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目前联合循环电厂由于电负荷调度需求和年发电设备利用小时数的降低，导致燃气轮机进入了低效运行负荷范围，为了满足宽负荷高效调峰，有必要根据燃气轮机特性通过调节燃气和空气系统，从而对燃气循环和蒸汽循环进行优化，使机组宽负荷运行时平均发电热效率较高，避免燃气轮机在低效运行区，提高电厂运行灵活性的同时保证较好的机组运行经济性。
燃气轮机是一种容积式动力机械，其输出功率与进气的质量流量密切相关。进气温度升高，空气密度下降，质量流量减小，燃气轮机输出功率降低，燃气轮机的相对效率也下降[1,2,3,4,5]，空气的进气温度对燃气循环出力和效率影响较大。对于联合循环机组，若电网电力供应紧张，则可以考虑设置进气冷却系统多发电；若电网电力供应有富余，年利用小时数并不饱满，则不宜设置进气冷却系统。
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燃机进气冷却的原理是通过冷却燃气轮机压气机入口空气温度，来提高燃机出力，同时还可以提高燃机效率。燃机进气冷却技术概括起来可以分为两大类：蒸发式冷却和制冷式冷却[6,7]。
蒸发冷却是通过向进气口喷入雾化水，利用水的蒸发吸热来降低空气温度，这种方式适用于空气湿度小的情况，降温后温度不会低于空气的湿球温度，因此其降温幅度是有限的。蒸发冷却方式系统较简单，投资省，但受大气湿度的限制，冷却效率较低，且需要消耗除盐水。通常这种冷却方式比较适用于干燥炎热地区。
制冷冷却是在进气道内设置换热面，通过冷媒质与空气的冷热交换来降低空气温度，这类制冷方式的降温幅度大，但应注意冷却后进气温度不能低于4.4～5.5 ℃，否则压气机进口可能结冰而无法运行；同时需要设置冷凝水滤除装置，用于除去进气冷却过程中的凝结水，防止其进入压气机。这类制冷需要设置制冷循环，包括压缩机或者吸收式制冷机、冷剂循环系统、冷却水系统等，系统较复杂，而且增加了燃机进气阻力。
国内目前有少数电厂安装了进气蒸发冷却装置，但基本很少投用，因此本文主要分析采用制冷冷却方式。
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进气冷却系统流程图如图1所示。流程为：系统投运时(如夏季高温天气)，低温热水或者蒸汽通过溴化锂制冷机产生冷水(制冷产生的排热由冷却塔冷却水带走)，冷水通过表面式空冷器，从而降低燃机进气温度，增加燃机出力。低温热水利用余热锅炉尾部烟气的废热，因此可提高锅炉的换热效率，但是烟气的排气温度需考虑烟气酸露点而不能太低，因此能产生的低温热水流量有限；当需制造的制冷量较大时，可采用从汽轮机低压缸抽取蒸汽进行制冷。
图 1 进气冷却系统流程示意图
Figure 1. Inlet air cooling system flow diagram
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进气冷却对燃机联合循环的影响比较复杂，一方面采用进气冷却后燃机出力及燃机热效率可获得提高；另一方面，随着进气温度的降低，燃机排气温度下降，排气流量则增大，从而使余热锅炉换热面内主蒸汽流量增大，同时主蒸汽温度也有所降低，因此采用进气冷却后汽轮机的出力和效率却不一定能得到提升。
本文采用GT-Pro/GT-Master软件对9F改进型机组进行热平衡模拟计算，探讨比较进气冷却对联合循环性能的影响。
进气冷却装置的设计条件按：
1)燃机进气阻力按增加250 Pa考虑。
2)制冷设备考虑采用汽轮机的低压缸抽取蒸汽制冷。
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以哈动力/GE 9FB.05机型为例，某项目在性能保证工况(22.4 ℃、1.008 9 bar(a)、79%相对湿度)、夏季P＝10%高温(31.2 ℃、0.999 3 bar(a)、74%相对湿度)、极端气温(38.5 ℃、1.001 2 bar(a)、82%相对湿度)下进气冷却至15 ℃前后性能参数对比如表1所示。
表 1 采用进气冷却前后燃机性能参数对比表
Table 1.
Comparison table of gas turbine performance parameters before and after inlet air cooling 工况 22.4 ℃无进气冷却 22.4 ℃冷却至15 ℃ 31.2 ℃无进气冷却 31.2 ℃冷却至15 ℃ 38.5 ℃无进气冷却 38.5 ℃冷却至15 ℃ 大气温度/ ℃ 22.4 22.4 31.2 31.2 38.5 38.5 环境湿球温度/ ℃ 19.8 19.8 27.23 27.23 35.47 35.47 进气冷却降温至/ ℃ — 15 — 15 — 15 燃机出力/ kW 274 917 290 341 251 126 288 151 230 968 288 268 基准 15 425 基准 37 025 基准 57 301 燃机毛效率/% 37.49 37.90 36.77 37.89 35.90 37.88 基准 0.41 基准 1.12 基准 1.98 燃机毛热耗率/(kJ·kWh-1) 9 603 9 500 9 790 9 501 10 028 9 504 汽机出力/ kW 156 516 156 883 146 570 140 016 135 522 120 189 基准 367 基准 -6 554 基准 -15 333 联合循环机组出力/ kW 431 433 447 224 397 696 428 167 366 490 408 458 基准 15 791 基准 30 471 基准 41 968 全厂毛热耗率/(kJ·kWh-1) 6 119 6 167 6 182 6 394 6 320 6 707 基准 48 基准 212 基准 388 全厂毛效率/% 58.83 58.37 58.23 56.30 56.96 53.67 基准 -0.46 基准 -1.93 基准 -3.29 天然气热量/ MJ 733 315 766 156 682 924 760 486 643 368 761 029 燃机排气温度/ ℃ 653.5 649.3 657.2 650.8 657.2 650.7 基准 -4.2 基准 -6.4 基准 -6.6 燃机排气流量/(t·h-1) 2 282.1 2 365 2 149.4 2 341 2 051.1 2 344 烟囱排烟温度/ ℃ 88.9 88.4 90.4 92.3 93.3 97.6 余热锅炉效率/% 89.43 89.44 90.46 90.07 91.03 90.27 基准 0.01 基准 -0.39 基准 -0.76 凝汽器压力/ bar 0.061 0.061 0.077 0.076 0.104 0.098 高压主蒸汽压力/ bar 123.6 123.6 118.3 123.3 114.1 123.4 高压主蒸汽温度/ ℃ 566.0 566.0 566.1 566.0 566.1 566.0 高压主蒸汽流量/(t·h-1) 335.2 341.8 320.1 340.3 308.5 340.6 热再热蒸汽压力/ bar 33.1 33.1 31.7 33.7 30.7 33.7 热再热蒸汽温度/ ℃ 564.2 564.1 566.1 565.7 566.1 565.6 热再热蒸汽流量/(t·h-1) 347.5 355.4 332.8 352.8 321.9 353.0 制冷抽汽压力/ bar — 6.74 — 6.74 — 6.74 制冷抽汽温度/ ℃ — 300.0 — 300.0 — 300.0 制冷抽汽流量/(t·h-1) — 16.73 — 53.46 — 116.86 -
对上述计算结果分析如下：
1)进气冷却对燃机简单循环的影响
采用进气冷却对燃机出力和毛效率有显著提升，且环境温度越高，效果越明显。
2)进气冷却对汽机出力的影响
从22.4 ℃进气冷却至15 ℃时，汽机出力增加367 kW，而从31.2 ℃冷却至15 ℃时，汽机出力则减小了6.554 MW，汽机出力波动较小，从38.5 ℃冷却至15 ℃时，汽机出力则降低了15.333 MW，说明进气冷却对汽机出力影响相对较小，且汽机出力并非随温度变化线性波动。
3)进气冷却对联合循环机组出力的影响
联合循环机组出力与燃机出力波动趋势相同，进气冷却投运温度越高，联合循环机组出力提高越多。
4)进气冷却对联合循环机组效率的影响
采用进气冷却后，联合循环机组效率降低。22.4 ℃效率降低幅度比31.2 ℃、38.5 ℃均小。说明就本项目实际条件而言，进气冷却在22.4 ℃投运较为合算，效率损失较小。
5)进气冷却对燃机排气的影响
由于燃机效率提高，天然气与空气燃烧做功更为充分，因此，进气冷却后燃机排气温度下降，且燃机排气温度降幅有限。但空气通流流量增加，排气量也有所增加，进气冷却工作温度越高，排气量也越大。
6)进气冷却对余热锅炉换热的影响
对余热锅炉而言，烟气进气温度降低，排烟温度升高，锅炉整体换热效率有所下降。
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总的来说，进气冷却作用在燃机简单循环机组上，能在燃机出力和效率两方面同时获得收益，因此该项技术在未配置汽机的单循环机组以及小型的分布式能源站用燃气轮机上可推广使用。另需注意，以上计算分析未考虑以下两点：
1)进气冷却装置的厂用电量的影响尚未考虑；
2)进气冷却装置的初投资尚未考虑。
在实际应用中应结合上述两点进行经济性分析，选取最优的进气冷却温度工作点。
对联合循环机组而言，进气冷却可提升机组出力，同时机组效率却有所下降。根据该项特点，进气冷却在联合循环机组的应用就存在局限性。若电网允许机组多发电，特别是夏季电力需求高峰期，可以通过获得较高的调峰电价弥补机组效率的降低，则可以考虑设置进气冷却系统；若机组全年总发电量固定，且年利用小时数并不饱满，那么提高机组单位时间出力就没有意义，只有效率的提升才能真正节约天然气、创造经济效益，这种情况下，不宜设置进气冷却系统。
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根据上节计算分析，进气冷却投运时，联合循环机组出力的变化趋势明显，投运温度越高，进气温差越大，出力增长越明显。联合循环机组效率的变化则较为复杂，以下建立两列模型对联合循环机组效率的敏感性进行分析。
其一，进气冷却等比降温，追踪机组效率波动趋势，寻找其中效率最高的温度点。
其二，当对机组降负荷调峰时，可以考虑以下两种调峰方案：
1)无进气冷却，调峰幅度略小。
2)运行进气冷却，配合较大幅度的调峰。
比较机组达到同样出力时，哪种方案效率较高。
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仍然以某项目性能保证工况(22.4 ℃、1.008 9 bar(a)、79%相对湿度)为例，进行变工况模拟，计算结果如表2所示。
表 2 等比降温条件下机组效率波动对比表
Table 2.
Comparison table of unit efficiency fluctuation under equal temperature lowering condition 工况 1 2 3 4 5 6 7 大气压力/ bar 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 大气温度/ ℃ 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 相对湿度/% 79 79 79 79 79 79 79 进气冷却降温至/ ℃ 22.4 20 17.5 15 12.5 10 7.5 燃机出力/ MW 274.530 279.833 285.318 290.341 293.608 296.895 300.206 汽机出力/ MW 156.144 157.125 157.611 156.883 154.892 153.048 151.214 联合循环总出力/ MW 430.674 436.959 442.928 447.224 448.499 449.943 451.420 联合循环毛热耗率/(kJ·kWh-1) 6 120 6 128 6 141 6 167 6 210 6 251 6 292 联合循环毛效率/% 58.82 58.75 58.62 58.37 57.97 57.59 57.22 燃机毛效率/% 37.49 37.62 37.76 37.90 37.95 38.00 38.05 燃机毛热耗率/(kJ·kWh-1) 9 602 9 568 9 534 9 500 9 486 9 473 9 461 烟囱排烟温度/ ℃ 86.69 87.20 87.75 88.36 88.91 89.44 89.95 凝汽器压力/ bar 0.061 0.062 0.061 0.061 0.060 0.060 0.060 结论：从表2计算结果可以看出，联合循环机组效率以不设置进气冷却时最高。从22.4 ℃等比冷却至7.5 ℃的过程中，联合循环机组效率一直随温度降低而降低，其过程中并未出现机组热效率反弹的高效点。
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仍然以本项目性能保证工况(22.4 ℃、1.008 9 bar(a)、79%相对湿度)为例，进行变工况模拟，计算结果如表3所示。
表 3 无进气冷却条件下负荷与效率对比表
Table 3.
Comparison of load and efficiency without inlet air cooling 工况 1 2 3 4 5 大气压力/ bar 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 大气温度/ ℃ 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 相对湿度/% 79 79 79 79 79 燃机负荷/% 100 95 90 85 80 联合循环总出力/ MW 431.433 412.759 395.019 377.174 359.220 联合循环毛热耗率/(kJ·kWh-1) 6 119 6 154 6 188 6 226 6 268 联合循环毛效率/% 58.83 58.50 58.18 57.82 57.43 -
燃机由22.4 ℃进气冷却至15 ℃的同时降负荷，直至机组出力与方案一降负荷出力基本一致，计算结果如表4所示。
表 4 进气冷却条件下负荷与效率对比表
Table 4.
Comparison of load and efficiency with inlet air cooling 工况 1 2 3 4 5 6 大气压力/ bar 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 大气温度/ ℃ 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 相对湿度/% 79 79 79 79 79 79 燃机负荷/% 100 95.8 90.9 86.2 81.5 76.9 联合循环总出力/MW 447.224 431.381 412.868 395.030 377.009 359.303 联合循环毛热耗率/(kJ·kWh-1) 6 167 6 196 6 233 6 272 6 317 6 365 联合循环毛效率/% 58.37 58.10 57.75 57.40 56.99 56.56 -
两种方案的对比结果如表5所示。
表 5 两种方案结果对比表
Table 5.
Comparison of the results of the two programs 方案 工况 1 2 3 4 5 一 燃机负荷/% 100 95 90 85 80 二 燃机负荷/% 95.8 90.9 86.2 81.5 76.9 一 联合循环总出力/MW 431.433 412.759 395.019 377.174 359.220 二 联合循环总出力/MW 431.381 412.868 395.030 377.009 359.303 一 联合循环毛效率/% 58.83 58.50 58.18 57.82 57.43 二 联合循环毛效率/% 58.10 57.75 57.40 56.99 56.56 从上表中可以看出，在两个方案降负荷至机组出力接近时，方案一效率较高，方案二负荷率较低，说明在在采用进气冷却系统条件下机组调节变工况经济性更差，机组出力相同情况下，方案二将消耗更多天然气。
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综上所述，主要结论如下：
1)进气冷却系统可以大幅提高燃机出力和效率，简单循环机组和无汽轮机配置的分布式能源站类机组宜使用。
2)对联合循环机组而言，采用进气冷却导致机组出力增加、效率略有下降。
3)对联合循环机组，若电网允许机组多发电，则可以考虑设置进气冷却系统；若机组全年总发电量固定，且年利用小时数并不饱满，不宜设置进气冷却系统。
4)对联合循环机组，采用进气冷却系统，随着进气温度的降低，机组效率不断降低。
5)在采用进气冷却系统条件下机组调峰的经济性比无进气冷却条件下调峰经济性差，机组出力相同情况下，将消耗更多天然气。
Effect of Inlet Air Cooling on Performance of Gas Turbine Combined Cycle
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摘要:
[目的] 为了提高联合循环电厂运行灵活性，保证较好的机组运行经济性，避免燃气轮机在低效运行区，对燃机的进气冷却系统进行分析研究。 [方法] 基于GT-Pro/GT-Master软件，通过对采用进气冷却系统前后的燃机联合循环机组进行热平衡模拟计算，对机组的性能变化以及影响因素进行研究、对机组效率进行敏感性分析。 [结果] 分析结果表明：进气冷却系统可以大幅提高燃机的出力和效率；采用进气冷却系统后联合循环机组的出力增加，但效率略有下降。 [结论] 因此，对于联合循环机组，若电网允许机组多发电，则可以考虑设置进气冷却系统；若机组全年总出力固定，且年利用小时数并不饱满，则不宜设置进气冷却系统。 Abstract:[Introduction] In order to improve the operational flexibility of the gas turbine combined cycle unit, ensure better economic performance of the unit, and avoid the gas turbine working in the inefficient operation area, this paper analyzes and studies the inlet air cooling system of the gas turbine. [Method] The performance change and its influencing factors and the efficiency sensitivity analysis of gas turbine combined cycle unit were studied according to the thermal balance simulation results of considering inlet air cooling or not, based on the GT-Pro/GT-Master software platform. [Result] The analysis results show that the output and efficiency of the gas turbine are greatly improved after using the inlet cooling system, and the output of the combined cycle unit is also increased while the efficiency is slightly reduced. [Conclusion] Therefore, for the combined cycle unit, if the unit is supposed to generate more power, the inlet air cooling system should be used; if the total annual output of the unit is fixed and the annual utilization hours are relatively small, the inlet air cooling system should not be used. -
表 1 采用进气冷却前后燃机性能参数对比表
Tab. 1.
Comparison table of gas turbine performance parameters before and after inlet air cooling 工况 22.4 ℃无进气冷却 22.4 ℃冷却至15 ℃ 31.2 ℃无进气冷却 31.2 ℃冷却至15 ℃ 38.5 ℃无进气冷却 38.5 ℃冷却至15 ℃ 大气温度/ ℃ 22.4 22.4 31.2 31.2 38.5 38.5 环境湿球温度/ ℃ 19.8 19.8 27.23 27.23 35.47 35.47 进气冷却降温至/ ℃ — 15 — 15 — 15 燃机出力/ kW 274 917 290 341 251 126 288 151 230 968 288 268 基准 15 425 基准 37 025 基准 57 301 燃机毛效率/% 37.49 37.90 36.77 37.89 35.90 37.88 基准 0.41 基准 1.12 基准 1.98 燃机毛热耗率/(kJ·kWh-1) 9 603 9 500 9 790 9 501 10 028 9 504 汽机出力/ kW 156 516 156 883 146 570 140 016 135 522 120 189 基准 367 基准 -6 554 基准 -15 333 联合循环机组出力/ kW 431 433 447 224 397 696 428 167 366 490 408 458 基准 15 791 基准 30 471 基准 41 968 全厂毛热耗率/(kJ·kWh-1) 6 119 6 167 6 182 6 394 6 320 6 707 基准 48 基准 212 基准 388 全厂毛效率/% 58.83 58.37 58.23 56.30 56.96 53.67 基准 -0.46 基准 -1.93 基准 -3.29 天然气热量/ MJ 733 315 766 156 682 924 760 486 643 368 761 029 燃机排气温度/ ℃ 653.5 649.3 657.2 650.8 657.2 650.7 基准 -4.2 基准 -6.4 基准 -6.6 燃机排气流量/(t·h-1) 2 282.1 2 365 2 149.4 2 341 2 051.1 2 344 烟囱排烟温度/ ℃ 88.9 88.4 90.4 92.3 93.3 97.6 余热锅炉效率/% 89.43 89.44 90.46 90.07 91.03 90.27 基准 0.01 基准 -0.39 基准 -0.76 凝汽器压力/ bar 0.061 0.061 0.077 0.076 0.104 0.098 高压主蒸汽压力/ bar 123.6 123.6 118.3 123.3 114.1 123.4 高压主蒸汽温度/ ℃ 566.0 566.0 566.1 566.0 566.1 566.0 高压主蒸汽流量/(t·h-1) 335.2 341.8 320.1 340.3 308.5 340.6 热再热蒸汽压力/ bar 33.1 33.1 31.7 33.7 30.7 33.7 热再热蒸汽温度/ ℃ 564.2 564.1 566.1 565.7 566.1 565.6 热再热蒸汽流量/(t·h-1) 347.5 355.4 332.8 352.8 321.9 353.0 制冷抽汽压力/ bar — 6.74 — 6.74 — 6.74 制冷抽汽温度/ ℃ — 300.0 — 300.0 — 300.0 制冷抽汽流量/(t·h-1) — 16.73 — 53.46 — 116.86 
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表 2 等比降温条件下机组效率波动对比表
Tab. 2.
Comparison table of unit efficiency fluctuation under equal temperature lowering condition 工况 1 2 3 4 5 6 7 大气压力/ bar 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 大气温度/ ℃ 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 相对湿度/% 79 79 79 79 79 79 79 进气冷却降温至/ ℃ 22.4 20 17.5 15 12.5 10 7.5 燃机出力/ MW 274.530 279.833 285.318 290.341 293.608 296.895 300.206 汽机出力/ MW 156.144 157.125 157.611 156.883 154.892 153.048 151.214 联合循环总出力/ MW 430.674 436.959 442.928 447.224 448.499 449.943 451.420 联合循环毛热耗率/(kJ·kWh-1) 6 120 6 128 6 141 6 167 6 210 6 251 6 292 联合循环毛效率/% 58.82 58.75 58.62 58.37 57.97 57.59 57.22 燃机毛效率/% 37.49 37.62 37.76 37.90 37.95 38.00 38.05 燃机毛热耗率/(kJ·kWh-1) 9 602 9 568 9 534 9 500 9 486 9 473 9 461 烟囱排烟温度/ ℃ 86.69 87.20 87.75 88.36 88.91 89.44 89.95 凝汽器压力/ bar 0.061 0.062 0.061 0.061 0.060 0.060 0.060
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表 3 无进气冷却条件下负荷与效率对比表
Tab. 3.
Comparison of load and efficiency without inlet air cooling 工况 1 2 3 4 5 大气压力/ bar 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 大气温度/ ℃ 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 相对湿度/% 79 79 79 79 79 燃机负荷/% 100 95 90 85 80 联合循环总出力/ MW 431.433 412.759 395.019 377.174 359.220 联合循环毛热耗率/(kJ·kWh-1) 6 119 6 154 6 188 6 226 6 268 联合循环毛效率/% 58.83 58.50 58.18 57.82 57.43
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表 4 进气冷却条件下负荷与效率对比表
Tab. 4.
Comparison of load and efficiency with inlet air cooling 工况 1 2 3 4 5 6 大气压力/ bar 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 1.008 9 大气温度/ ℃ 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 22.4 相对湿度/% 79 79 79 79 79 79 燃机负荷/% 100 95.8 90.9 86.2 81.5 76.9 联合循环总出力/MW 447.224 431.381 412.868 395.030 377.009 359.303 联合循环毛热耗率/(kJ·kWh-1) 6 167 6 196 6 233 6 272 6 317 6 365 联合循环毛效率/% 58.37 58.10 57.75 57.40 56.99 56.56
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表 5 两种方案结果对比表
Tab. 5.
Comparison of the results of the two programs 方案 工况 1 2 3 4 5 一 燃机负荷/% 100 95 90 85 80 二 燃机负荷/% 95.8 90.9 86.2 81.5 76.9 一 联合循环总出力/MW 431.433 412.759 395.019 377.174 359.220 二 联合循环总出力/MW 431.381 412.868 395.030 377.009 359.303 一 联合循环毛效率/% 58.83 58.50 58.18 57.82 57.43 二 联合循环毛效率/% 58.10 57.75 57.40 56.99 56.56
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图(1) / 表 (5)
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