燃气轮机进气冷却喷雾系统
时间：2023-03-09
毕竟，热空气的密度比冷空气低。涡轮机输送恒定体积的空气，但产生的功率取决于流经涡轮机的空气质量。因此，较高的温度会导致涡轮机输出下降。压缩热空气也比压缩冷空气需要更多的工作。当进气更热时，更多的输出用于驱动压缩机，而不是旋转发电机。虽然确切的影响因涡轮机设计的不同而不同，但通常环境温度升高1摄氏度会使输出降低约0.5%至1%。航空衍生涡轮机往往对高温最敏感，但即使是重型涡轮机，当温度达到35摄氏度（95华氏度）时，其额定容量也会损失10%以上。为了应对这种温度升高，雾化系统利用蒸发的自然冷却效果来降低空气温度，从而允许更大的质量流量，并减少压缩所消耗的能量。
通过过度喷雾雾化或湿压缩降低进入压缩机的空气温度，可以实现额外的功率提升。这是通过在现有环境温度和湿度条件下向空气中添加比蒸发量更多的液态水来实现的。这种额外的喷雾被带到压缩机中，在压缩机中，压缩热允许液滴蒸发并冷却空气，即使空气正在被压缩。这降低了压缩机负荷，并进一步增加了燃气轮机的输出。进气质量1%的喷雾，可增加约5%的功率输出。将蒸发冷却和过度喷雾雾化相结合，可以使燃气轮机的额定输出功率提高20%至30%。
与任何技术一样，进气冷却必须正确实施以取得期望的效果，并且必须小心避免损坏燃气轮机。进气管道中的大液滴或流动水会因液体冲击侵蚀而损坏压缩机叶片。研究和经验为解决这些问题提供了补救措施和技术改进。
水滴大小很重要
雾化喷嘴每秒产生数十亿滴喷雾颗粒。由于蒸发仅发生在水/空气接触面，液滴蒸发的速率与比表面积成比例的。表面张力导致雾滴变成球形。球体的表面积随直径的平方成正比，但体积随直径的立方成正比。这意味着，将水分解成更小的水滴会使更多的水表面积暴露在空气中，因此蒸发速度比更大的水滴更快。
例如，对于相同体积的喷雾，40微米喷雾颗粒组成雾群总表面积只有20微米喷雾颗粒组成雾群总表面积的1/4。因此，产生较小喷雾粒径的喷雾系统更有可能在空气进入压缩机之前将空气冷却到目标温度（环境湿球温度），从而确保用给定的水量得到最大的功率提升。研究和经验表明，入口雾化液滴应不大于20微米，以在其在入口气流中停留的一到两秒内完全蒸发。要实现该目标，美泰喷雾公司的高精度雾化喷嘴是可以做到的。
避免压缩机叶片腐蚀
对于较粗的喷雾颗粒，除了需要更多的时间蒸发外，这种较粗的雾滴也不太能够跟随气流绕过汽轮机中的一些结构件，如入口消音器面板和管道支撑结构。40微米液滴的质量是20微米液滴质量的八倍，其下降速度要快得多。较大的喷雾液滴更有可能聚集在管道障碍物上或沉降到管道地板上。如果雾滴撞击管道支撑支柱，则会发生积水。
这些积聚的水可以被高速气流剥离，形成二次水滴，并且二次液粒的直径可以是毫米级（1000微米）或更大。撞击消音器面板或管道壁的水滴会在进水管道壁或地板上产生流动和积水。
如果大液滴或流动或汇集的水被吸入压缩机入口，则可能发生压缩机叶片腐蚀。压缩机入口附近的高空气速度将导致大液滴分解成小液滴，但这些小液滴仍可能大到足以在长时间内造成压缩机叶片的侵蚀。因此，在将水吸入压缩机之前，必须使用设计合理的排水系统将进水管中的水排出。在许多情况下，可以使用简单的水分流将水引向排水点。排水点上方的假地板可使水流入排水管，而不会被吸入压缩机。
雾化喷嘴排布位置
如果喷雾系统主要用于蒸发冷却，或者如果喷雾系统安装在对叶片侵蚀特别敏感的燃气轮机上，则雾化喷嘴应安装在压缩机入口上游，以便在进入压缩机之前实现最大蒸发。在大多数情况下，喷嘴的理想位置是在过滤室中，就在过滤壁的下游。该位置可以提供长达两秒的蒸发时间，这足以使具有20微米或更小液滴的雾雾几乎完全蒸发。经验表明，剩余的少量雾滴足够小，即使是最敏感的压缩机叶片也不会受到侵蚀。
当喷雾系统用于过度喷雾或湿压缩时，其目的是将大量雾滴引入压缩机。对于此类安装，通常最好将喷嘴安装在压缩机入口附近，以便喷雾不必通过入口消音器或其他障碍物到达压缩机入口。
气流中雾滴的合理分布
进气冷却雾化系统的一个挑战是使极细的喷雾颗粒均匀分布在气流中，以便它们能够快速蒸发。在典型的进气管道中，空气的混合很少，因此设计喷嘴阵列非常重要，以便喷雾尽可能覆盖整个进气横截面，并使喷嘴之间的间隙尽可能小。
具有小的喷雾雾炬或大流量的喷嘴可能会导致喷雾雾滴群体积中的水过多。在不存在雾的喷嘴之间也可能存在较大的间隙。喷雾雾群中最小的液滴很快蒸发。这会导致在较大的液滴蒸发之前，雾群中的相对湿度达到100%。与采用数量较少、流量较大的喷嘴的喷雾系统相比，具有较大数量的雾化喷嘴（每个喷嘴的流量较低）的喷雾系统将提供更好的蒸发冷却。这样的系统在入口管道中流动或汇集的水也将较少。
还应考虑气流速度的差异，在气流较高的管道横截面区域放置较高浓度的雾化喷嘴，在气流较低的区域放置较少的喷嘴。这确保了足够的喷雾来冷却高速区域的空气，并避免过度雾化。
在低速区域。计算流体动力学（CFD）分析可用于模拟管道中的气流，但实际测量的气流速度将提供更可靠的结果。适当设计和维护的雾化系统将最大限度地减少但不完全消除管道中积水的可能性，因此安装适当设计的排水系统总是有益的。
污垢和铁锈
在操作新安装的雾化系统之前，应彻底清洁进气管表面和消音板。积聚在管道表面和消音器面板上的污垢可能会被带到压缩机上，从而可能导致压缩机快速结垢。如果确实发生污垢，这可能表明压缩机正在从管道壁和地板吸入未雾化的水，因此排水系统可能设计不当。还应清洁生锈或涂层受损的区域在操作雾化系统之前重新喷涂。
泵的维护
喷雾系统需要使用除盐水，以防止压缩机叶片上的矿物质堆积和未经处理的水中矿物质可能导致的热气通道腐蚀。然而，软化水的润滑剂较差，缩短了泵密封的寿命。每年运行超过500小时的喷雾系统应配备密封冲洗泵。
冲洗泵具有特殊端口的入口歧管，可实现自来水内部冲洗。自来水冲洗冷却密封件，提供比软化水更好的润滑。在需要更换密封件之前，正常的泵密封件可能只持续500小时，而密封件冲洗泵在需要更换之前可以运行超过6000小时。
压缩机喘振
压缩机喘振通常不是蒸发冷却或过度喷雾雾化的问题。然而，如果提供大量蒸发冷却的喷雾系统突然关闭，则突然引入更热的空气可能会导致压缩机喘振。喷雾系统通常会随着时间的推移而升降，以避免这种可能性。但是，由于缺乏进水、电气故障等原因，喷雾系统可能会突然关闭。通过在高压水管线上安装廉价的蓄压器来避免这种情况的方法。如果喷雾系统突然发生故障，压力容器允许雾雾在几秒内减少，从而避免压缩机喘振的可能性。
总结
即使考虑到了所有可能的问题，客户对一开始就使用进气冷却喷雾系统还是有顾虑。不过使用进气冷却雾化系统最大的原因是产量增加了30%，成本只占新燃气轮机的一小部分。
另一个好处是热耗率。喷雾系统可将简单循环燃气轮机的热耗率提高5%；消耗的燃料更多地用于发电，而不是压缩空气。在环境方面，喷雾通过减少燃烧室中的热点，将NOX排放量减少了30%。它降低了总排放量，因为提高效率意味着每单位产出燃烧更少的燃料。鉴于其低投入，低运维成本，进气冷却喷雾系统已经在多台燃气轮机上使用，从小型气动涡轮机到G级涡轮机。与冷却器相比，雾化系统的运行成本更低，而且与介质型蒸发冷却器不同，雾化系统不会在入口产生显著的压降。
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