摘要：燃机具有体积小、启动速度快等优点，适合作为调峰机组。但在夏季用电高峰且环境温度较高时，往往因机组出力不足而影响其调峰能力。通过对燃机机组加装进气冷却系统，降低进气温度，已成为最有效的解决方法之一。本文主要就对燃气轮机进气冷却系统对机组经济性影响进行分析和探讨。
关键词：燃气轮机；进气冷却系统；机组经济性
1燃气轮机概述
燃气轮机是以连续流动的气体作为工质带动叶轮进行高速旋转，把燃料的能量转化为有用功的内燃式动力机械，是一种旋转叶轮式的热力发动机。多数燃气轮机都应用简单循环方案，即由燃烧室、燃气透平和压气机三大构件构成的燃气轮机循环，多被称为简单循环。因为这种方案的结构比较简单，充分的体现了燃气轮机特有的启动快、重量轻、体积小、少用甚至不用冷却水等优点。
压气机通过大气环境来吸进空气，然后经过轴流式的压气机进行逐级压缩，使得达到增压目的，同时提高空气温度；被压缩过的空气会被再次压送进燃烧室，并且和喷入的燃料混合，经过燃烧后生成高温高压气体；最后再进入透平中，开始膨胀做功，进而推动透平并推动外负荷转子与压气机同时进行高速旋转，完成气体液体燃料化学能的转化，使之变为机械能，输出电功。同时废气经由透平排出到大气中放热，把燃料的化学能又转化成热能，并把一部分的热能转换成机械能。一般来说，在燃气轮机当中，燃气透平膨胀做功带动压气机，使得压气机成为透平的负载。而在简单循环模式中，透平产生的机械能有一半或者1/3左右都用来带动压气机，剩余的又有1/3左右的机械能是用来驱动发电机的。所以在燃气轮机开启的时候，需要一个外加的动力，一般都是先由起动机来带动压气机，直到燃气透平产生的机械能超过压气机耗损的机械能时，才将外加的起动机脱离，使得燃气轮机开始独立工作。
2燃气轮机进气冷却系统的意义
燃气轮机电站的应用比较广泛，它具有热启停快、运行灵活、效率高、环境性能好等优点，其缺点是环境温度能对燃气轮机的性能产生较大的影响。因此在电厂的实际运行当中要正视冷却系统的作用，通过冷却系统能够有效的降低燃气轮机因工作所产生的温度，避免因高温导致的机组性能下降，延长燃气轮机的工作寿命。
空气温度是影响燃气轮机组运行温度的重要因素，就一般地区来说，在进入夏季高温期的时候，机组的背压可达到50kPa左右，使得机组的热经济性严重的降低，造成的高温现象在严重情况下还会导致一些安全事故的发生，不利于机组的稳定运行。在一般季节来说，受制于机组的大功率运行，运行当中也会因汽轮机的高速运转而产生较高的温度，造成机组工作寿命的减损。因此冷却系统在机组的运行过程中有着重要的作用，通过各种方式如风冷、水冷等来降低机组的整体温度，保证机组运行的稳定性，既保障了经济利益，还减少了安全事故发生的概率。
3进气冷却系统温度降低与经济性关系的数学模型
1）进气冷却系统制冷量的确定。进气冷却系统制冷量数学模型的确定需要分两种情况，该数学模型中使用了湿空气的焓数这一概念。湿空气焓数（h）是一动态变化的物理量，其计算需要空气干球温度和空气含湿量。
第一种情况，当目标冷却温度比露点的温度高时，所需制冷量（Q）等于干空气质量流量（D）与湿空气焓变化量的乘积，即Q=D*Δh；第二种情况，当目标冷却温度比露点的温度低，所需制冷量计算较为复杂。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆首先计算冷却后凝结水焓与空气含湿量的乘积，我们记为θ；随后湿空气焓变化量减去θ，记为β；最后，干空气质量流量与β相乘即可，即Q=D*（Δh-θ）=D*β。
2）燃气轮机机组输出变化关系。给燃气轮机加装进气冷却装置后，轮机机组的输出会呈现出如下四大变化：①燃气轮机空气载质的温度显著降低，轮机的输出比率增大；②进气压里损失比增大，轮机的输出比率降低；③随着制冷量的不断提高，制冷系统的整体功耗也不短加大；④轮机部分动力作为制冷动力被使用，导致系统输出能力下降。因而其数学表达式较为繁琐，最终输出变化的确定可以有计算机获得。
3）投资收益的变化关系。我们提取冷却温度作为研究元素，讨论制冷量与投资规模的关系。我们设定这样一种数学关系，假定常数ɑ与常数b是和系统相关的常数，可以经由经验获得，那么即系统的初投资额（I）就等于制冷量（Q）与常数ɑ乘积再加上常数b，即I=ɑ*Q+b。仅仅考虑制冷量与投资规模的关系远远不够，还要考虑净收益与轮机输出收益、燃料额定成本亏损、系统日常维护亏损的关系。假定A为电力价格与机组输出变化量的乘积，B为制冷量与燃料价格的乘积，那么净收益（S）等于A与B的差值再与年运行小时数（H）相乘，最后减去日常维护亏损（M），即S=（A-B）*H-M。我们将系统的初投资额与净收益相比，即可得到投资回报周期（T），即T=I/S。
4实例分析
某型号为PG9197E燃气轮机组的工作环境为夏季，温度稳定在35℃左右，相对湿度达到了80％左右，机组输出为11万kW。燃气轮机组加装的外部进气冷却系统设计参数：冷冻水的进口温度和出口温度是7.14℃，冷却水的进口温度是35.5℃，冷却水的出口温度是41.2℃，使用汽轮机的第十级抽气作为驱动热源，温度是300℃，压力接近1MPa，制冷剂的COP值为1.45，循环水泵的效率为85％。夏季工况条件下空气露点是31.42℃，为了方便观察研究系统经济性所受冷却温度的影响，采用了露点前后多个温度值进行计算，并做结果分析。
当冷却温度下降到比露点温度低的时候，温度单位降低所需要的制冷量开始急剧上升，分析其原因为当进气温度下降至露点的时候，空气中水蒸气会发生凝结现象，而水蒸气凝结需要消耗大量的冷量，导致出现上升。同时温度的下降也会使得年收益减少，其表现为增幅变慢，项目的初期投资变大，表明PG9197E型号进气冷却系统的作用不大，无法满足收益要求。
在冷却温度下降到环境露点以下的时候，空气的除湿过程会消耗大量的冷量，使得燃气轮机组的投资收益急速下降；在冷却温度与环境露点温度相接近的时候，对投资回收年限的优势比较大，处于一个较为适宜的范围，随着温度再次下降，收益仍会有上升，所以在实际工程中进行方案的选择时，要注意多方面的考虑，包括项目的初期投资、项目的年收益、项目的回收年限等因素；在冷却温度比环境露点温度高的时候，环境的空气湿度也较高，燃气轮机组的进气温度降温空间不大，所以在空气湿度较大的如沿海地区、雨水天气较多的地区，进行燃气轮机进气冷却设计的时候要采取低成本除湿手段，先对燃气轮机进行进气脱水预处理，能够达到提高经济性的目的。
5结语
总之，燃气机组在加装进气冷却系统之后能够很好的解决电力高峰和环境问题对燃气轮机组效率的影响。然而也有很多问题存在，在这当中需要重视的就是冷却温度与环境露点的协调性，不能太低，不然会造成大量的冷量损失，对效益降低，所以就需要采用合理的数学模型，经过科学计算制定合适的实际策略，达到冷却系统的效益最大化。
参考文献：
[1]胡舜锋.余热制冷进气冷却的回热燃气轮机热力系统的研究[D].中国科学院研究生院（工程热物理研究所），2007.
[2]辛军哲，辛黎虎，刘金星.燃气轮机进气蒸发冷却系统的设计及效果分析[J].煤气与热力，2012，05：22-26.
论文作者:霍彦为,蒋贞伟
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/20
标签：燃气轮机论文; 温度论文; 机组论文; 系统论文; 露点论文; 空气论文; 机械能论文; 《电力设备》2017年第17期论文;