进气加湿装置在燃气轮机上的应用

进气加湿装置在燃气轮机上的应用

刘道鹏

广东粤华发电有限责任公司

摘要：通过在燃气轮机的压气机进口布置空气加湿装置，改善进气空气环境，明显调高了机组带负荷能力，增加燃机做功能力，同时也对NOx排放起到一定的降低作用，对机组环保排放起到积极效果。

关键词：燃气轮机，加湿；带负荷能力；NOx排放；

一、概述

某电厂建设的两台西门子9F级燃气机组，编号分别为#1、#2联合循环机组。两台机组采用SCC5-4000F燃气-蒸汽联合循环发电机组，由上海电气和西门子联合体生产的SGT5-4000F(4+)型燃气轮机、LZC141.6-12.50/2.95/1.90/0.35型三压再热双缸抽凝式轴向排汽汽轮机、THDF108/53型水氢氢冷却发电机和SG-270 循环余热锅炉组成。燃气轮机、蒸汽轮机和发电机刚性的串联在一根长轴上，轴系配置形式为：燃气轮机～发电机～蒸汽轮机（高压缸、中低压合缸）。发电机和汽轮机之间为自动同步离合器连接，整个轴系长度达52米，转子中心高度为5.5米，额定转速3000r/min，沿燃机气流方向逆时针转动。整个机组设置8道轴承，从燃机到汽轮机低压缸依次为#1～#8轴承。其中两个径向推力联合轴承分别设置在压气机轴承和汽轮机高压缸、中低压合缸之间，转子的死点在推力轴承处，转子沿死点向两端膨胀，自动同步离合器能吸收-3～35mm轴向膨胀量。

SGT5-4000F(4+)型燃气轮机采用冷端输出功率方式，主要由压气机、燃烧室及燃气透平三大部件组成。压气机和燃机透平为多级轴流设计，共同使用一根公共轴，压气机共15级，压比18.2，燃气透平共4级，燃烧室为环型结构，逆时针布置，内置金属、陶瓷遮热板，整个燃气轮机及燃料控制阀组件布置在燃机罩壳内。

#1、#2机组均是按抽汽供热功能设计，但由于周边缺少热用户，且需要配合电网调峰，两台机组在实际运行中是按两班制方式运行，一年的启停次数超过200次/台。

二、存在问题

该电厂处在市电网负荷中心，是其重要电源支撑点之一。电网对机组带负荷能力要求高，同时也要求机组具备强大的调峰能力，保证电网稳定安全运行。尤其在夏季，电网负荷需求更大，日均负荷长时间维持在满载工况下。按照报调度备案的机组参数，#1、#2机组在夏季满负荷为393MW，但机组实际负荷与调度要求差距较大。

#1、#2机组性能工况如下：大气温度22℃，相对湿度：77%，大气压力：0.10116MPa。冷却水温度：24.3℃；天然气供应压力：≮3.2Mpa。

机组ISO工况：大气温度15℃，相对湿度：60%，大气压力：0.1013MPa

冬季工况：大气温度13.6℃，相对湿度：71%，大气压力：0.10194 MPa。

夏季工况：大气温度28.5℃，相对湿度：82%，大气压力：0.10037 MPa。

ISO/冬季/夏季工况，机组100%出力分别为：436.0MW/440.73MW/393.37MW。在实际运行中，由于周围环境工况与设计偏差较大，机组的出力也很难达到设计值，尤其在夏季，某些时刻最大出力只有370MW左右。

三、原理及应对措施

空气环境对燃气轮机的做功有着明显的影响。从上述性能工况看出，机组的出力，对压气机进口空气参数要求敏感。而从原理上来讲，燃气轮机需要吸入空气，与天然气混合燃烧做功。因此进入燃气轮机的周围环境的空气质量流量等都影响它的性能。其中，在一定空气温度下，湿度的增加，可以增加燃机的做功能力[1] [2]。

同时大气温度对燃气轮机的做功能力影响也很明显。从循环理论分析可知，为了提高循环热效率和循环做功量，应尽可能降低工质的最低温度，改善燃气轮机的经济性。相关研究证明随着大气温度的增加，燃气轮机各部分做功能力损失都相应的增加，进气温度越高，做功能力损失越大[3]。

大气参数的改变，对燃气轮机的燃烧特性也有着明显的影响。相关研究证明，特别是大气温度对燃气轮机的NOx排放，由于影响燃烧过程，大气温度的降低可以降低NOx的排放[4]。

通过上面的阐述，可以通过改变压气机进口空气的参数，来改善机组的做功能力。综合考虑改造难度与投入等因素，在压气机进口合理布置加湿装置，对入口空气参数进行干预，即降低大气温度与提高大气湿度，到达了比较理想的目的。

四、加湿装置的布置

在压气机进口平台，分别布置6台水冷喷雾机，每台喷雾机现场手动单独投运和退出，根据机组运行情况，自行调整投入台数。

喷雾机是由叶轮、风筒、后导流器、喷雾装置以及支架等部分组成，采用了 新型叶轮，高性能后导流器和新型电机支持结构，风机效率比较高，成雾也稳定， 雾量调节范围比较大，雾滴直径十分均匀，操作简单方便，使用寿命较长。

喷雾机连续工作时间≤4 小时，中间休息10分钟，（内部高压泵和电机的散热）。现场手动旋钮可使设备进入时控开关模式，到时间设备自动休息， 自动开启（出厂时控开关已设定）。

喷雾机参数

根据现场设备布置情况，喷雾机采用生活水作为工作介质，从就地生活水管接出3条雾化管线，6条支管到每台喷雾机。管道系统设置手动总门和手动分门，用以事故情况下的隔离。

系统图如下：

五、使用效果

自加湿装置投入运行以来，整套装置运行平稳，可以根据机组负荷需求适时投用，燃气机组运行良好。机组的带负荷能力明显提升，同时机组排气的NOx含量也有着显著下降。

统计装置投运一个月以来，采取其中7次100%负荷时相关数据如下。

备注：NOx超过50mg/Nm3,机组投入SCR脱硝系统，低于50mg/ Nm3时退出。

统计可知，投入进气加湿装置后，在100%负荷下，机组的带负荷能力大约提升了6MW，NOx下降了约0.5 mg/Nm3 ，达到了设计目标。

同时，在统计周期内，厂内SCR脱硝系统投入时间降低了约15天，节约尿素量约40吨，环保经济效益得到提高。

六、结论

通过在燃气轮机的压气机进口设置加湿装置，#1、#2机组的带负荷能力得到明显提升，同时排气的NOx排放也有了明显下降，取得了较好的经济效益。为同类型机组提供有益借鉴。

参考文献

[1] 邬扬杰,大气湿度对燃气轮机性能的影响及其修正方法，船舶工程[J]，1991年第5期.

[2] 杜善毅,大气状态对燃气轮机性能的影响.燃气轮机技术[J]，第5卷第3期，1992年9月.

[3]刘斌；张仁兴；贺星,大气温度对燃气轮机做功能力损失的影响分析.节能[J]，2009年第1期(总第318期).

[4]肖俊峰；李晓丰；王峰， 燃气轮机技术[J]，2020年第3期.