M701F3燃气轮机TCA/FGH废热空气余热利用研究

李柏岩，蒋敬丰，杨 承

(1.深圳能源集团股份有限公司东部电厂，广东深圳 518120;2.华南理工大学电力学院，广州 510641)

随着社会对节能与环保的要求日益提高，燃气-蒸汽联合循环机组低污染、高效率的优势愈加受到关注，通过对机组经济运行及节能改进，实现节能减排也日趋紧迫。在国内燃气-蒸汽联合循环电厂中，在役M701F3型燃气轮机及其联合循环机组十余台，其燃气轮机配置空气-天然气热交换系统，即TCA/FGH(透平转子冷却空气/燃料性能加热器)热交换器，在设计条件下会向大气排出180℃左右的废热空气［1-2］，排放如此高温度的空气不仅是对能源的浪费，同时也会对环境产生热污染。因此，针对在役M701F3机组，设计建立一套有效的废热空气回收系统具有较大的节能环保意义和较高的推广价值。通过废热或热水驱动溴化锂吸收式制冷机组产生冷能，是一种废热利用的典型技术途径［3］。本文通过热水锅炉-溴化锂制冷系统对废热进行回收，讨论机组在变工况情况下的废热空气的余热回收及产生的冷量情况;分析余热回收系统的经济性，考察其节能潜力。

1 TCA/FGH系统及其运行性能

1.1 TCA/FGH系统描述

燃气轮机透平的进气温度高达1 400℃，为保护透平转子免受高温氧化和腐蚀，需对透平转子进行冷却。M701F3燃气轮机中，透平第一至四级静叶冷却空气采用压气机的第6、11、14及末级抽气，透平转子及动叶的冷却空气是经过TCA/FGH系统后压气机的末级抽气。经TCA/FGH系统的冷却空气温度可以保持在一定的范围内，这样不仅有利于缓解透平由于换热温差产生的交变疲劳，而且可以减少冷却空气量，提高燃料温度，增加机组做功量。

TCA/FGH系统是抽气冷却空气(高温空气)与天然气的热交换器，由空气热交换器和燃料热交换器构成，以冷却风机提供的环境空气(冷却空气)作为高温空气与燃料间的传热介质，流程如图1所示。

图1 TCA系统冷却流程图(机组满负荷)

TCA热交换器中428℃左右的高温高压空气将热量传给环境空气，其温度下降到167℃左右;温度升高后的冷却空气在FGH热交换器中将来自调压站的燃料温度由27℃左右提高到240℃左右，同时冷却空气温度下降到180℃左右(废热空气)直接排向大气。

1.2 TCA/FGH系统运行性能

通过能量守恒对TCA/FGH系统进行理论计算，其设计参数如表1所示。

表1 TCA系统设计参数

由设计计算结果可以看到，燃气轮机额定负荷时，废热空气的平均温度为155.1℃，因此，考虑对冷却空气的废热进行回收利用。

TCA/FGH系统的高温空气抽气量会随燃气轮机负荷变化而变化，因此，进入TCA/FGH系统的热量也会随燃气轮机负荷而发生变化。三台送风机定转速运行，故在一定的环境温度下可认为冷却空气流量基本不变，最后排出的冷却空气温度，即废热空气温度也会随机组负荷而发生变化。

对TCA/FGH系统在不同机组负荷及环境温度下的关键参数进行测量，由于风机风量的测量波动比较大，且风机恒转速运行，因此计算时取风机的设计风量40.2 m3/s。当环境温度从15℃变化到30℃时，空气密度从1.21 kg/m3变为 1.15 kg/m3，相对值变化不足5%，因此按空气质量流量48.24 kg/s计算。

根据所测量的数据得到废热空气温度随机组负荷率及环境温度下的变化曲线如图2所示。

图2表明，在一定环境温度下，废热空气温度随机组负荷率的升高而下降，这是由于随着负荷的增加，高温空气量与天然气流量均增加，但天然气流量增加比高压空气流量增加迅速。在一定负荷率下，环境温度越高废热空气温度越高，这是因为在负荷率相同时，天然气及高温空气流量几乎不变，空气的吸热量几乎相同。

图2 机组废热空气温度随机组负荷率的变化曲线

2 TCA废热回收系统设计

2.1 溴化锂吸收式制冷机热源类型简评

本文讨论利用溴化锂吸收式制冷机组对前述废热空气进行余热回收并产生冷能。溴化锂吸收式制冷机组根据热源类型分为三种形式:蒸汽型、热水型及烟气型。

燃气轮机冷却空气换热器与制冷站的距离一般超过200 m，若采用废热驱动型溴化锂吸收式制冷系统，废热空气输送距离长且管道占据空间庞大;此外，废热驱动的溴化锂吸收式制冷机组一般要求废热烟气温度在300℃以上［4-5］，而M701F3燃气轮机在75%负荷左右时TCA/FGH系统废热空气的排气温度约为180℃，此时低温烟气驱动的溴化锂吸收式制冷机的制冷系数(COP)相当低，甚至无法正常运行。因此，将空气中的废热转化为蒸汽或热水，然后通过管道输送到溴化锂制冷机是比较合理的选择。

蒸汽型溴化锂吸收式制冷机需用的蒸汽压力一般为0.6 ～0.8 MPa，制冷系数高(可达 1.41)。蒸汽的储热能力比水大很多，因此，若废热转化为蒸汽，则在设备间循环的蒸汽量将比较少。但蒸汽型换热器要求有汽水分离装置，换热装置是一台小的余热锅炉，包括省煤器、蒸发器、过热器和循环水泵等设备，设备复杂。

鉴于上述原因，本文建议废热空气余热回收系统由热水型单效溴化锂吸收式制冷机组构成。

2.2 废热回收系统流程设计

废热回收系统由一台热水锅炉、一台单效溴化锂吸收式制冷机、一台电制冷机(备用)、2台给水泵(一备一用)、一台引风机、一台热水循环泵及管道若干，该系统流程示意如图3。

图3 TCA废热吸收式制冷系统图

热水锅炉的主要作用是产生符合要求的热水;溴化锂吸收制冷机将热水作为高温热源，利用制冷剂(水)在高真空下的蒸发温度低来产生0℃以上的冷冻水;电制冷机主要用于在吸收式制冷产生冷量不足时补充冷量;引风机保证废热空气的正常流动，克服热水锅炉空气流动阻力;给水泵是为热水提供动力使热水能够在整个系统中循环流动且不汽化;热水循环泵是为了保证进入的回水温度不低于设计要求。

2.3 废热回收系统主要辅机选型

TCA废热空气温度随环境温度及机组负荷变化，因此按照当地月平均环境温度及机组平均负荷率来确定TCA系统的废热空气的设计温度。以某M701F3燃气轮机发电机组为例，机组各月的平均负荷率约75%，年平均环境温度约29℃，由图2可得废热空气的排气温度约为180℃。

热水锅炉根据产生热水温度的不同可以分为高温热水锅炉和低温热水锅炉，高温热水锅炉产生的是160℃左右的热水，低温热水锅炉产生的是95℃的热水。根据传热过程的计算发现低温型热水锅炉能吸收更多的热量，故本文选用单效低温热水溴化锂制冷系统，其进水温度为98℃，出水温度为88℃，冷水出口温度7℃，进口温度14℃，允许最低冷水出口温度5℃，冷水允许流量调节范围50% ～120%。热水锅炉的设计进水温度为88℃，热水温度为98℃，出口空气温度为108℃。根据锅炉的设计经验并经过校核计算，选取热水锅炉的传热系数为65W/(m2·℃)，传热面积 1 303.6 m2，设计废热空气温度下的热水流量为318.8 t/h。为使热水在热交换过程中不汽化，并考虑到锅炉水侧的阻力，选择热水压力为0.6 MPa。根据热水锅炉的设计计算及管道阻力计算，获得热水锅炉出水侧和空气侧的阻力，进一步可合理选择几种辅机的型号，如表2所示。

表2 引风机、热水循环泵及给水泵选型

3 废热回收余热制冷系统变工况性能

3.1 热水锅炉运行方式

热水锅炉给水泵采用变速运行方式，通过锅炉给水及热水循环流量调节热水出水温度。热水锅炉采用定流量和定热水温度两种运行方式。溴化锂制冷系统的制冷量，随着热水流量的变化，采用溶液循环量调节，控制冷冻水温度恒定运行。热水供水温度98℃，回水温度88℃。

3.2 热水锅炉变工况性能

(1)热水锅炉定流量运行

废热空气温度高于设计值180℃，热水锅炉出水温度高于98℃，热水循环泵及其阀门关闭，热水锅炉按定流量运行。

该情形下热水锅炉的变工况性能分析，主要是考察当热水流量一定(318.8 t/h)及回水温度一定(88℃)、废热空气流量一定时，供水温度随废热参数(温度)的变化规律。问题描述如图4(a)所示。

(2)热水锅炉定热水温度运行

废热空气温度低于设计值180℃，余热锅炉热水循环泵开启，通过变速或阀门调节热水循环倍率，以保持热水锅炉出水温度等于98℃。

该情形下热水锅炉的变工况性能分析，主要是考察当系统总水流量一定(318.8 t/h)、供水温度一定及回水温度一定(88℃)、废热空气流量一定时，热水循环量或循环倍率随废热参数(温度)的变化规律。循环倍率的定义:热水循环泵的流量与系统总水量之比。该问题描述如图4(b)所示。

图4 热水锅炉变工况运行参数示意图

换热器的基本传热方程及热平衡方程如下:

式中:Q为换热量，k为换热系数，F为换热面积，ΔTm为平均传热温差，Gw为热水的质量流量，cw为热水的平均定压比热容，tw，out和 tw，in分别为热水出口和回水温度，Ga为废热空气的质量流量，ca废热空气的平均定压比热容，ta，in和 ta，out分别为废热进口和出口温度。一般余热利用的换热器温差变化不大，换热温差近似采用算数平均温差;忽略换热器散热损失等。

由于废热空气的流量几乎不变，热水流量保持恒定，因此，运行过程中，热水锅炉的换热系数可认为是设计值。当回水温度为88℃时，由以上的分析可以得到废热空气温度与热水流量的关系图5。

图5 废热空气温度与热水产量关系图

3.3 余热制冷系统变工况性能

由单效制冷机组的运行图可得到制冷机组制冷系数随热水温度及冷却水温度的变化情况［7］，如表3。

表3 制冷系数随热水温度及冷却水温度的变化

在一定的热水流量范围内，制冷量与加热量成比例变化，制冷系数几乎保持不变。但当热水流量约低于70%左右时，制冷量的下降比加热量下降得快，制冷系数显著降低。制冷系统性能随热水流量的变化可由图6进行测算，图中曲线是在设计热水温度、设计冷却水及冷冻水温度下得到的。

图6 制冷系数随流量的变化关系

3.4 热水锅炉-制冷系统变工况性能

制冷量的计算式可表示为:

其中:ξ表示相对制冷系数，由图6及表3查取，0.76表示设计制冷系数，Qh表示吸热量，Q0表示冷量。

根据热水锅炉的性能(图5)及低温热水型溴化锂吸收式制冷机组的性能(图6)，在设计热水流量318.8 t/h，冷却水温度30℃时，可得到如图7所示的热水锅炉-制冷系统的变工况性能曲线。

图7 制冷量随废热空气温度的变化曲线

从图7可见，废热空气温度越高产生的制冷量越大，并且两者几乎成线性关系，其结果与文献［6］中得出的烟气温度与制冷量的结果相同。

由于废热空气温度与负荷率及环境温度有关，则由图2及图7可以得到联合循环机组-热水锅炉-制冷系统的变工况情况，如图8。

图8 机组负荷率与制冷量的关系

由图8可知，在同一环境温度下制冷量随机组负荷率的升高而下降，并且两者几乎是成线性关系，这主要是因为机组负荷率越高则废热空气温度越低，从而制冷量越小;相同的负荷率下环境温度越高制冷量越多。

4 机组实际运行情况经济性分析

废热回收的经济性与机组所在地的环境温度及电厂负荷率有关，某机组负荷率统计数据如表4。根据图8所示的回收系统变工况性能曲线以及机组每月的运行时间，通过与制冷系数为4.2的电制冷机相比较可以折算出废热回收利用的月节能情况及所能获得的经济效益，计算结果如表5。

从表5中数据可见，采用废热回收方式的年节能量大，产生的经济效益明显，每月最少可节省电费用3.8万元，最多可达18.9万元。因此，M701F3燃气轮机TCA/FGH废热空气的热回收是一种有效的节能手段，具有较大的实际应用价值。

表4 各月平均环境温度及机组负荷率

表5 废热回收系统年效益

5 结论

本文通过对联合循环M701F级燃气轮机中TCA/FGH系统废热空气余热回收系统——热水锅炉-溴化锂吸收式制冷系统的变工况分析及余热回收方式的经济性分析可以得出以下结论:

(1)废热空气的温度随机组负荷的升高而降低;在一定负荷率下环境温度越高废热空气温度越高。

(2)废热回收系统中制冷系统产生的制冷量在一定环境温度下随机组负荷升高而下降;在一定的机组负荷率下环境温度越高产生的制冷量越大。

(3)南方某典型M701F3燃气-蒸汽联合循环机组年平均负荷率约75%，此时，废热回收系统年节约电量约225.46万 kW·h，年制冷量1 004.42万kW·h。废热空气回收系统经济效益明显，具有相当大的可操作性，是一种有效的节能手段。

［1］ 蔡青春，王景汇.M701F型燃气轮机的结构特点［J］.燃气轮机技术，2009，22(3):16-20.

［2］ 蔡青春.M701F型燃气轮机中的冷却技术［J］.燃气轮机技术，2009，22(4):9-12.

［3］ 杨承，杨泽亮，林鸿，等.基于数据集成的GTCC进气冷却经济评价系统程序实现［J］.燃气轮机技术，2005，18(2):31-36.

［4］ 陈红兵，金苏敏，干练，等.废烟气废热溴化锂制冷机的分析［J］.流体机械，2008(5):68-70，57.

［5］ 郑剑娇，郭培军，隋军，等.烟气型吸收式制冷机的变工况特性研究［J］.工程热物理学报，2012，33(8):1275-1278.

［6］ 岳永亮，张红岩，董素霞，等.单双效结合余热利用型溴化锂制冷机［J］.流体机械，2003，(31):91-93.

［7］ 远大设备有限公司.远大Ⅹ型非电空调选型设计手册［M］.2011.