文章编号：0253-4339(2014) 050088 06doi: 10. 3969/j issn. 0253 4339. 2014. 05. 088
张丽娜徐士鸣李见波
（大连理工大学能源与动力学院大连116024）
摘要燃气轮机的性能受到环境温度的影响其输出功率和效率随进气温度升高而降低这一问题可以采用进气冷却的方法 来解决.本文根据天然气长输管线加压站燃气轮机排气废热及其使用场合的特点在满足燃气轮机进气冷却要求的基础上提出一种以R124-DMAC为工质的废热驱动的全空冷型吸收式制冷系统的燃气轮机进气冷却方案并对此方案进行循环热力计算及性能影响因素分析.理论研究结果表明：该制冷循环切实可行在环境温度较高时也能保证系统稳定运行和较高性能系数 关键词进气冷却；吸收式制冷：燃气轮机；R124-DMAC
文献标识码：A
Study on Cycle Characteristics of AbsorptionRefrigerationDriven by WasteHeatfrom Gas Turbine
Zhang Lina Xu Shiming Li Jianbo
( School of Energy and Power Engineering Dalian University of Technology Dalian 116024 China)
AhstractThe abie mpa ins the pfme f gas ti. T pr t an effcny f gas tuin dese aq an aq p sμpemp aq uo psq s aed sL u e q oo q psps aq u t mgsae amu p ao spx s qm ef aq o pdd osp 3oq mg s pmad s pm e do s pue auq sf ajinlet air cling a fllirling mde abti refrgetio systm is ed.The ytm is driven b gs tbe steh ingR124-DMAC as working fuid. In additim the cycle thermdyamic calulation and the pefme analysis o inflening facs for this syem were de.Th tbeetical research resuls show th the refrigerati cle is feasile.The cycle can operate stadily ith high coefficient of perfommance ( COP) while the ambient temperature is high.
Keywords inlet air cooling: absorption refrigeration gas turbine; R124-DMAC
动加速快、高效率、低噪声等优点被视为最适于天然用方案2-).气长输管线加压站的动力设备，然而燃气轮机是一燃气轮机的出力下降.环境温度升高还会使压气机的工作效率及压缩比降低同时压气机的耗功也随之 增大从而导致燃气轮机的出力进一步下降，文献[1]由燃气轮机性能曲线推导出如下结论：当环境空气温度从15℃（ISO规定的燃气轮机标准进气温度）升高到30℃时，燃气轮机的输出功率会下降近染.如果利用燃气轮机排气废热驱动吸收式制冷机低压蒸发器的余热驱动漠化锂制冷机使燃机进气温来冷却进气既能有效利用燃气轮机的排气废热又度下降10-12°℃燃机功率增加约2150kW.
燃气轮机因其具有重量轻、体积小、设备简单、启能提升燃气轮机的性能不失为是一种较好的废热利
种定进气体积流量的动力设备其工作性能与其所处设计了废热驱动的单效澳化锂吸收式制冷机对进气 SahilPapli等针对中东地区高温高湿的特点，减小进入压气机和燃气透平的空气质量减少，使得出的废热驱动的漠化锂制冷机组可提供12.3MW的等设计了紧凑型双效澳化锂吸收式制冷机燃气轮 冷量并可把进气温度冷却到10C左右、M.Ameri机进气冷却系统在高温环境下可使燃气轮机动力输出提高11.3%项目投资回收期为4.2年.王松岭等利用AspenPlus软件模拟了采用热管型溴化锂10%.此外燃气轮机有大量高温排气废热如果不温下降10C到15℃且运行费用仅为压缩制冷系统 吸收式制冷的燃机进气冷却技术可使压气机进口气回收利用此废热会造成能源的浪费和对环境的热污的5%左右：浙江金华燃机发电有限公司完全利用
分析认为，在直接空冷的要求下，采用有机工质对R124-DMAC（一氯四氟乙烷和二甲基乙酰胺）作为吸收式制冷工质比较合适-基本物性参数如表！所列， 工质热物性参数（压力、温度、质量分数、比等）关联计算方程已有学者进行了测试.此工质对具有低毒、低可燃性、不结晶、对金属无腐蚀作用、对环境影响较小、在空冷条件下工作压力较低等特点
然而澳化锂机组在运行中一方面要耗用大量冷却水另一方面使用的冷却水一般都取自未处理的硬水（含城市自来水）在应用环境较差的情况下容易 造成吸收器、冷凝器管内结垢从而影响传热效果降低机组制冷量和使用寿命.针对我国多处于水资源乏的高温干早（沙漠）地区的天然气加压站其燃气轮机进气冷却系统则不适宜采用澳化锂-水吸收 式制冷系统必须采用直接空气冷却方案.因此经过
Tah.1 Basic physical parameters of R124 and DMAC at standard state 表1标准状态下R124和DMAC基本物性参数
密度/ 热容/ 沸点/ 气化潜热/ 临界温度/ 临界压力介质 分子式 分子量 (kg/m²) (kJ/( kg*K)) ℃ （k1/kg) MPaR124 CHF C 136. 50 564. 97 1. 13 11. 0 194. 0 122. 2 3. 574DMAC C H NO 87. 12 942. 80 1. 92 165.0 519. 16 382. 4 4. 211
1燃气轮机废热制冷循环
图1以R124-DMAC为工质的燃气轮机废热驱动的空冷型单级单效吸收式制冷循环流程图.该循环由发生器、气液分离器、吸收器、冷凝器、蒸发器、溶 液热交换器、溶液泵及节流阀等所组成.利用燃气轮机排气废热作为热源在发生器中加热一定浓度的溶液使溶液部分气化，并通过气液分离器内分离出制冷剂（R124）蒸气、制冷剂蒸气在空冷式冷凝器中凝结成液体再经过冷器降温、节流阀降压至蒸发压力 后进入蒸发器内蒸发，产生冷量去冷却燃气轮机进气.蒸发器内产生的低压制冷剂蒸气过热后再流入空冷吸收器中被来自气液分离器并经溶液热交换器（浓溶液）经溶液泵升压并经溶液热交换器升温后进 冷却后的稀溶液吸收-吸收制冷剂蒸气后的溶液入发生器再次被燃气轮机排气加热，完成一个工作循环.
F吸收器C冷却风扇H溶液泵1节流间J溶液热交换器1~19位置点
图1燃气轮机废热驱动的空冷型吸收式制冷循环流程 Fig. 1 The working flow of air-cooling absorptionrefrigeration driven by gas-turbine waste heat
发生器：
(1)
其中溶液循环倍率：
2循环热力计算模型
(2)
2.1建模假设
器
1)忽略循环内设备散热损失；2）只考虑对流换热忽略辐射换热；3）忽略不凝气体对换热的影响；低 0. 01 MPa; 4)考虑到管路阻力，设定吸收压力比蒸发压力5)当换热管内的溶液和蒸气共存时，溶液和蒸气处于气液平衡状态.
（3)
（4)
q =h-h=h-h 蒸发器：
(5)
9.=h-h吸收器：
2.2热力循环计算模型
q =h Ah - b) - h溶液热交换器：
1)各设备单位质量制冷剂换热量
吸收器冷却风机功率：
（7)
q=fhg-h}=（f-1）（ho-h）)溶液泵功：
(22)
(8)
N1000p 制冷系数：
，1000p.n2）进气冷却所需的冷负荷：
(23)
(9)
流经冷凝器冷却空气温升：
量计算. 其中湿空气的燃值计算需要用到湿空气的含湿
(24)
(10)
流经吸收器冷却空气温升：
湿空气焙值：
(25)
(11)
流经发生器烟气温降：
3）制冷系统备设备换热负荷计算
制冷剂流量：
(26)
(12)
以上各式中：q为单位质量制冷剂换热量kJ/ cm kgf为溶液循环倍率kg/kg:h为比馆kJ/kg≤为质量分数；p为密度kg/m²；n为效率：p为发生压力Pap为吸收压力PaP为饱和空气的水蒸气 分压力kPa为空气相对湿度；：为温度，C；m为质量流量kg/s:Ap为压降Pa:c.为定压比热kJ/（kg*K）：下标：1-19为图中的位置点；g为发生；c为冷凝；sc为过冷：e为蒸发；ab为吸收；ex为溶液热交换；r为制冷剂；s为浓溶液；w为稀溶液；a为空 气；y为烟气.
(13)
(14)
Q.=m *9冷凝器负荷：
(15)
(16)
蒸发器负荷：
(17)
3循环热力计算特性分析
吸收器负荷：
(18)
3.1制冷循环设计参数
溶液热交换器负荷：
质的空冷型吸收式制冷循环设计工况参数如表2所 燃气轮机排气废热驱动的，以R124-DMAC为工列，由于燃气轮机铭牌参数只给出了额定工况下的排气流量因此其进气流量需要进行推算
(61)
溶液泵功率：
(20)
N =m w 冷凝器冷却风机功率：
(21)
表2制冷循环设计工况参数
Tab. 2 Given parameters of refrigeration cycle
燕发温度/℃ 冷凝温度/℃ 环境温度/℃ 大气相对湿度 进气温度/℃ 进气相对湿度吸收温度/℃ 3 冷却空气温升/℃ 50 洛液浓度差 35 30% 15 过量空气系数 90%45 7 0.09 燃机排气温度/℃ 457 燃气流量/（kg/s） 90.26 1.15
设燃料成分为（CHONS.）.1摩尔燃料完全燃烧需要的理论量空气的摩尔数为：
(27)
β摩尔燃料与L摩尔空气的燃烧方程为：
根据已知的额定工况下燃气轮机的排气量和空气系数，可以求得该燃气轮机的进气流量m，为85.9kg/s.
(28)
3.2设计工况循环热力计算结果
燃气轮机排气废热驱动的，以R124-DMAC为工质的空冷型吸收式制冷循环设计工况下循环热力计算结果如表3所列.
式中：a为过量空气系数：β为燃料系数（为过量空气系数的倒数）.
根据式（27）和（28）燃气轮机以天然气作为燃料时，
表3设计工况下燃气轮机废热制冷循环热力计算结果
Tab. 3 Thermal caleulation results of refrigeration cyde driven by gas-turbine waste heat under given conditions
参数设备名 位置 温度/ 压力/MPa 浓度 流量/（kg/s） 负荷/kW11 53 0.502 8 41.1吸收器 6 45 0. 166 5 0.592 8 50.2 2 915.35 1 9.1发生器 8 110.2 0. 592 8 50.210 129. 3 129. 3 0. 760 4 0.502 8 41.1 9.1 3 683. 21 7 45 18 113.1 0. 592 8 50.2溶液热交换器 10 129.3 0.760 4 6 569. 311 53 0.502 8 41.1冷凝器 1 129. 3 0. 760 4 1 9.1 2 748. 22 502 50 0. 760 4过冷器 3 39.1 1 9.1 117 94 3 0. 176 55 3 39.1燕发器 4 3 0.176 5 9.1 086 6 45 0. 166 5溶液泵 7 45 0.760 4 0.592 8 50.2 33.1
注：溶液循环倍率为5.52;COP为0.52
围可使制冷循环在较低的溶液泵流量条件下达到 制冷循环的工作特性有较大的影响合适的放气范较高的COP值这对减低溶液泵耗功非常重要.从图2中可以看出，当其它工作参数不变时随着放气范围的增大溶液循环倍率随之减小而循环COP值随之增大-当放气范围继续增大时，循环COP值的 增幅趋于平缓.当浓溶液浓度不变时放气范围的增大会意味着稀溶液浓度的降低这将导致出发生器的
0.52.在50℃冷凝温度条件下制冷系统的最高工 设计工况下计算得到的制冷循环COP值为作压力仅为0.76MPa（绝压）出发生器的溶液温度为129.3 °℃.
4循环性能影响因素分析
4.1放气范围变化对循环性能的影响
放气范围（稀、浓溶液之间的浓度差）对吸收式
溶液温度升高，对回收废热不利.另外，由于R124-DMAC工质对的沸点差只有176C稀溶液浓度降低也会使发生出的混合蒸气中吸收剂的含量增加， 对无精馏设备的制冷系统而言制冷剂中吸收剂含量增大其制冷能力减小.因此经综合考虑，设计的制冷循环的放气范围确定为0.09
4.2发生器负荷率的影响
放的废热而燃气轮机工作时不能保证任何时刻都处 由于吸收式制冷循环的动力来源是燃气轮机排于额定功率下运行，实际的燃机进气量和排放的废热量随其出力的变化而发生变化进而使得发生器负荷和制冷负荷也随之变化.为分析发生器负荷的变化对制冷循环特性的影响将溶液泵流量按两种策略 进行控制：一种是溶液泵流量不变控制策略（casel），另一种是保持溶液放气范围不变（case2）的控制策略-在case2控制策略下溶液泵出口流量随发生器负荷率的变化进行调节.图3给出了两种溶液泵控 制策略下其他工作参数不变时循环制冷量随发生器负荷率的变化关系.图中可见在相同的发生器负荷率下rase2的制冷量大于casel.表明采用保持溶液放气范围不变的溶液流量控制策略发生器负荷变化对循环制冷量的影响相对较小，考虑到所研究的制 冷系统制冷负荷量级较大采用控制溶液放气范围不变的策略控制较为适宜.
4.3环境温度的影响
由于所研究的废热制冷循环采用纯空冷方式，吸收器和冷凝器的冷却都通过空气.所以环境温 度的高低影响冷凝温度和吸收终了的溶液温度，进而影响制冷系统各运行参数，对于一个设计参数确定的废热制冷系统其系统内各换热和运转设备的结构形式及传热面积是一定的，所以可以将发生器的负荷设为已知参数即取设计工况下的发生 器负荷.在溶液放气范围不变的控制策略下，对不同环境温度下的循环进行热力计算其计算结果如图4和图5所示，两图分别给出了制冷负荷和燃机进气温度溶液循环倍率和循环COP值随环境温度 变化关系.图中可以看出，当环境温度从设计的环境温度（35℃）升高到40℃时，吸收终了的浓溶液浓度将会降低，溶液循环倍率上升，制冷量和循环COP值下降，由于环境温度升高，导致系统制冷能力的下降，使得燃气轮机进气温度从设计值（15 C）上升到大约20℃.由此可见环境温度变化对采用燃气轮机排气废热驱动的吸收式制冷系统以及燃气轮机进行冷却有很大的影响.
图2放气范围对制冷循环的影响
Fig. 2 Influence of deflation ratio onrefrigeration cycle
图3发生器负荷率对制冷循环的影响
Fig. 3 Influence of generator load ratio on refrigeration cyele
图4制冷量和燃机进气温度随环境温度变化关系
Fig 4 Variations of cooling capacities and gas-urbineair inlet temperature with ambient temperature
图5溶液循环倍率和COP值随环境温度变化关系Fig. 5 Variations of solution circulation ratio and COP with amhient temperature
