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摘要：继汽轮机和内燃机问世之后，燃气轮机吸取了二者之长而被设计出来，它的应用发展迅速成为当前世界节能技术的主要发展方向之一，而燃气轮机的发展围绕其性能的不断升级进行。燃气轮机是一种以气体作为工质、内燃、连续回转的、叶轮式热能动力机械 其热力循环通常为工质取自大气的开式循环。实际运行过程中，进气温度的降低或升高对燃气轮机出力有着较为显著的影响，本文主要针对燃气轮机进气温度对机组出力的影响进行简要分析。
关键词：燃机进气温度；燃气轮机出力；影响；降低措施
1、前言
众所周知，燃气轮机是一种以空气为工质、内燃、连续回转的、叶轮式热能动力机械。提高燃气轮机的出力和热效率有两种方法，一种方法是提高燃烧初温，另一种方法是降低燃机进气温度。对于提高燃烧初温，关键取决于提高一、二级动静叶片的耐高温性能;而对于降低燃机进气温度的方法则不受耐热金属材料技术发展的限制，对于任何型号的燃机均适用。
2、降低燃机进气温度对燃气轮机出力的影响
燃气轮机的循环是一种所谓的“白雷登循环”，循环过程在温熵(T-S)图上的表示方法如图1所示。从温熵图上不难看出面积1234就是1kg空气在燃机中完成一次循环后，输出的功，即通常所说的比功或出力。显然这个面积越大，意味着比功或出力越大。要想增加这个面积，一种方法是提高燃气初温(T3)，如图2所示;一种方法是降低燃机的进气温度(T1)，如图3所示。
2.1两种方法技术复杂性比较
对于提高燃烧初温的方法，受当前叶片、叶轮材料技术和叶片冷却技术的限制本世纪初热效率接近或达到60％的机型可将燃气初温提高到2600F(1427℃)左右，并能逐步改进提高至1500℃。但当燃气温度高于3000F(烧天然气高于3100F)时，燃气的强烈辐射热会使叶片冷却变得无能为力。故此，除非研制出更加耐高温的叶片材料否则燃气初温在提高到1650～1700℃时将达到极限，而降低燃机的进气温度则不受上述技术发展的限制。
2.2两种方法对提高燃机出力的影响程度比较
经理论分析发现，燃气初温(T3)和进气温度(T1)的影响关系可以综合地用一个参数——温度比τ来表示，即τ＝T3/T1。只要使温度比τ增大，机组的比功和热效率都能提高。且只要温度比τ相同，机组的热效率和参量lc/cpTp就会相同。但是，T3升高1K和T1每下降1K对于机组热效率和lc/cpTp的影响程度却不同。比如:在T3＝1173K，T1＝288K，即τ＝4.073的情况下，若T1降低1K时，τ值将变为4.087;假如T1维持不变，为使τ值由4.073增至4.087，温度T3就需提高4K。显然，进气温度T1每变化1K对机组热效率和lc/cpTp的影响程度，将会比燃气初温T3每变化1K时大得多。
从上述比较可以得出如下结论:采用提高燃气初温的方法通常适用于燃机制造商，有条件投入大量的人力物力研制出耐热性能更好的材料，结果是使燃机不断更新换代，成为一个个产品系列(如E级、F级燃机);而采用降低进气温度的方法则适用于燃机用户，这种方法对技术力量要求相对较低，实施难度不高，可作为技术改造项目予以实施，且得到的收益更大。
3、进气冷却对F级燃机出力影响的计算
根据上述结论，可以大致计算进气冷却对F级燃机出力的影响。在这里使用有用功系数λ来表示燃机做功能力，计算式为
式中wc为相对于1kg空气来说压气机的压缩轴功(kJ/kg);wT为相对于1kg空气来说透平的膨胀轴功(kJ/kg);ε为总膨胀比，即压比;k为空气比热比，取1.4。
目前国内引进的最先进的燃气轮机是F级燃机，主要为美国GE公司、日本三菱公司和德国西门子公司的燃机。以美国GE公司MS9001FA燃机为例，这种F级燃机的燃气初温T3约为1288℃，压比ε为15.4。由此，我们可以估算一下理想状态时在压比不变的情况下，夏季(假设环境温度为35℃)将进气冷却至15℃后，可以提升的做功能力。
从以上计算可知，将进气温度从35℃降到15℃可以提高燃机有用功约4.92％。由于有用功系数λ只说明燃机透平输出的膨胀功与压气机消耗的压缩功之间的比例，即只表示在相同单位质量工质经过透平做功后会提高4.92％左右的做功能力，但实际将进气温度降低带来的出力增加还不止这些。因为降低进气温度即增加了进气的密度，换句话说，也就等同于在相同时间吸入的空气量增加了，其单位时间内可以做功的工质增多，也将使燃机的总出力增加。
下面再计算一下温度对空气密度的影响(由于空气密度与空气湿度和当地气压有直接关系，以下计算不考虑空气湿度的影响，只是粗略的原则性计算，因此计算结果会有误差)。
在温度为35℃(308K)时，空气密度约为1.14722kg/m3;而在温度为15℃(288K)时，空气密度则为1.22689kg/m3。即说明在单位时间内多吸入了约6.94％的工质进入燃机，除去部分抽气用于叶片和轮盘冷却、阀门控制以及滤网反吹，在投入相应的燃料燃烧后可使燃机的总出力提升6.5％左右。因此，将降低进气温度对燃机总出力的影响和对有用功输出的影响叠加，可知对于F级燃机来说，夏季将35℃的空气冷却至15℃，可增加燃机出力约11.17％。
3、结语
上述论证分析的目的是为了证明燃机进气冷却技术对增加燃机出力的可行性，是仅针对燃机单循环而言的理想状态分析，其中忽略了许多影响因素，且未考虑将进气冷却所消耗的能量(具笔者估算制冷所消耗的能量约占机组出力的1％左右)，因此计算结果并不是机组效益的绝对增量。此外降低进气温度对机组热耗的影响以及对于联合循环机组出力的影响本文均未讨论，因此本文并非全面性分析。
但从分析的思路，却可以得知燃机进气冷却技术对增加燃机夏季出力的影响无疑是正面的。尤其夏季在电力行业里属于用电高峰期，能够提升燃机发电机组出力无论在满足电网的需求方面还是对于发电企业本身都具有深远的意义，是一个极具发展前景的创新技术。
参考文献：
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论文作者:刘燕群
论文发表刊物:《基层建设》2017年第33期
论文发表时间:2018/2/26
标签：燃气轮机论文; 温度论文; 工质论文; 机组论文; 热效率论文; 空气论文; 燃气论文; 《基层建设》2017年第33期论文;