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摘要：文章介绍了拟建于我国西北地区的某型燃气轮机电站进行进气冷却以提高发电功率的方案。按热天将进气从37℃降至15℃～20℃，提高功率约15%。冷却系统中制冷机采用效益高的溴化锂双级吸收式制冷机，换热设备用有效可靠的双金属轧片式冷却器。最后提出了投资与回收期。
关键词：进气冷却；燃气轮机；发电功率
中图分类号：TM611 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0066-03
现在国内外有一些富余的某型燃气轮机（以下简称燃机），拟利用其在我国西北地区建燃机电站。为提高发电功率、效益，将在热天对燃机的进气进行冷却。冷却方案的参数根据燃机使用地区的气象条件在热天将进气空气从37℃，相对湿度40%，冷却到15℃～20℃，然后进入燃机。实现冷却的换热设备采用可靠有效的双金属（铜-铝）轧片式冷却器，以流过管内的冷水（7℃）将通过管外翅片的空气（37℃）冷却到要求值，而冷水由制冷机提供，本方案采用效益较好的溴化锂双级吸收式制冷机。整个冷却系统原理图如图1所示。根据系统图所需设备进行估算，每套约400万元，投资回收约2年，经济效益显著。
1 燃机性能及冷却要求
某型燃机额定功率Nn=22900kW，空气流量Ga=435T/h，排气温度t4=500℃，用天然气。电站用2台燃机2套联合循环发电装置，采用2套燃机进气冷却系统。
冷却要求是按当地气象条件，在热天将ta1=37℃及相对湿度φ=40%的湿空气在进燃机前冷却到ta2=15℃～20℃，再进燃机。冷却进气的冷水由制冷机提供，进水温度tw1=7℃，出水温度tw2=12℃。制冷机的热源用电站蒸汽。
2 进气冷却作用及原理系统
2.1 进气冷却作用及影响因素
以大气为工质的燃机其性能受大气条件特别是温度的影响很大，在同地点当温度升高时，燃机的功率和效率都降低。为改善燃机在高温进气时的性能，采取进气冷却，将空气在进入燃机前冷却到低温，使燃机功率、效率显著提高。
提出了地面气温对燃机性能影响的统计数据，燃气初温T*3从800℃～1200℃，进气温度T*1（ta）每增加10℃，功率降低6%～9%，效率降低0.0080～0.0088。某型燃机的T*3在950℃左右，则将T*1（ta）每降10℃，可提高功率约7.5%，效率增加0.0083。
分析了湿度对进气冷却热负荷的影响，说明了湿空气冷却析水凝结热（潜热）与干空气冷却热（显热）之比RB随湿度增加而加大，在T*135℃冷却至10℃时，相对湿度φ为0.8的RB约达2.0，使热负荷大增，设备相应增大；而φ为0.4时RB只约0.7，热负荷增加不多，这与本方案的计算吻合。说明了低湿度地区进气冷却效益比较高及增发电的平均发电效率高，比无冷却运行时要高12%。故预见本方案在低湿度地区其经济效益较高。
利用燃机比功Wn、功率Nn和效率ηn的表达式分析了大气温度对它们的影响，并指出了对功率的双重作用（流量和比功同时升降），因此进气冷却的主要目的是提高燃机功率。
2.2 进气冷却原理系统
2.2.1 冷却热负荷。进气冷却实质是将燃机进气的热量吸取一部分，使温度降低。此部分热量决定了冷却系统的规模，因此设计冷却系统首先须确定此热量。因大气是含水蒸汽的湿空气，其降温低于露点时放出的热量由显热和潜热（水蒸汽凝结热）组成，用式可表示为：
Q=GaCpa（ta1-ta2）+Gw·r （1）
式中：
Q——湿空气降温放出的总热量（冷却热负荷）
Ga——燃机（干）空气流量
Cpa——（干）空气平均定压比热
ta1——冷却前空气温度
ta2——冷却后（燃机进口）温度
Gw——空气从ta1降至ta2且ta2低于露点温度时析出的水量
r——水蒸汽凝结比潜热
等式右边后一部分的凝结热量（Gw·r）随空气湿度和温降的增大而增加。
因ta2一般低于露点，所以采用湿空气计算法，此时式（1）可简化为：
Q=Ga（ha1-ha2） （2）
式中：
ha1——冷却前湿空气的焓
ha2——冷却后湿空气的焓
Ga=
Gam——（湿）空气流量
d——湿空气含湿量
以上d和ha1、ha2按ta1、ta2和φ查湿空气表进行计算或查湿空气的H-d图得到。这样就可根据进气降温要求ta1和ta2值求得冷却热负荷Q。
2.2.2 冷却原理及系统。按热平衡进气降温放出的热量需在冷却器中由冷却剂吸收。冷却剂常采用吸热容量大的冷水，为加强传热，应加大工质温差，冷水温度尽量低。现国产制冷机提供的冷水温度可达7℃，可满足要求。于是实现进气冷却的循环是：进气空气通过冷却器管外侧放热降温，从制冷机来的冷水流经冷却器管内侧吸热升温，空气从ta1降至ta2后进入燃机，水温从tww1（7℃）升至tww2（12℃）后回到制冷机重新冷至7℃，再供给冷却器，如此循环，进气被冷却到预定值。
可见，进气冷却系统由燃机本身、冷却器和制冷机三大部分及附属设备、系统组成，系统原理图见图1。其中制冷机可选用，冷却器需专门设计。
3 冷却器的设计和制冷机的选择
3.1 冷却器设计
3.1.1 型式的选择。设计冷却器首先要定型式，用于进气冷却的是气水换热器，则气侧应带增加传热面积的翅片，所以其基本型式应是翅片式换热器。而其中又有轧片式、绕片式和穿片式等多种，需根据使用要求和投资效益等因素选择。本方案选择轧片式冷却器。理由是：（1）本单位生产轧片管换热器有多年经验，大量在燃机进气冷却系统中使用，性能可靠、良好。（2）换热器只占冷却系统总投资的约1/10，所以各种换热器的成本差已不成为选择的主要考虑因素。 3.1.2 设计计算。按换热器设计步骤，首先确定冷却热负荷Q，由于冷却器出口温度ta2给出的范围是15℃～20℃，我们按15℃、18℃和20℃做了三种计算对比，发现出口20℃的冷却器较合理，其所需传热面积与燃机功率提高比Fr/?N为1.08m2/kW，而出口15℃时此值为1.57m2/kW，大了50%，使冷却器大得难安排且不经济，因此ta2确定为20℃。由此按式（2）算得Q为2470kW，再可按热平衡算出所需水量Gw，即：
Gw= （3）
式中：
Cpw——水的平均定压比热
Q和Gw是选择制冷机大小的参数依据，Gw按式（3）为425T/h。
从空气和冷水温差计算平均传热温差?tm，先参考同类换热器试验资料选择总传热系数K，便可计算所需传热面积Fr：
Fr= （4）
换热管选常用于冷却器的双金属铜铝轧片管SGT-44×2.3，其单位长度外表面积Sw达1.09m2/m。于是，从Fr和Sw可得所需换热管数，再依据燃机进气间尺寸和选择适当的进风速度确定冷却器迎风面尺寸，后确定换热管的排数和每排管数，初定了冷却器结构。然后按此结构进行传热和阻力验算，必要时调整结构，直至验算的传热系数Kp>原选的K10%～20%、空气阻力?Pa满足设计要求。
本方案设计的冷却器总传热面积4300m2，按分相同的6台安排（以后可根据进风口尺寸做调整），每台迎风面尺寸为3.6×1.55m，换热管183支分6排错排，每2台为一组并联，分3组布置在进气间的3个进风口处。
3.2 制冷机选择
制冷机有机械离心式、吸收式和混合式三种，文献[10]对它们做了比较，吸收式制冷机的投资回收期最短和增加每kW电力的投资费用最低，因此我们选择吸收式制冷机的方案，其热源用电站蒸汽。
本方案具体选择国产蒸汽双效溴化锂吸收式制冷机，选择的机组型号为（双良公司）SXZ6-260D，其制冷量为2617kW（>冷却负荷2470kW），冷水流量450T/h（>所需水量425T/h），能满足要求。
4 投资和回收期估算
4.1 投资估算
进气冷却系统的设备主要由冷却器、制冷机、进气稳压舱、阀门水泵、仪表控制系统（图1中未表示出）和管道、冷却塔等组成，其中制冷机、稳压舱和仪表控制系统的投资占主要部分。按现价，制冷机一台约140万元，稳压舱一个约60万元，仪表控制系统一套约80万元，而冷却器只约40～50万元。设备费用加上配套、设计等费用，本方案一套进气冷却系统的投资约400万元。
4.2 回收期估算
估算投资回收期实际是对进气冷却进行经济分析，需要知道电价、燃料价、燃机年运行时间等数据，而这些数据现很难取得。本方案根据拟使用地区气候情况，取平均从25℃降至15℃的年运行时间为4000小时，而电价、燃气耗值等参考用户给出的数目：售电价Ce0.51元/kWh，燃气耗值Cg0.18元/kWh，燃气热值Hu8000kca1/m3，发电功率增加值参考每降10℃增加7.5%。
这样全年增加发电功率为：
?E=22900×0.075×4000=687×104kWh
每年增加的效益为：
?BT=?E（0.51-0.18）=226.7万元
考虑制冷设备功率消耗、机械效率及新增维修成本等因素，取收益系数ξ=0.85，并按10年使用期折旧，则实际年收益为：
?BTP=0.85×226.7-0.1×400=152.7万元
投资回收期为：
N==2.1年
可见本方案投资回收期短，经济效益显著。
5 结语
（1）本方案利用现有燃机建电厂及进气冷却装置，符合国家节约资源的精神。
（2）电厂拟建干燥地区，相对湿度小，冷却热负荷小，进气冷却系统投资少，投资回收期短，经济效益高。
（3）进气冷却系统选择溴化锂双级吸收式制冷机较合适；冷却器只占总投资的10%左右，轧片式冷却器工作可靠、效率高。
（4）湿空气冷却时析出冷凝水、放出凝结热，增加了热负荷，但析水可提高空气对流放热系数，减少传热面积，且析出的水还可回用，这两方面的收益可抵消部分热负荷增加的负担。
参考文献
[1] 沈炳正.燃气轮机装置[M].北京：机械工业出版社，1981.
[2] 刁正刚.燃气轮机进气冷却的热力学与经济分析
[A].中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议论文[C].
[3] 姚文江，等.进气冷却提高PGT10燃气轮机功率[J].燃气轮机发电技术，2005，（10）.
[4] 姚文江，等.燃气轮机进气冷却器热力计算[S].无锡：614所凯美锡科技公司，2006.
[5] 中国电子工程设计院.空气调节设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1983.
[6] 朱聘冠.换热器原理及计算[M].北京：清华大学出版社，1987.
[7] 姚文江，等.电厂燃气轮机进气冷却增加功率的研究[J].燃气轮机发电技术，1999，（12）.
[8] 航空工业总公司第614研究所热能工程公司.轧片管、换热器试验资料汇编[S].无锡：614所，1997.
[9] 航空工业总公司第614研究所热能工程公司.金属轧片换热管换热器[S].无锡：614所，1995.
[10] Ondryas，I.S.，etal.Options in Gas Turbine Power Angmentation Using Inlet Air Chilling Presented at 35th ASME International Gas Turbine & Aeroengine Cogress and Exposition.Brnssels，Belgium June11-14，1990，ASMEPaper90-GT-250.
作者简介：吴志才（1974—），男，江苏无锡人，无锡凯美锡科技公司工程师，研究方向：空气冷却器的设计、开发。
关键词：进气冷却；燃气轮机；发电功率
中图分类号：TM611 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）17-0066-03
现在国内外有一些富余的某型燃气轮机（以下简称燃机），拟利用其在我国西北地区建燃机电站。为提高发电功率、效益，将在热天对燃机的进气进行冷却。冷却方案的参数根据燃机使用地区的气象条件在热天将进气空气从37℃，相对湿度40%，冷却到15℃～20℃，然后进入燃机。实现冷却的换热设备采用可靠有效的双金属（铜-铝）轧片式冷却器，以流过管内的冷水（7℃）将通过管外翅片的空气（37℃）冷却到要求值，而冷水由制冷机提供，本方案采用效益较好的溴化锂双级吸收式制冷机。整个冷却系统原理图如图1所示。根据系统图所需设备进行估算，每套约400万元，投资回收约2年，经济效益显著。
1 燃机性能及冷却要求
某型燃机额定功率Nn=22900kW，空气流量Ga=435T/h，排气温度t4=500℃，用天然气。电站用2台燃机2套联合循环发电装置，采用2套燃机进气冷却系统。
冷却要求是按当地气象条件，在热天将ta1=37℃及相对湿度φ=40%的湿空气在进燃机前冷却到ta2=15℃～20℃，再进燃机。冷却进气的冷水由制冷机提供，进水温度tw1=7℃，出水温度tw2=12℃。制冷机的热源用电站蒸汽。
2 进气冷却作用及原理系统
2.1 进气冷却作用及影响因素
以大气为工质的燃机其性能受大气条件特别是温度的影响很大，在同地点当温度升高时，燃机的功率和效率都降低。为改善燃机在高温进气时的性能，采取进气冷却，将空气在进入燃机前冷却到低温，使燃机功率、效率显著提高。
提出了地面气温对燃机性能影响的统计数据，燃气初温T*3从800℃～1200℃，进气温度T*1（ta）每增加10℃，功率降低6%～9%，效率降低0.0080～0.0088。某型燃机的T*3在950℃左右，则将T*1（ta）每降10℃，可提高功率约7.5%，效率增加0.0083。
分析了湿度对进气冷却热负荷的影响，说明了湿空气冷却析水凝结热（潜热）与干空气冷却热（显热）之比RB随湿度增加而加大，在T*135℃冷却至10℃时，相对湿度φ为0.8的RB约达2.0，使热负荷大增，设备相应增大；而φ为0.4时RB只约0.7，热负荷增加不多，这与本方案的计算吻合。说明了低湿度地区进气冷却效益比较高及增发电的平均发电效率高，比无冷却运行时要高12%。故预见本方案在低湿度地区其经济效益较高。
利用燃机比功Wn、功率Nn和效率ηn的表达式分析了大气温度对它们的影响，并指出了对功率的双重作用（流量和比功同时升降），因此进气冷却的主要目的是提高燃机功率。
2.2 进气冷却原理系统
2.2.1 冷却热负荷。进气冷却实质是将燃机进气的热量吸取一部分，使温度降低。此部分热量决定了冷却系统的规模，因此设计冷却系统首先须确定此热量。因大气是含水蒸汽的湿空气，其降温低于露点时放出的热量由显热和潜热（水蒸汽凝结热）组成，用式可表示为：
Q=GaCpa（ta1-ta2）+Gw·r （1）
式中：
Q——湿空气降温放出的总热量（冷却热负荷）
Ga——燃机（干）空气流量
Cpa——（干）空气平均定压比热
ta1——冷却前空气温度
ta2——冷却后（燃机进口）温度
Gw——空气从ta1降至ta2且ta2低于露点温度时析出的水量
r——水蒸汽凝结比潜热
等式右边后一部分的凝结热量（Gw·r）随空气湿度和温降的增大而增加。
因ta2一般低于露点，所以采用湿空气计算法，此时式（1）可简化为：
Q=Ga（ha1-ha2） （2）
式中：
ha1——冷却前湿空气的焓
ha2——冷却后湿空气的焓
Ga=
Gam——（湿）空气流量
d——湿空气含湿量
以上d和ha1、ha2按ta1、ta2和φ查湿空气表进行计算或查湿空气的H-d图得到。这样就可根据进气降温要求ta1和ta2值求得冷却热负荷Q。
2.2.2 冷却原理及系统。按热平衡进气降温放出的热量需在冷却器中由冷却剂吸收。冷却剂常采用吸热容量大的冷水，为加强传热，应加大工质温差，冷水温度尽量低。现国产制冷机提供的冷水温度可达7℃，可满足要求。于是实现进气冷却的循环是：进气空气通过冷却器管外侧放热降温，从制冷机来的冷水流经冷却器管内侧吸热升温，空气从ta1降至ta2后进入燃机，水温从tww1（7℃）升至tww2（12℃）后回到制冷机重新冷至7℃，再供给冷却器，如此循环，进气被冷却到预定值。
可见，进气冷却系统由燃机本身、冷却器和制冷机三大部分及附属设备、系统组成，系统原理图见图1。其中制冷机可选用，冷却器需专门设计。
3 冷却器的设计和制冷机的选择
3.1 冷却器设计
3.1.1 型式的选择。设计冷却器首先要定型式，用于进气冷却的是气水换热器，则气侧应带增加传热面积的翅片，所以其基本型式应是翅片式换热器。而其中又有轧片式、绕片式和穿片式等多种，需根据使用要求和投资效益等因素选择。本方案选择轧片式冷却器。理由是：（1）本单位生产轧片管换热器有多年经验，大量在燃机进气冷却系统中使用，性能可靠、良好。（2）换热器只占冷却系统总投资的约1/10，所以各种换热器的成本差已不成为选择的主要考虑因素。 3.1.2 设计计算。按换热器设计步骤，首先确定冷却热负荷Q，由于冷却器出口温度ta2给出的范围是15℃～20℃，我们按15℃、18℃和20℃做了三种计算对比，发现出口20℃的冷却器较合理，其所需传热面积与燃机功率提高比Fr/?N为1.08m2/kW，而出口15℃时此值为1.57m2/kW，大了50%，使冷却器大得难安排且不经济，因此ta2确定为20℃。由此按式（2）算得Q为2470kW，再可按热平衡算出所需水量Gw，即：
Gw= （3）
式中：
Cpw——水的平均定压比热
Q和Gw是选择制冷机大小的参数依据，Gw按式（3）为425T/h。
从空气和冷水温差计算平均传热温差?tm，先参考同类换热器试验资料选择总传热系数K，便可计算所需传热面积Fr：
Fr= （4）
换热管选常用于冷却器的双金属铜铝轧片管SGT-44×2.3，其单位长度外表面积Sw达1.09m2/m。于是，从Fr和Sw可得所需换热管数，再依据燃机进气间尺寸和选择适当的进风速度确定冷却器迎风面尺寸，后确定换热管的排数和每排管数，初定了冷却器结构。然后按此结构进行传热和阻力验算，必要时调整结构，直至验算的传热系数Kp>原选的K10%～20%、空气阻力?Pa满足设计要求。
本方案设计的冷却器总传热面积4300m2，按分相同的6台安排（以后可根据进风口尺寸做调整），每台迎风面尺寸为3.6×1.55m，换热管183支分6排错排，每2台为一组并联，分3组布置在进气间的3个进风口处。
3.2 制冷机选择
制冷机有机械离心式、吸收式和混合式三种，文献[10]对它们做了比较，吸收式制冷机的投资回收期最短和增加每kW电力的投资费用最低，因此我们选择吸收式制冷机的方案，其热源用电站蒸汽。
本方案具体选择国产蒸汽双效溴化锂吸收式制冷机，选择的机组型号为（双良公司）SXZ6-260D，其制冷量为2617kW（>冷却负荷2470kW），冷水流量450T/h（>所需水量425T/h），能满足要求。
4 投资和回收期估算
4.1 投资估算
进气冷却系统的设备主要由冷却器、制冷机、进气稳压舱、阀门水泵、仪表控制系统（图1中未表示出）和管道、冷却塔等组成，其中制冷机、稳压舱和仪表控制系统的投资占主要部分。按现价，制冷机一台约140万元，稳压舱一个约60万元，仪表控制系统一套约80万元，而冷却器只约40～50万元。设备费用加上配套、设计等费用，本方案一套进气冷却系统的投资约400万元。
4.2 回收期估算
估算投资回收期实际是对进气冷却进行经济分析，需要知道电价、燃料价、燃机年运行时间等数据，而这些数据现很难取得。本方案根据拟使用地区气候情况，取平均从25℃降至15℃的年运行时间为4000小时，而电价、燃气耗值等参考用户给出的数目：售电价Ce0.51元/kWh，燃气耗值Cg0.18元/kWh，燃气热值Hu8000kca1/m3，发电功率增加值参考每降10℃增加7.5%。
这样全年增加发电功率为：
?E=22900×0.075×4000=687×104kWh
每年增加的效益为：
?BT=?E（0.51-0.18）=226.7万元
考虑制冷设备功率消耗、机械效率及新增维修成本等因素，取收益系数ξ=0.85，并按10年使用期折旧，则实际年收益为：
?BTP=0.85×226.7-0.1×400=152.7万元
投资回收期为：
N==2.1年
可见本方案投资回收期短，经济效益显著。
5 结语
（1）本方案利用现有燃机建电厂及进气冷却装置，符合国家节约资源的精神。
（2）电厂拟建干燥地区，相对湿度小，冷却热负荷小，进气冷却系统投资少，投资回收期短，经济效益高。
（3）进气冷却系统选择溴化锂双级吸收式制冷机较合适；冷却器只占总投资的10%左右，轧片式冷却器工作可靠、效率高。
（4）湿空气冷却时析出冷凝水、放出凝结热，增加了热负荷，但析水可提高空气对流放热系数，减少传热面积，且析出的水还可回用，这两方面的收益可抵消部分热负荷增加的负担。
参考文献
[1] 沈炳正.燃气轮机装置[M].北京：机械工业出版社，1981.
[2] 刁正刚.燃气轮机进气冷却的热力学与经济分析
[A].中国工程热物理学会工程热力学与能源利用学术会议论文[C].
[3] 姚文江，等.进气冷却提高PGT10燃气轮机功率[J].燃气轮机发电技术，2005，（10）.
[4] 姚文江，等.燃气轮机进气冷却器热力计算[S].无锡：614所凯美锡科技公司，2006.
[5] 中国电子工程设计院.空气调节设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，1983.
[6] 朱聘冠.换热器原理及计算[M].北京：清华大学出版社，1987.
[7] 姚文江，等.电厂燃气轮机进气冷却增加功率的研究[J].燃气轮机发电技术，1999，（12）.
[8] 航空工业总公司第614研究所热能工程公司.轧片管、换热器试验资料汇编[S].无锡：614所，1997.
[9] 航空工业总公司第614研究所热能工程公司.金属轧片换热管换热器[S].无锡：614所，1995.
[10] Ondryas，I.S.，etal.Options in Gas Turbine Power Angmentation Using Inlet Air Chilling Presented at 35th ASME International Gas Turbine & Aeroengine Cogress and Exposition.Brnssels，Belgium June11-14，1990，ASMEPaper90-GT-250.
作者简介：吴志才（1974—），男，江苏无锡人，无锡凯美锡科技公司工程师，研究方向：空气冷却器的设计、开发。