燃气轮机入口空气冷却（TIAC）混合系统在利雅得极端气候下的技术经济评估

《Energies》：Techno-Economic Assessment of Hybrid Turbine Inlet Air Cooling (TIAC) Systems for Gas Turbines in Riyadh’s Extreme Climate

　　

燃气轮机入口空气冷却（TIAC）是提升高温气候下燃气轮机电厂性能的公认方法，但单一空气冷却方法在严酷气候中显现局限。研究人员提出并系统分析了九种集成两种冷却技术的混合TIAC构型，按蒸发冷却与制冷冷却的排列分为三类：构型I为介质蒸发冷却（MEC）串联制冷冷却；构型II为制冷冷却前置蒸发冷却；构型III为两系统并联后混合。以沙特利雅得极端气候下典型85 MW通用电气（GE）PG7121EA燃气轮机为对象，采用Engineering Equation Solver（EES）仿真，结合热力学与技术经济分析，综合额外发电量、耗水量与经济性进行评判。结果表明所有混合系统均将入口空气温度降至ISO参考条件以下，构型I在技术与经济间平衡最佳；成本效益上构型II–混合VI（单效H2O–LiBr吸收制冷+蒸发冷却）优于独立单效H2O–LiBr吸收系统。混合TIAC可显著提升出力并取得良好投资回收期，是沙漠气候的有前景方案。

研究背景方面，燃气轮机作为定容积流量机械，性能对环境温度与湿度高度敏感，ISO参考条件（15 °C、60%相对湿度、101.325 kPa）偏离会导致显著出力下降，利雅得等地夏季峰值出力损失可达24%。常规TIAC分为蒸发类（介质蒸发冷却MEC、高压喷雾HPF）与制冷类（机械蒸汽压缩MVC、吸收式ACS），前者受湿球温度限制且增湿，后者投资与辅功高。前期研究表明单一技术在沙漠气候下无法同时最大化增功、最小化水耗与成本，因此需混合构型互补。本文即在统一框架内填补多混合构型同机同气候同比空白，发表于《Energies》。

主要关键技术方法上，研究人员沿用前期验证的燃气轮机、MEC、多级MVC带闪蒸中间冷却、单效H₂O–LiBr吸收制冷子系统模型，在稳态控制体质量/能量守恒下耦合温湿平衡；气候数据取自美国能源部EnergyPlus中利雅得King Khaled机场2010—2013年每小时气象均值，生成各月24 h典型日；设计点取前期优化值入口8 °C、冷量36 kW/(m³·s^?1)，年运行8605 h；经济参数统一为电价0.037 USD/kWh、水价1.6 USD/m³、天然气0.003 USD/MJ（LHV 42.5 MJ/kg）。

研究结果部分，2节系统描述与方法论中，给出三种串并联构型定义：构型I先MEC后制冷，冷凝水可回收；构型II先制冷至湿球8 °C再MEC；构型III分流半程MEC半程制冷后混合。由质量能量方程耦合各部件，忽略除燃烧室外压损。3节结果讨论中，3.1性能分析显示构型I、II出口温度约8–10 °C，构型III为8–16.5 °C（盛夏超ISO）；湿度比最大值构型I 7.09、II 6.806、III 9.037 g/kg；构型III辅功最低（峰值2.2 MW），构型I峰值冷量14.3 MW高于MEC单独5.96 MW与制冷单独8.4 MW。3.2热力学分析指出构型I增功略优于II，年相对环境增功混合I 12.5%、IV 12.3%、VII 10.4%；耗水上构型I年最高约2.35万m³，构型III普遍最低，但均远低于单独MEC的4.84万m³及以上。3.3技术经济分析表明构型I综合平衡最优；回收期上混合IV 3.2年、V 1.3年、VI 6.5年、VII 2.4年、VIII 1.1年、IX 4.7年，混合V（构型II+MVC湿冷）与VIII（构型III+单效LiBr）回收最快。

讨论与结论翻译：研究人员评估了九种串并联混合TIAC在利雅得气候下与85 MW GE PG7121EA的集成表现。所有构型除构型III盛夏外均将入口温度降至ISO以下，构型I技术与经济综合最佳，混合V与VIII回收期最短。沙漠选型关键指标为年增功、耗水与回收期；不推荐单独MEC、简单MVC、单效NH₃–H₂O吸收；推荐构型I–混合I（MEC+多级MVC干冷）及构型II–混合IV（多级MVC干冷+MEC），构型II–混合VI（单效H₂O–LiBr+MEC）优于单独单效H₂O–LiBr。构型I适基荷连续运行，构型II适制冷为主叠加蒸发，构型III辅功低但对盛夏混合敏感。恰当混合TIAC可显著提升沙漠燃气轮机电厂性能与经济性。