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摘 要：为解决燃气轮机在夏季用电高峰时，因环境温度高导致机组净出力严重下降这一问题，基于9F型燃气轮机设计了一套燃机进气冷却系统。该设计可以提高联合循环机组60MW的发电能力，在高温季节能够增发53000MW·h的电量。
关键词：燃气轮机；进气冷却；余热锅炉低温热能；溴化锂吸收式制冷机
1 基本现状
1.1 夏季环境温度条件
北京地区6至8月期间平均环境温度均高于25°C，北京地区夏季燃机一直工作在长周期高温工况下。
1.2 机组夏季出力情况
当年5月至9月份的机组出力分别为786MW、752MW、766MW、768MW、367MW，5月至9月期间机组的最大出力平均值为768MW，远低于该9F型燃机的联合循环基本负荷的838MW。
2 可行性分析
2.1 制冷系统设计、原理
该厂为增大机组冬季的供热能力，增大了余热锅炉低压省煤器换热面积，在冬季可增加供热面积约160万平方米。夏季工况时由于没有供热需求，此部分热能无法再利用，将随排烟浪费掉。若增加一套热水型溴化锂吸收式制冷设备，利用余热锅炉的低品位熱水来获得7-15°C的冷水用以冷却燃机进气空气，能在夏季大负荷、高温工况下降低进气温度，增大机组净出力，提高联合循环热效率。
目前市场上此类制冷设备技术成熟，设备性能稳定、可靠。虽然初期投入成本可能较高，但收益明显，短期即可收回成本。
在燃气轮机进气罩壳内增设管翅式换热器，该类换热器换热系数大，节能性能好；因冬季存在因雾霾较大而造成进气差压增大的现象，故此换热器应重点考虑是否便于拆卸。
2.2 余热锅炉可利用热能：
本套设计方案的热源来自余热锅炉尾部的低压省煤器，利用循环泵在制冷机组与省煤器之间构建水循环。将低压省煤器出口的高温热水引致制冷机组，参与制冷后经循环泵再将低温热水泵至省煤器入口。
低压省煤器出口热水温度170°C
设热水参与制冷后终温为70°C
热水工作压力为2.2Mpa
实际运行工况下，抽水流量最大可达133kg/s
余热锅炉可利用热能：
Q可=G热水（h高-h低）=133*（719.98-294.79）=56MW
2.3 制冷设备选型
2.3.1 湿空气冷却过程
图1 湿空气冷却过程
以燃机进气温度降至15°C时所需的冷负荷计算，我们知道空气的冷却过程是包括湿空气的冷却及干空气的冷却过程（图 1），分别对应湿空气的潜热及显热。a点为初始温度，当湿空气被冷却到b点时，湿空气达到饱和状态，即达到露点温度，a-b点为释放显热的过程；湿空气由b点继续被冷却的话需要进一步释放出潜热，b-c点即为释放潜热的过程。
2.3.2 制冷量计算
冷负荷计算公式：Qc=mair[（ha-hb）+hfg（db-dc）]
式中： Gair：燃机进气质量流量 kg/s
ha ： a点湿空气的比焓值，kj/kg
hb ： b点湿空气的比焓值，kj/kg
hfg：温度为Tb时对应的水蒸气的汽化潜热，kj/kg
db： b点湿空气的含湿量，kg/（kg干空气）
dc：c点湿空气的含湿量，kg/（kg干空气）
燃气轮机在环境平均温度26.1°C，机组带基本负荷工况时，单台燃气轮机的空气进气质量流量：Gair=525kg/s。
北京当地7月份分时温度最高可达33°C，为最大程度的提高燃机出力需将燃机进口温度降至15°C 。查图1焓湿图得到如下数据：
最高进气温度：33°C 含湿量为：25.5g/kg
要降至温度为：15°C 含湿量为：10.8g/kg
所需制冷量Qc=Gair[（ha-hb）+hfg（db-dc）]=32.5MW
而余热锅炉可利用热能Q可=56MW
余热锅炉可利用热能大于空气降温所需的冷负荷，该方案的理论上是可行的。
2.3.3 设备选型
目前比较成熟的大型热水型溴化锂吸收式制冷机组单机制冷量可达到4500kw，出水温度约7°C，为满足所需制冷量需购置8台该型制冷机组。
2.4 换热器选择要求
2.4.1 换热器形式确定
该型燃机进气装置为单侧进风，进风面较大，便于换热器的安装。因燃机进气系统对装置前后差压要求较高，故需重点考虑低风阻、高效型换热器。目前气体与液体热交换器中使用最为广泛的当属翅片式换热器，具有传热性能良好、稳定，空气通过阻力小等优点。故优先选择翅片式换热器。
2.4.2 换热器相关技术要求
a） 风阻：该型燃机进气系统差压报警值为1.3kPa，机组带基本负荷正常运行差压维持在0.4至1.0kPa，故换热器最大风阻不能大于30Pa。
b） 尺寸：迎风面18.5×12m
c） 换热量：32.5MW（最大值）
d） 设计压力：1MPa
3 经济性分析
当环境温度降至15°C时，该型燃机二拖一联合循环总出力可达828.2MW，较夏季平均最大出力提高60MW，这将极大的提高机组在夏季高温期的调峰能力。
该燃气电厂2014年5月至9月机组平均利用小时数t=2280h，机组平均负荷率k=38.7%，若该机组增设进气冷却系统，将提高发电量为G增。
G增=P增×t×k=60MW×2280h×38.7%=53000MW.h
4 结论
基于北京一9F型燃气发电厂，设计了一套余热再利用的溴化锂制冷系统对燃机进气进行冷却，在环境温度33°C、相对湿度78%的条件下，使燃机进气温度降至15°C，提高了60MW的发电能力，高温季节能够带来53000MW·h 的增发电量，大大提高了能源利用率。
因该型燃机功率较大，需要设置多台制冷机组，基础设备费用较大，但改造后收益将非常明显，可以在短期内收回投资成本。
作者简介：
刘金良（1986—），男，本科，助理工程师，燃气轮机运行、维护。
关键词：燃气轮机；进气冷却；余热锅炉低温热能；溴化锂吸收式制冷机
1 基本现状
1.1 夏季环境温度条件
北京地区6至8月期间平均环境温度均高于25°C，北京地区夏季燃机一直工作在长周期高温工况下。
1.2 机组夏季出力情况
当年5月至9月份的机组出力分别为786MW、752MW、766MW、768MW、367MW，5月至9月期间机组的最大出力平均值为768MW，远低于该9F型燃机的联合循环基本负荷的838MW。
2 可行性分析
2.1 制冷系统设计、原理
该厂为增大机组冬季的供热能力，增大了余热锅炉低压省煤器换热面积，在冬季可增加供热面积约160万平方米。夏季工况时由于没有供热需求，此部分热能无法再利用，将随排烟浪费掉。若增加一套热水型溴化锂吸收式制冷设备，利用余热锅炉的低品位熱水来获得7-15°C的冷水用以冷却燃机进气空气，能在夏季大负荷、高温工况下降低进气温度，增大机组净出力，提高联合循环热效率。
目前市场上此类制冷设备技术成熟，设备性能稳定、可靠。虽然初期投入成本可能较高，但收益明显，短期即可收回成本。
在燃气轮机进气罩壳内增设管翅式换热器，该类换热器换热系数大，节能性能好；因冬季存在因雾霾较大而造成进气差压增大的现象，故此换热器应重点考虑是否便于拆卸。
2.2 余热锅炉可利用热能：
本套设计方案的热源来自余热锅炉尾部的低压省煤器，利用循环泵在制冷机组与省煤器之间构建水循环。将低压省煤器出口的高温热水引致制冷机组，参与制冷后经循环泵再将低温热水泵至省煤器入口。
低压省煤器出口热水温度170°C
设热水参与制冷后终温为70°C
热水工作压力为2.2Mpa
实际运行工况下，抽水流量最大可达133kg/s
余热锅炉可利用热能：
Q可=G热水（h高-h低）=133*（719.98-294.79）=56MW
2.3 制冷设备选型
2.3.1 湿空气冷却过程
图1 湿空气冷却过程
以燃机进气温度降至15°C时所需的冷负荷计算，我们知道空气的冷却过程是包括湿空气的冷却及干空气的冷却过程（图 1），分别对应湿空气的潜热及显热。a点为初始温度，当湿空气被冷却到b点时，湿空气达到饱和状态，即达到露点温度，a-b点为释放显热的过程；湿空气由b点继续被冷却的话需要进一步释放出潜热，b-c点即为释放潜热的过程。
2.3.2 制冷量计算
冷负荷计算公式：Qc=mair[（ha-hb）+hfg（db-dc）]
式中： Gair：燃机进气质量流量 kg/s
ha ： a点湿空气的比焓值，kj/kg
hb ： b点湿空气的比焓值，kj/kg
hfg：温度为Tb时对应的水蒸气的汽化潜热，kj/kg
db： b点湿空气的含湿量，kg/（kg干空气）
dc：c点湿空气的含湿量，kg/（kg干空气）
燃气轮机在环境平均温度26.1°C，机组带基本负荷工况时，单台燃气轮机的空气进气质量流量：Gair=525kg/s。
北京当地7月份分时温度最高可达33°C，为最大程度的提高燃机出力需将燃机进口温度降至15°C 。查图1焓湿图得到如下数据：
最高进气温度：33°C 含湿量为：25.5g/kg
要降至温度为：15°C 含湿量为：10.8g/kg
所需制冷量Qc=Gair[（ha-hb）+hfg（db-dc）]=32.5MW
而余热锅炉可利用热能Q可=56MW
余热锅炉可利用热能大于空气降温所需的冷负荷，该方案的理论上是可行的。
2.3.3 设备选型
目前比较成熟的大型热水型溴化锂吸收式制冷机组单机制冷量可达到4500kw，出水温度约7°C，为满足所需制冷量需购置8台该型制冷机组。
2.4 换热器选择要求
2.4.1 换热器形式确定
该型燃机进气装置为单侧进风，进风面较大，便于换热器的安装。因燃机进气系统对装置前后差压要求较高，故需重点考虑低风阻、高效型换热器。目前气体与液体热交换器中使用最为广泛的当属翅片式换热器，具有传热性能良好、稳定，空气通过阻力小等优点。故优先选择翅片式换热器。
2.4.2 换热器相关技术要求
a） 风阻：该型燃机进气系统差压报警值为1.3kPa，机组带基本负荷正常运行差压维持在0.4至1.0kPa，故换热器最大风阻不能大于30Pa。
b） 尺寸：迎风面18.5×12m
c） 换热量：32.5MW（最大值）
d） 设计压力：1MPa
3 经济性分析
当环境温度降至15°C时，该型燃机二拖一联合循环总出力可达828.2MW，较夏季平均最大出力提高60MW，这将极大的提高机组在夏季高温期的调峰能力。
该燃气电厂2014年5月至9月机组平均利用小时数t=2280h，机组平均负荷率k=38.7%，若该机组增设进气冷却系统，将提高发电量为G增。
G增=P增×t×k=60MW×2280h×38.7%=53000MW.h
4 结论
基于北京一9F型燃气发电厂，设计了一套余热再利用的溴化锂制冷系统对燃机进气进行冷却，在环境温度33°C、相对湿度78%的条件下，使燃机进气温度降至15°C，提高了60MW的发电能力，高温季节能够带来53000MW·h 的增发电量，大大提高了能源利用率。
因该型燃机功率较大，需要设置多台制冷机组，基础设备费用较大，但改造后收益将非常明显，可以在短期内收回投资成本。
作者简介：
刘金良（1986—），男，本科，助理工程师，燃气轮机运行、维护。