燃气轮机进气采用喷雾蒸发冷却方式的温度分析

东北电力大学学报

第26卷第6期JournalO f N ortheast D ianli University Vo.l26,No.6 2006年12月N atural Science Edition Dec.,2006

文章编号:1005-2992(2006)06-0030-03

燃气轮机进气采用喷雾蒸发冷却方式的温度分析

白珊1,徐继祥2,徐志明1,袁斌1

(1.东北电力大学能源与机械工程学院,吉林吉林132012;2.国华宁海电厂,浙江宁波3135612)

摘要:对燃气轮机的进气采用喷雾蒸发冷却的方式降温是一个绝热加湿冷却过程。对进气空气

的温度进行分析计算,并通过计算的结果分析在我国新疆地区燃气轮机采用喷雾蒸发冷却方式冷却进

气空气的优越性。

关键词:燃气轮机;蒸发冷却;空气温度;湿度

中图分类号:TK123文献标识码:A

燃气轮机是一种以气体作为工质、内燃、连续回转的、叶轮式热能动力机械。它主要由压气机、燃烧室和燃气透平三大部件构成[1]。自从燃气轮机装置问世以来,人们一直为改善其性能进行着不懈的努力[2]。燃气轮机的热力循环通常为取自大气的开式循环,大气温度对于燃气轮机的出力和效率都有相当大的影响。文献[3]介绍了MARS-100燃气轮机组的排气温度、输出功率和热耗随进气温度的变化。随着进气温度的升高,其输出功率下降,热耗率增加。根据不同类型的燃机,压气机进气温度每升高10e,燃机出力下降6%~10%或者更高[4]。因此,采用进气冷却技术以降低燃气轮机进气温度,对提高机组出力、降低燃料消耗都有非常重要的意义。新疆塔里木油田分公司与第七零三研究所合作研制开发了国内首例喷雾蒸发冷却装置,该系统通过在燃气轮机进气道内逆进气方向喷入纯净水,利用水雾在蒸发时所吸收的显热来降低进气温度。喷雾蒸发冷却进气系统不仅降温显著,能够明显地提高燃气轮机出力、降低综合能耗,而且投资省、运行维护简单[3]。塔里木油田轮南燃气轮机电站采用该系统对燃气轮机进口空气进行冷却,在提高电站运行的经济性方面有显著作用[5]。本文基于传热学的基本原理分析了喷雾式蒸发冷却的原理和温度特性。

1蒸发冷却的原理

喷雾式蒸发冷却是一个绝热加湿冷却过程。在这个过程中,空气和水直接接触,因为是在绝热条件下,所以外界不对其供热,水蒸发需要的热量只有吸收空气中的显热来达到,从而达到降低空气温度的目的。

2进气蒸发冷却后的温度分析

压气机的进气在进行喷雾蒸发冷却时,进气温度降低的程度取决于环境温度和相对湿度。

2.1理论推导

在t a1温度时,空气中的含湿量[6]为,

收稿日期:2006-09-27

作者简介:白珊(1982-),女,东北电力大学能源与机械工程学院硕士研究生,主要从事节能理论与技术方面的研究..

d 1=M v M a n v n a =0.622U p s 1U p s 1

(1)式中:M v 为水蒸气的摩尔质量,kg /m o;l n v 为湿空气中水蒸气的物质的量,m o ;l M a 为干空气的摩尔质量,kg /m o ;l n a 为湿空气中干空气的物质的量,m o ;l U 为空气的相对湿度;p s 1为t a 1温度下的水蒸气的饱和压力,Pa 。可以根据下式计算:

p s =0.0215exp 18.5916-

3991.11t a +233.84@105(2)

p s 为水蒸气的饱和压力,Pa ;t a 为水蒸气的温度,e 。

由于容器是绝热的,对外无功和热的交换,当采用进口蒸发冷却时,湿空气流和补充水流的动能和位能差均可略去不计,则根据能量方程可得:

m a h a 1+m v 1h v 1+(m v 2-m v 1)h f 0=m a h a 2+m v 2h v 2(3)

m a 为干空气的质量,kg ;h a 1为t a 1温度下的干空气的焓值,kJ/kg ;m v 1为t a 1温度下的湿空气中水蒸气的质量,kg ;h a 2为t a 2温度下的干空气的焓值,kJ/kg ;m v 2为t a 2温度下的湿空气中水蒸气的质量,kg ;h f 0为加入水的焓值,kJ/kg ;将式(3)除以干空气的质量m a ,移项得:

(h a 2+d 2h v 2)-(h a 1+d 1h v 1)=(d 2-d 1)h f 0

又因为

h 2=h a 2+d 2h v 2,h 1=h a 1+d 1h v 1

所以式(3)就可以写成下式

h 2-h 1=(d 2-d 1)h f 0(4)

式中:h 1和h 2分别为t a 1和t a 2温度下湿空气的焓值,kJ/kg ;d 1和d 2分别为t a 1和t a 2温度下湿空气的含湿量,kg(水蒸气)/kg(干空气)。

如取比热和汽化潜热都为恒定值,则式(4)可写成,

[c pa t a 2+d 2(h H 2O +c p s t a 2]-[c pa t a 1+d 1(h H 2O +c ps t a 1)]=(d 2-d 1)h f 0(5)

在温度变化范围不大的情况下(一般不超过100e ),干空气的比定压热容c pa 为1.005kJ/(kg #K ),常温常压下水蒸气的平均比定压热容c ps 为1.859kJ/(kg #k),而0e 时饱和水蒸气的焓值h H 2O 为2501kJ/kg 。

则式(5)可写成,

[1.005t a 2+d 2(2501+1.859t a 2]

-[1.005t a 1+d 1(2501+1.859t a 1)]=(d 2-d 1)h f 0

(6)根据式(6)可以求出加湿冷却后的空气温度t a 2,假设加湿后达到饱和,即达到喷水冷却的理想状

态,则含湿量d 2为,

d 2=0.622p s 2

p -p s 2(7)式中:p s 2为t a 2温度下的水蒸气饱和压力,Pa 。

由式(1)、(2)、(4)、(6),将式(7)进行迭代,可以解得加湿冷却后的相对湿度为100%的空气温度t a 2。

2.2 计算实例

取水的初温t d =15e ,空气的初始状态为p a =1.01325@105

Pa ,初始温度分别为t a 1=30e 、t a 1=40e 、t a 1=50e 时,通过编制迭代程序进行运算,得到如下关系:

图1给出了空气初始的相对湿度U 和温度t a 1对蒸发冷却后的空气温度t a 2的影响。如果空气初始的温度为50e ,当初始的相对湿度为80%时,空气达到饱和时温度降为46e ,但如果初始的相对湿度为20%,则达到饱和状态时的空气温度为28.3e 。因此可以得出:环境空气相对湿度越低,降温的效果越明显。31第6期 白 珊等:燃气轮机进气采用喷雾蒸发冷却方式的温度分析

32东北电力大学学报第26卷

图2给出了空气初始相对湿度和温度对空气降温幅度的影响。如果空气的初始温度为50e,当初始相对湿度为80%时,空气达到饱和时温度降低4e;当初始相对湿度为20%时,空气达到饱和时温度降低21.7e。如果空气的初始温度为30e,当初始相对湿度为80%时,空气达到饱和时温度降低3e;当初始相对湿度为20%时,空气达到饱和时温度降低14.3e。因此可以得出:同一相对湿度的条件下,环境空气的初始温度越高,其降温的幅度越大。而当环境温度一定时,空气的降温幅度则随初始相对湿度的增大而减小。

图3给出了空气相对湿度和温度对蒸发前后含湿量的影响。如果空气的初始温度为50e,当初始相对湿度为80%时,空气达到饱和时含湿量增大0.0018kg(水蒸气)/kg(干空气);当初始相对湿度为20%时,空气达到饱和时含湿量增大0.009kg(水蒸气)/kg(干空气),说明对于相同的初温,初始湿度越小含湿量的变化越大,也即蒸发的水量越多。如果空气的初始温度为30e,当初始相对湿度为80%时,空气达到饱和时含湿量增大0.0012kg(水蒸气)/kg(干空气);当初始相对湿度为20%时,空气达到饱和时含湿量增大0.0059kg(水蒸气)/kg(干空气),也就是说对于相同的初始湿度,空气的初温越高,含湿量的变化越大,蒸发的水量也就越多。

3结论

由以上图表得出的结论可以看出,蒸发冷却进气后的效果与环境的温度和相对湿度有直接的关系。环境温度越高,相对湿度越小,冷却的效果就越好。

根据新疆塔里木油田轮南(即西气东输的首站)地区的温度特性,夏季气温常常超过40e,相对湿度在10%左右的特点(塔中、吐鲁番等地夏季昼间气温在50e以上,相对湿度接近0%),采用喷雾蒸发冷却的方法冷却燃气轮机的进气是十分有利可行的。

参考文献

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T e m perature Analysis on G as Turbi ne Inlet A ir byW ater

Spray E vaporative Cooli ng

BAI Shan,XU J-i xiang,XU Zh-i m ing,YUAN B in

(Energy Sources and Eng i ne Eng i neeri ng Co ll ege,N o rt heast D ian liU niversity,Jili n C ity,132012)

Abst ract:It is an adiabatic,hu m i d ification,and coo li n g process for gas t u rb i n e inlet air by w ater spray evapo-rati v e coo li n g.This paper calcu lates the te m perature o f inlet a ir,and analyzes precedence o f gas t u rb i n e i n l e t a ir-coo li n g by w ater spray evaporati v e coo li n g in X i n ji a ng area.

K ey w ords:gas tur b i n e;evaporati v e coo li n g;a ir te m perature;hum i d ity