唐 健，崔耀欣，張棟芳，嚴(yán) 晶

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，上海 200240；2.上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠，上海 200240）

燃?xì)廨啓C(jī)作為一種高效率、低排放的動力機(jī)械正在被中國市場廣泛接受，它具備結(jié)構(gòu)緊湊、安裝容易、運(yùn)行靈活等顯著特點(diǎn)，目前用于發(fā)電的燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)效率一般在32%～40%之間，聯(lián)合循環(huán)效率最高可達(dá)到60%左右。

燃?xì)廨啓C(jī)在高溫環(huán)境工作時(shí)，其輸出功率和效率都會有顯著的降低，其原因是燃?xì)廨啓C(jī)是一種恒定容量的機(jī)器，即在恒定的工作轉(zhuǎn)速下，沿進(jìn)氣系統(tǒng)吸入恒定體積流量的空氣（不考慮IGV 的影響），但是燃?xì)廨啓C(jī)的出力和空氣質(zhì)量流量成正比，而非體積流量，因此只要把進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣溫度降下來，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的空氣質(zhì)量流量就會增加，從而提高燃?xì)廨啓C(jī)出力和效率。本文針對現(xiàn)有的幾種成熟的進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)進(jìn)行通用性經(jīng)濟(jì)分析，為進(jìn)氣冷卻方案選取和經(jīng)濟(jì)性驗(yàn)算提供基本的技術(shù)指導(dǎo)。

1 進(jìn)氣冷卻的原理

進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)的基本原理就是通過降低燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度，增大空氣的密度，提高進(jìn)氣的質(zhì)量流量，從而使燃?xì)廨啓C(jī)的出力增大；另一方面，隨著進(jìn)氣溫度的降低，壓氣機(jī)耗功也減少。圖1是某F級燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度與性能參數(shù)關(guān)系的參考曲線。

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)設(shè)置的進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)必然會對整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣增加一定量的壓降，這部分的壓降會降低燃?xì)廨啓C(jī)的出力和效率。而且一旦進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)已經(jīng)配置，不管其是否投入使用，這個(gè)出力和效率的降低是始終存在的，會對燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生一定的影響。圖2是某F級燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣壓損與性能參數(shù)關(guān)系的參考曲線。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度與性能的關(guān)系

圖2 進(jìn)氣壓損和性能之間的關(guān)系

從圖1曲線中可以讀出，隨著進(jìn)氣溫度的提高，燃?xì)廨啓C(jī)的出力和效率均出現(xiàn)明顯的降低。這可以解釋為壓氣機(jī)的耗功量Wc隨吸入空氣的熱力學(xué)溫度T1成正比變化，即大氣溫度升高時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)的凈出力減小。

式中：ηc為壓氣機(jī)內(nèi)效率；Cp為空氣比定壓熱容；K為絕熱指數(shù)。當(dāng)大氣溫度升高時(shí)，即使機(jī)組的轉(zhuǎn)速和燃?xì)馔钙角暗娜細(xì)獬鯗乇３趾愣?，壓氣機(jī)的壓縮比也會有所下降，這將導(dǎo)致燃?xì)馔钙阶龉α繙p少，而燃?xì)馔钙降呐艢鉁囟葏s有所增高。

從圖1的曲線可以看出，進(jìn)氣溫度在20℃以上時(shí)，大氣溫度每提升1℃，出力降低0.75%左右，這對電廠效益存在非常不利的影響。在南方炎熱的夏季，高溫時(shí)段正是電網(wǎng)需要燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)揮其調(diào)峰性能、增加出力的時(shí)候，引入進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)，降低進(jìn)氣溫度，有利于燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的運(yùn)行。

2 進(jìn)氣冷卻各方式介紹和比較

2.1 蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)是利用水在空氣中蒸發(fā)時(shí)吸收潛熱來降低空氣溫度的，在焓濕圖上表示為等焓加濕過程，在理想狀態(tài)下，空氣在等焓加濕后可達(dá)到濕球溫度［1］。當(dāng)未飽和空氣與水接觸時(shí)，二者之間會發(fā)生傳熱、傳質(zhì)過程，空氣的顯熱轉(zhuǎn)化為水蒸發(fā)時(shí)所吸收的潛熱，起到降低空氣溫度的作用。

2.1.1 介質(zhì)式蒸發(fā)冷卻

介質(zhì)式蒸發(fā)冷卻又稱為水膜式冷卻，即將水膜式蒸發(fā)冷卻器置于空氣過濾器后，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣與水膜接觸從而達(dá)到降溫加濕的目的。冷卻裝置與帶填料層的噴水室結(jié)構(gòu)相似，主要由冷卻水泵、噴嘴、用以形成水膜的介質(zhì)（濕潤的蜂巢狀纖維）、除水板、水箱等組成［2］。

介質(zhì)式蒸發(fā)冷卻器的冷卻效果受當(dāng)?shù)乜諝鉂穸扔绊戄^大，設(shè)備成本較低，但是安裝和運(yùn)行成本較高，同時(shí)對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣造成一定的壓損。

2.1.2 噴霧式蒸發(fā)冷卻

噴霧冷卻系統(tǒng)使用高壓水泵把除鹽水增壓到6.9～20.7MPa，水經(jīng)過不銹鋼管網(wǎng)到達(dá)安裝在進(jìn)氣系統(tǒng)中的噴嘴矩陣。這種冷卻器將水高細(xì)度霧化后，噴入空氣流中，利用水霧化后表面積急劇增大的特點(diǎn)來強(qiáng)化蒸發(fā)冷卻效果，可以將空氣冷卻至飽和點(diǎn)附近，具有很高的冷卻效率；并且阻力損失較小，經(jīng)過冷卻后的空氣，其相對濕度達(dá)到97%～100%。在進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)，一般在濾芯之后消音器之前布置霧化噴嘴矩陣，通過噴霧泵組模塊，將除鹽水引入，并經(jīng)過過濾、加壓，通過噴嘴，產(chǎn)生霧化液滴，與入口空氣混合。噴霧量視自帶的濕度溫度監(jiān)測模塊、控制模塊調(diào)整泵組的開啟情況予以控制，來滿足不同的冷卻溫度梯度要求。

噴霧蒸發(fā)冷卻一般安裝在進(jìn)氣道過濾后，不需要較多更改進(jìn)氣道，因設(shè)備啟?？斓葍?yōu)點(diǎn)而被廣泛用于要求高溫季節(jié)提高出力的燃?xì)廨啓C(jī)（乃至聯(lián)合循環(huán)）進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)中。噴霧蒸發(fā)冷卻的設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，該冷卻方式對環(huán)境濕度的敏感度比蒸發(fā)式冷卻更低，壓降也非常小，但是其對水質(zhì)的要求比蒸發(fā)式的要高，同時(shí)，一旦發(fā)生噴嘴故障，可能對燃?xì)廨啓C(jī)的安全運(yùn)行形成一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 制冷式冷卻系統(tǒng)

制冷式冷卻系統(tǒng)是進(jìn)氣與制冷劑不直接接觸的一種冷卻方式，空氣在管外翅片側(cè)流動，冷源在管內(nèi)循環(huán)，通過對流換熱對空氣進(jìn)行冷卻。根據(jù)冷源獲取方式的不同可分為以下幾種冷卻方式。

2.2.1 壓縮式制冷冷卻

壓縮式制冷采用壓縮制冷循環(huán)，向盤管冷卻器提供冷源，冷源的獲得以消耗機(jī)械功（電力）為代價(jià)，燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣在換熱器內(nèi)被冷卻水或吸收劑冷卻。壓縮制冷系統(tǒng)簡單，可以獲得較低的制冷溫度；但最大的缺點(diǎn)是需要消耗電力，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻多發(fā)電的25%～30%要用于驅(qū)動該系統(tǒng)，這達(dá)不到增加出力的目的，所以該系統(tǒng)應(yīng)用較少。

壓縮式制冷冷卻系統(tǒng)的特點(diǎn)是對環(huán)境濕度的敏感性較低，可獲得較低的制冷溫度。但是其初期投資費(fèi)用和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用都比較高，設(shè)備交付周期及安裝時(shí)間較長，壓降大約在100Pa到200 Pa之間。

2.2.2 吸收式制冷冷卻

吸收式制冷是利用電廠余熱驅(qū)動制冷機(jī)，向燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣提供冷源，通過表面式熱交換器來降低燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度，以達(dá)到增加出力、提高效率的目的。由于該冷卻方式可以充分利用電站余熱，且利用的是低品位的熱能，因此發(fā)展較快，應(yīng)用較多。目前普遍使用LiBr作為制冷劑。

吸收式制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)和壓縮式制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)相似，對環(huán)境濕度的敏感性較低，但是初期投資較高。

2.2.3 蓄冷式制冷冷卻

蓄冷冷卻在本質(zhì)上也屬于壓縮制冷冷卻，蓄冷冷卻技術(shù)的出現(xiàn)正是基于壓縮制冷耗費(fèi)機(jī)械功（電能）的原因發(fā)展起來的。其主要是充分利用電網(wǎng)的峰谷差電價(jià)［3］，即在電網(wǎng)低谷時(shí)期，利用低價(jià)電驅(qū)動壓縮制冷機(jī)制冷，把獲得的冷量儲藏在蓄冷裝置中；到電網(wǎng)高峰期，制冷裝置停止運(yùn)行，再把蓄冷裝置儲藏的冷量釋放出來，用以冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣，降低進(jìn)氣溫度，來達(dá)到增加出力、提高效率的目的。該方式一方面可以增加低谷期用電量、擴(kuò)大高峰期發(fā)電，起到調(diào)整電網(wǎng)負(fù)荷的作用；另一方面，蓄冷用的是低價(jià)電，電網(wǎng)高峰期發(fā)電是高價(jià)電，從中可以取得電的差價(jià)利潤，達(dá)到雙重效果。

在這種冷卻方式中，燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣與冷卻介質(zhì)不直接接觸，不與制冷劑接觸，而與載冷劑通過換熱器進(jìn)行熱交換。冰、水或其它傳熱流體可用作為蓄冷介質(zhì)。

3 進(jìn)氣冷卻經(jīng)濟(jì)性分析

燃?xì)廨啓C(jī)配置進(jìn)氣冷卻后年度凈收益可以用下式表示：

式中：NPa為年度凈收益；ΔPO為因溫度降低而增加的發(fā)電量；NC為冷卻系統(tǒng)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)；Pe為上網(wǎng)電價(jià)；ΔCf為每小時(shí)增加的燃料消耗量；Pf為燃料價(jià)格；CEQ為設(shè)備總投資；n為冷卻系統(tǒng)使用壽命；CMa為進(jìn)氣冷卻每年的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用；ΔP1為因壓降增加減少的發(fā)電量；N為燃?xì)廨啓C(jī)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)；ΔPONCPe為因進(jìn)氣冷卻而增發(fā)電力的價(jià)值；ΔCfNCPf為因進(jìn)氣冷卻而多消耗的燃料價(jià)值；CEQ／n式為進(jìn)氣冷卻初始投資折算到每年的投入值；ΔP1NPe為因進(jìn)氣冷卻壓降增加而導(dǎo)致的電力損失的價(jià)值。

注：這個(gè)公式中未考慮資金的現(xiàn)金價(jià)值，以及因進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)可能導(dǎo)致的燃?xì)廨啓C(jī)本體部件壽命改變而產(chǎn)生的隱性成本等。

分析年度凈受益與電價(jià)Pe之間的關(guān)系，將（1）式可以變換如下：

假定：各種進(jìn)氣冷卻方式NC、N、n都一樣，各種進(jìn)氣冷卻方式產(chǎn)生的額外壓降一般在50～300Pa（0.5～3mbar）之間，各種冷卻方式產(chǎn)生的降溫效果一般為7～20℃（與當(dāng)?shù)氐臏囟?、濕度及選用的進(jìn)氣冷卻方式有關(guān)），根據(jù)圖1和圖2的參考性能曲線可知，因壓降導(dǎo)致的功率降低ΔP1遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于因溫度降低而增加的ΔPO，只要進(jìn)氣冷卻年運(yùn)行時(shí)間NC相對于燃?xì)廨啓C(jī)年運(yùn)行時(shí)間N不是非常小，（2）式可以簡化為：

根據(jù)上節(jié)中分析的各進(jìn)氣冷卻方式的特性對比，在燃料價(jià)格Pf固定情況下，可以得出如圖3所示的年凈收益NPa與電價(jià)Pe之間的關(guān)系曲線：

圖3 電價(jià)Pe對年凈收益NPa 的影響

從圖3可以看出，當(dāng)電價(jià)越高時(shí)，制冷冷卻的年凈收益越高；當(dāng)電價(jià)越低時(shí)，制冷冷卻虧損越嚴(yán)重，因?yàn)橹评淅鋮s的初始投資和維護(hù)費(fèi)用較高。各冷卻方式盈虧平衡點(diǎn)電價(jià)Pe1＜Pe2＜Pe3，說明噴霧冷卻可以在較低的電價(jià)達(dá)到盈虧平衡點(diǎn)，而制冷冷卻需要較高的電價(jià)才能達(dá)到盈虧平衡點(diǎn)。

而在電價(jià)Pe固定的情況下，年凈收益NPa與燃料價(jià)格Pf之間的關(guān)系曲線如圖4 所示?？梢钥闯觯?dāng)燃料價(jià)格越低時(shí)，制冷冷卻的收益越大，當(dāng)燃料價(jià)格越高時(shí)，制冷冷卻的虧損也越大，因?yàn)橹评淅鋮s受環(huán)境濕度影響較小，相比介質(zhì)冷卻和噴霧冷卻發(fā)出更多的電，消耗的燃料也更多，而且制冷冷卻的初始投資和維護(hù)費(fèi)用較高，所以燃料價(jià)格越高，虧損越大。各冷卻方式的盈虧平衡點(diǎn)Pf1＜Pf2＜Pf3，說明制冷冷卻在較低的燃料價(jià)格情況下就達(dá)到收支平衡，而噴霧冷卻可以在較高燃料價(jià)格情況下達(dá)到收支平衡，也即噴霧冷卻可以承受相對更高的燃料價(jià)格。

圖4 燃料價(jià)格Pf對年凈收益NPa 的影響

再討論進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)NC對年度凈受益NPa的影響，假定電價(jià)Pe、燃料價(jià)格Pf及燃?xì)廨啓C(jī)的年運(yùn)行小時(shí)數(shù)N均為定值。把（1）式兩邊同時(shí)除以燃?xì)廨啓C(jī)年運(yùn)行小時(shí)數(shù)N，即可以得到燃?xì)廨啓C(jī)每小時(shí)的凈收益公式：

假設(shè)Nc／N＝τ，一般情況下ΔPOPe－ΔCfPf＞0，即進(jìn)氣冷卻增發(fā)的電價(jià)大于燃料多消耗引起的成本，制冷冷卻對環(huán)境濕度的敏感性較低，冷卻溫度與冷源溫度及換熱面積相關(guān)。而噴霧冷卻和介質(zhì)冷卻對環(huán)境濕度的敏感性較高，這兩種進(jìn)氣冷卻的增發(fā)電量差不多。由此可以得出如圖5所示的燃?xì)廨啓C(jī)每小時(shí)的凈收益NPa／N和τ之間的關(guān)系曲線：

圖5 τ與小時(shí)凈收益NPa／N 的關(guān)系

從圖5可以看出，進(jìn)氣冷卻年運(yùn)行小時(shí)數(shù)越高，燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行的收益越高。針對介質(zhì)（或噴霧）冷卻，環(huán)境相對濕度越低時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)收益率也越高，該結(jié)論是假定進(jìn)氣冷卻全年環(huán)境溫度一直不變。但在實(shí)際情況下，由于環(huán)境溫度會發(fā)生改變，進(jìn)氣冷卻運(yùn)行時(shí)間越多，平均運(yùn)行環(huán)境溫度肯定越低，進(jìn)氣冷卻平均單位換熱量也越低，導(dǎo)致收益的增勢會趨近平緩。因此實(shí)際情況下的燃機(jī)每小時(shí)凈受益NPa／N和τ之間的關(guān)系曲線如圖6所示。

由于中國各地平均氣溫Ta有較大差距，氣溫對進(jìn)氣冷卻的影響較大，環(huán)境氣溫直接決定了進(jìn)氣冷卻換熱量的大小，也決定了進(jìn)氣冷卻增發(fā)功率ΔPO的大小。當(dāng)NC，N，n都為定值時(shí)，平均氣溫Ta和進(jìn)氣冷卻增發(fā)功率ΔPO之間的關(guān)系如圖7所示。

圖6 實(shí)際τ與小時(shí)凈收益NPa／N 的關(guān)系

圖7 平均大氣溫度Ta 與增發(fā)功率ΔPO之間的關(guān)系

由上圖可以看出，對于介質(zhì)（或噴霧）冷卻，燃?xì)廨啓C(jī)增發(fā)功率ΔPO隨著平均大氣溫度的上升而上升，并且增速加快，當(dāng)?shù)乜諝鉂穸仍降蜁r(shí)，增速會越大。而對于制冷式冷卻，當(dāng)平均大氣溫度增加時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)增發(fā)功率ΔPO也加快上升，但濕度對其影響較小。

4 結(jié)論

綜上所述，進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)的選用原則及其經(jīng)濟(jì)性需要考慮以下幾點(diǎn)：

1）進(jìn)氣冷卻技術(shù)需成熟，設(shè)備可靠性要高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性要強(qiáng)；

2）適合項(xiàng)目當(dāng)?shù)貧夂驐l件，不同的氣候環(huán)境宜選用不同的進(jìn)氣冷卻方式；

3）系統(tǒng)設(shè)計(jì)要符合機(jī)組的主機(jī)設(shè)計(jì)特點(diǎn)、運(yùn)行模式，對機(jī)組熱力系統(tǒng)的影響小，改造風(fēng)險(xiǎn)?。?/p>

4）通過綜合考慮項(xiàng)目的投資、年利用率、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等因素來判斷項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性。

對于具體的燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組，無論是單循環(huán)還是聯(lián)合循環(huán)，都需要獲得當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料、燃?xì)廨啓C(jī)（聯(lián)合循環(huán)）機(jī)組的性能特性、燃料價(jià)格、上網(wǎng)電價(jià)、運(yùn)行方式、投資維護(hù)費(fèi)用等參數(shù)，才能較為準(zhǔn)確地評估進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，以免得不償失。本文僅對進(jìn)氣冷卻技術(shù)作一些介紹，并對影響進(jìn)氣冷卻經(jīng)濟(jì)性的一些因素進(jìn)行趨勢分析，不作為實(shí)際判斷經(jīng)濟(jì)性的參考依據(jù)。

［1］焦?jié)櫰?，付忠廣，畢克.燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組進(jìn)氣冷卻技術(shù)分析評估［J］.熱力發(fā)電，2007，（4）：18－23.

［2］辛軍哲，辛黎虎，劉金星.燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及效果［J］.煤氣與熱力，2012，32（5）：10－14.

［3］鄭叔琛，黃志剛，王震華.淺述燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣冷卻技術(shù)［J］.南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，2（2）：1－8.