整个联合循环而言，机组功率随燃机入口空气温度降低而增加，但是由于下位电站汽轮机及余热锅炉的延滞性影响，其效率基本维持不变，即联合循环机组的发电气耗并不会因为燃机进口空气冷却而得到降低，节能效益不能充分体现，项目可行性不高，联合循环机组进行类似改造时应慎重考虑。

分布式能源站；燃气轮机；溴化锂吸收式冷水机组；联合循环效率及出力

0　引言

某大学城分布式能源站建设有2×78MW燃气蒸汽联合循环机组，燃气轮机发电机组为双联机组（额定功率60MW），余热锅炉为中压和低压蒸汽带自除氧、尾部制热水、卧式自然循环、无补燃型、露天布置的余热锅炉，蒸汽轮机发电机组分别选用一套带调整抽汽的抽凝式蒸汽轮机发电机组和一套双压补汽式蒸汽轮机发电机组，配套额定功率18MW和25MW发电机各一台。分布式能源站利用余热锅炉尾部烟气制备热媒水，一部分热媒水送到大学城热水制备站，向大学城用户提供热水，另一部分作为能源站集控楼和办公楼中央空调溴化锂机组的热源。目前能源站现有2套热水型溴化锂吸收式冷水机组用于制造空调冷冻水，一套运行，一套备用。实际运行中发现分布式能源站周边负荷变化极大，特别是大学城众院校暑期放假期间，热水负荷低，基本不用高温热媒水，而溴化锂制冷空调不能完全消化高温热媒水，使得高温热媒水过剩而引起很大的浪费和热污染。为了在暑期进一步消化过剩热媒水，实现能源的高效利用，该方案研究了利用现有溴化锂制冷机组冷却燃机入口空气对机组经济性的影响。

1　燃机入口空气冷却技术概况

燃机入口空气冷却技术可在高温气候环境下，通过降低入口空气温度，提高单位时间燃机吸入空气质量流量，增加燃机出力，减小压气机出力，提高燃机效率，达到提高经济性的目的［1］。对于重型工业燃机而言，夏季将35℃的空气冷却至15℃，理论上在燃机简单循环中至少可增加燃机出力11%左右［2］。燃机入口空气冷却技术经过二十年的发展，在国内外的不同气候条件、不同机型上已有多种不同的冷却技术被应用，经过长期运行经验，各种不同技术表现出不同的适应性和优缺点，目前主要的技术手段有直接接触和间接接触两大型式［3］。该方案利用分布式能源站现有的溴化锂吸收式冷水机组，消化过剩热媒水制冷冷却燃机入口空气，属于间接接触冷却方式。

图1　燃机进口空气冷却系统

2　燃机入口空气冷却结果分析

2.1系统流程

采用溴化锂制冷冷却入口空气，需在在入口风道内设置一个冷却器冷却空气，空气在管外侧流动，冷源在管内流动。系统由热水型溴化锂吸收式冷水机组、冷却塔、冷却器、冷却水循环泵、冷媒水泵等组成，如图1所示。其中溴化锂吸收式冷水机组、冷却塔等设备为电站自有设备，不需再投资。分布式能源站现有热水型溴化锂吸收式冷水机组在额定工况下，制冷量810kW，冷水进口温度12℃，出口温度7℃，冷水流量140m3/h，冷却水进口温度32℃，冷却水流量290m3/h，热水进口温度90℃，出口温度70℃，热水耗量52000kg/h，冷媒水和冷却水系统最高工作压力都为0.8MPa。

2.2燃机进口温度降低对燃机简单循环及整个联合循环影响的计算结果分析

进气温度对补汽式和抽凝式机组简单循环出力及效率影响如图2所示，对整个联合循环出力及效率的影响如图3及图4所示。随进气温度降低（从35℃降低到15℃，计算工况为不注水工况，空气湿度按80%考虑），燃机简单循环的出力及效率随着进口空气温度的降低而显著增加；对于整个联合循环而言，补汽式和抽凝式机组出力均有显著提高，并呈线性趋势，可以计算温度每下降1℃，机组功率增加约350kW，而联合循环整体发电效率变化则较平稳，因为发电效率受下游余热锅炉及汽轮机电站的影响，降低入口空气温度后会造成燃机排气温度降低，影响联合循环机组中余热锅炉及蒸汽轮机出力，从而造成抵消现象，亦即整体功率的增加伴随着燃气量消耗的增加，因此整体联合循环效率变化不大。

图2　进气温度对简单循环燃机出力和效率影响

图3　进气温度对补汽式和抽凝式机组出力影响

图4　进气温度对补汽式和抽凝式机组效率影响

2.3燃机入口空气降幅计算结果

该方案采用现有的备用溴化锂机组消化过剩高温热媒水制冷，因此溴化锂机组的负荷以及进气量决定了冷却系统的规模，受制冷量的限制，该方案只考虑补汽式一台机组改造。热水型溴化锂吸收式冷水机组在额定工况下，制冷量810kW，冷水进口温度12℃，出口温度7℃，冷水流量140m3/h进入燃机入口冷却器，用于冷却入口35℃，约600t/h流量（双联机组，每侧300t/h）的空气，冷却器选用板翅式换热器，管子材质为铜，翅片材质为铝。板翅式换热器优点突出，发展很快，一些研究结果表明，板翅式换热器更适用于溴化锂吸收式制冷冷却的燃气轮机进气冷却系统［4，5］。空气湿度影响较小，故忽略其对计算结果的影响，且不考虑换热器阻力对燃机出力的影响，通过热力学计算，可将入口温度空气降低到30.8℃，降幅为4.2℃。通过上述的分析可知，入口空气降低4.2℃，提高机组出力约1470kW。

3　经济性分析

根据上述分析，若单纯为了提高机组出力而言，燃机空气进口温度降低对机组是有益的，可以增加机组发电量。但是国内燃气机组其发电量往往受燃气量及电网调度限制，增幅有限，由于联合循环的效率并没有大幅增加，且基本保持稳定，从表1可以看出补汽式机组其空气进口温度从35℃降低到30℃时机组功率增加1776kW，但其联合循环效率仅增加0.06%。通过计算将空气温度降低4.2℃时，联合循环效率增加不到0.06%，若考虑机组燃机进口空气冷却器阻力、冷却系统本身耗能等因素对机组的影响，其节能收益甚微，机组的发电气耗并不会随着燃机进气温度的降低而大幅降低，燃机发电的成本也不会降低。

表1　进气温度对补汽式机组出力和效率的影响

该方案机组发电量按不受燃气量及电网调度的限制考虑，即有充足的气量且电网允许机组多发电，其经济性计算按照仅提高机组出力为目标计算，计算时暂时不考虑换热器阻力对燃机出力的影响。进气冷却系统的设备主要由冷却器、制冷机、进气稳压舱、阀门水泵、仪表控制系统和管道、冷却塔等组成，其中制冷机系统采用能源站现有制冷机组，空气冷却器、管道和仪表控制系统的投资占主要部分［6］，单套进气冷却系统的投资按230万元考虑。

根据上述分析计算，单套制冷设备制冷量完全用于进气冷却，可提高补汽式机组出力约1470kW。该方案在夏季的7、8月暑假期间进气冷却系统均可工作，估算该工程补汽式机组采用入口空气冷却在两个月有1000h的利用小时数，则可增加发电量1.47×106kWh，按每kWh收益0.1元计，年增发电效益14.7万元，静态回收期约为15.6a。因此对于整体联合循环而言，进口空气冷却技术对机组增加出力有作用，但对于降低气耗作用不大。天然气成本在整个发电成本里占了绝大部分，改造若不能降低机组气耗率，则其经济性不能很好的体现，项目可行性不高。

4　结语

为了进一步消化大学城暑期热媒水，利用现有溴化锂制冷设备，经过研究计算可知，该项目可降低机组燃机入口空气温度约4.2℃，可提高出力约1470kW。

燃机入口空气冷却技术的应用可以提高简单循环燃机的出力和效率，但是对于整个联合循环机组而言，进口空气冷却可以提高机组出力，受机组下位电站汽轮机和余热锅炉延滞性的影响，机组的效率基本维持不变。

对于燃气-蒸汽联合循环机组，天然气成本占整个发电成本的绝大部分，若改造不能降低机组气耗率，则机组改造的经济性得不到有效体现。我国天然气发电企业受到电网调度及天然气用量的限制较大，即使不受限制，仅依靠提高机组出力，相对于其较大的投资而言，收益也较低，其可行性不高，因此在对联合循环机组进行类似改造时应慎重考虑。

［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，（03）：25～29.

［2］胡东.降低燃机进气温度对燃气轮机出力的影响［J］.科技创新导报，2009，（25）：64～66.

［3］张春梅，孙锐.燃气轮机进气冷却技术发展现状及前景分析［J］.东北电力学院学报，2005，25（4）：75～80.

［4］贺云根，胡亚才，李立军，等.板翅式换热器在燃气轮机进气冷却系统中的应用［J］.能源工程，2006（5）：48～50.

［5］姜周曙，黄国辉，王剑，等.PG6551（B）燃气轮机进气冷却系统的研制［J］.动力工程，2006，26（6）：790～794.

［6］吴志才.进气冷却对燃气轮机发电的作用［J］.中国高新技术企业，2013，（17）：66～68.

Scheme Discussion on Cooling Gas Turbine Intake Air Using Lithium Bromide Cooling Technology in a University Town Distributed Energy Station

XIE Da-xing，SHI Yong-feng，HAO Jian-gang，ZHENG Jian，WANG Jian
（Huadian Electric Power Research Institute，Hangzhou 310030，China）

Using ready-made lithium bromide absorption water chiller absorb excess heat medium water to cool gas turbine intake air in the university town.It can reduce 4.2℃of the air and increase about 1470 kW of unit output.The gas turbine simple cycle's output and efficiency are increased with the gas turbine intake air temperature reducing and the combined-cycle's output is also increased，however，the combined cycle's efficiency does not significantly improve because of the postponable characteristics of the lower power plant steam turbine and HRSG.The power generation gas loss rate is not decreased with the gas turbine intake air cooling，energy-saving benefit is not fully reflected，the project feasibility is lower. The similar reconstruction in the combined-cycle units should be considered cautiously.

distributed energy station；gas turbine；lithium bromine absorption water chiller；combined cycle efficiency and output

10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.04.002

TK471

B

2095-3429（2015）04-0005-04

2015-05-19

修回日期：2015-07-02

谢大幸（1984-），男，浙江宁波人，研究生，工程师，从事汽轮机及燃气轮机发电技术研究工作。