面向无水燃气轮机进气冷却与峰值功率提升的大规模相变材料填充床技术评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Technical assessment of large-scale PCM packed beds for water-free gas turbine inlet air cooling and peak power enhancement

　　

**摘要**

本研究探讨了大规模相变材料（PCM）填充床在压气机入口空气冷却中的应用，以增强高温时期的燃气轮机发电能力。所提出的系统采用封装式相变材料，安装在带盖的地下沟槽中，提供潜热储能并保持近似恒定的入口空气温度，无需使用水注入。本研究评估了三种相变材料——RT31、RT35hc和硝酸锂三水合物，其中硝酸锂三水合物展现出更优越的热性能以及更紧凑的系统尺寸。该方法应用于额定容量为123.4 MW、平均容量为85 MW的燃气轮机，该轮机的平均空气质量流量为281.63 kg/s。仿真结果表明，该系统可使年发电量增加超过4,700 MWh。与水冷方式相比，相变材料系统在实现相当电力增强效果的同时，每年可节约用水约4,300吨。与传统的蒸发冷却系统不同，所提出的相变材料填充床方法实现了无水的压气机入口空气冷却，尤其适用于湿球温度与干球温度接近的潮湿气候地区以及水资源匮乏的地区。

**引言**

在21世纪，大部分经济活动和工业活动都依赖于可靠的电力供应。燃气轮机在发电中发挥着至关重要的作用。因此，能够提升其性能的技术，尤其是在高峰需求时段，具有重要的意义。

燃气轮机通常设计在ISO条件下运行（环境温度15°C、大气压101.32 kPa、相对湿度60%）[1]、[2]。然而，实际运行条件往往偏离这些标准，导致燃气轮机在非设计条件下运行，效率降低。在环境参数中，环境温度被广泛认为是影响燃气轮机性能的最重要参数之一[3]、[4]。对于在近乎恒定转速下运行的燃气轮机，降低压气机入口空气温度可以增加空气密度，从而提高空气质量流量，进而产生更高的功率输出。此外，压缩较冷空气所需的工作量更少，从而提高电厂的整体效率。

环境温度每升高1°C，可能导致功率输出下降0.5%至1%[1]（请参见图16）。这一点尤为重要，因为电力需求峰值通常出现在夏季最热的时期。除了经济考虑外，满足高峰负荷条件下的电力需求也是至关重要的。克服这一限制的常用方法是冷却压气机入口空气。这不仅可以提高电厂效率，还能增加发电量。压气机入口空气冷却方法一般可分为以下几类：

- **蒸发冷却**[5]、[6]：蒸发冷却通过将暖空气与水接触，利用水的蒸发过程降低空气温度来实现冷却。水蒸发时吸收空气中的潜热，从而产生较冷但潮湿的入口空气。由于其设计简单、安装成本低且易于操作，蒸发冷却已被广泛用于燃气轮机入口空气冷却。然而，其对持续供水的需求限制了其应用，特别是在水资源有限的地区或水资源保护成为优先事项的地区。

- **雾化冷却**[7]、[8]、[9]：雾化冷却是蒸发冷却的一种专门形式，通过将细水雾喷入气流中来冷却压气机入口空气。水雾滴的直径通常为20至40微米，具体取决于环境条件和所需的蒸发时间，水雾滴在入口管道中蒸发并吸收空气中的潜热，从而降低空气温度。水雾是通过高压雾化喷嘴将去离子水喷出产生的，水柱冲击碰撞钉后分散成数十亿个微小液滴。与传统蒸发冷却类似，雾化冷却提供了一种简单而有效的降低压气机入口温度的方法。然而，其优缺点本质上与蒸发冷却相同，包括对可靠供水的依赖以及相关的运行挑战。

- **基于制冷机的冷却**[10]、[11]：机械制冷可以将压气机入口空气温度降低至露点以下，提供稳定和可靠的运行条件。然而，水分的凝结和去除需要大量的辅助功率，特别是在炎热潮湿的气候条件下，寄生功耗可能会抵消约三分之一的总功率增益。机械制冷机通常由电力驱动，而吸收式制冷机则利用蒸汽、热水或天然气作为驱动能源。由于吸收式制冷机的性能系数（COP = 0.7–1.2）相对较低，只有当高温废热可用时，它们在经济上才具有吸引力。相比之下，电动制冷机通常可达到大于3的COP值。然而，这两种技术都会产生显著的寄生能耗惩罚以及高昂的初始成本，在评估其整体性能时应予以考虑。

- **基于冰的热储能**[12]、[13]、[14]：冰或冷冻水储能系统利用预先储存的冷量来冷却压气机入口空气，使入口空气温度可降至环境湿球温度以下。因此，在蒸发冷却和雾化冷却效果较差的潮湿气候地区，这些系统可以有效应用。然而，这些系统需要专用的制冷或制冰设备来生产冷冻水或冰，导致资本成本较高且寄生功耗较大。此外，由于储能介质维持在远低于环境温度的水平，通过适当的隔热来减少周围环境的热量增益是一个关键的设计考量。

Koosha等人[15]对入口雾化系统对三种不同气候区（炎热干燥、寒冷干燥和温和潮湿）燃气轮机性能的影响进行了全面的4E（能量、?、经济和环境）分析。结果表明，雾化系统可提高功率输出，改善程度因气候而异。炎热干燥气候区记录了最大的增幅，最高达4.5%，其次是温和潮湿气候区的3.6%，寒冷干燥气候区为2.7%。热效率在炎热干燥气候区提高了2.3%，温和潮湿气候区提高了1.9%，寒冷干燥气候区提高了1.5%。

Barakat等人[16]通过实验研究了饱和入口雾化和过喷对一台10 kW微型燃气轮机部分负荷性能的影响。他们开发了两个测试台来实施和评估入口雾化和过喷。通过在不同喷雾压力和喷嘴直径下测量关键参数（包括液滴尺寸和注入水的质量流量）来确定最佳喷雾条件。研究发现，入口雾化和过喷引起的功率输出增强与负荷相关。具体而言，在30%负荷下，饱和雾化使输出功率增加了9.32%，对应入口温度降低14°C；而在50%和70%负荷下，增幅分别降至6.86%和4.91%。

Naeim等人[17]研究了三种雾化策略：直接雾化、带有天然气热交换器的雾化（FNGE）和带有储罐的FNGE。他们使用离散相模型（DPM）结合标准k-ω湍流模型，对管道长度、喷嘴数量、均匀液滴直径和喷嘴角度对压气机入口空气温度和相对湿度的影响进行了参数研究。他们发现燃气轮机输出功率的增加范围为8.99 MW至26.44 MW，即从3.87%到11.15%。

Salehi等人[18]对18台三个类别的燃气轮机的湿压缩过程进行了数值研究。他们发现，实施1%过喷的饱和雾化后，在给定环境条件下，净功率输出相对增加24.84%，热效率提高6.70%。此外，使用该冷却方法时入口质量流量增加量的23.94%直接归因于注入的水。这是因为压气机的工作点偏移到了相比干工况下入口质量流量更高的位置。

Sanaye等人[12]使用遗传算法对用于燃气轮机入口空气冷却的冰热能储存系统进行了热经济优化。他们的结果表明，对于净功率输出在25至100 MW范围内的燃气轮机，所提出的系统使功率输出增加3.9%至25.7%，热效率提高2.1%至5.2%，估计回收期4.0至7.7年。

如上所述，先前的研究已经证明压气机入口空气冷却可以有效提升燃气轮机性能。然而，每种冷却技术都有其固有的局限性。基于水的方法，如蒸发冷却和雾化冷却，需要大量耗水，并可能加速压气机和涡轮机部件的腐蚀[19]、[20]。此外，进入燃烧室的额外水蒸气作为惰性气体，降低了涡轮排气温度，从而增加了维持期望涡轮入口温度所需的燃料。另一方面，基于制冷机的冷却和冰热能储存系统需要专用的制冷设备，导致高资本投入、较大的寄生功耗以及增加的运行维护成本。此外，由于冷却介质维持在显著低于环境温度的水平，需要通过有效的隔热来尽量减少储存期间周围环境的热量增益。尽管这些系统可以将部分能耗转移到非高峰时段，但它们仍然依赖大量的外部能量输入进行冷却。

利用环境温度的日变化结合相变材料提供了一种克服上述局限性的有效方法；然而，这一机会在燃气轮机入口空气冷却应用中鲜有关注。相变材料可以在近似恒定的温度下储存大量热能并在需要时释放，使其成为热调节的有前景的解决方案。与以往的方法不同，本研究提出了一种大规模相变材料填充床潜热储能系统，用于压气机入口空气冷却，无需水注入。

Pakalka等人[21]实验研究了基于相变材料的全尺寸热能储存单元在热水应用中的表现。结果表明，该系统可以有效储存和释放热能以提供稳定的热水供应，证实了相变材料热储在家庭热水方面的技术可行性和实用潜力。

Mousavi等人[22]提出了一种采用级联填充床热储能和封装相变材料的绝热压缩空气储能系统，以改善压缩热的回收。他们的结果表明，所提出的配置提高了能量和?效率，往返效率分别达到61.5%和68.2%，估计回收期为3.5年，证明了其在技术和经济上的可行性。

Y?ld?z等人[23]通过实验和数值方法研究了使用相变材料与空气源热泵集成的热能储存单元。结果表明，与水冷储能相比，相变材料的集成改善了热泵性能和负荷转移能力，而选择具有更高有效热导率的合适相变材料则进一步提高了潜热利用率和整体热储存性能。

尽管对燃气轮机入口空气冷却技术进行了广泛的研究，但尚无先前的研究探讨过将含有相变材料的大规模填充床潜热储能系统应用于利用环境温度的日变化进行压气机入口空气冷却。此外，系统性的设计方法论、实际运行条件下的性能评估以及相关的季节性节能和节水潜力评估也尚未见报道。

为弥补这些研究空白，本研究提出了一种用于燃气轮机压气机入口空气冷却的大规模填充床相变材料潜热储能系统。据作者所知，这是首次研究此类系统用于燃气轮机功率增强。所提出的方法在高峰需求期间提供持续的入口空气冷却，同时消除水消耗及其相关的运行风险。与基于制冷机或冰的冷却系统不同，所提出的系统不需要独立的制冷或制冰循环，无需压缩机、蒸发器和冷凝器等主要设备。此外，本研究开发了系统化的设计方法论，在实际运行条件下评估了系统性能，并利用实际燃气轮电厂的实测运行数据量化了季节性发电和节水潜力。

**分节片段**

**系统描述与工作原理**

填充床潜热储能系统的内部配置如图1所示。

该装置由一个绝热容器组成，内部填充含有相变材料（PCM）的小球体，如图所示。为确保均匀流动，进口处的分配器将传热流体（HTF）均匀分布于填充床中，而出口处的另一分配器则混合流出流体，以维持一致的温度分布。小球体中封装的相变材料可吸收或释放大量

控制方程与边界条件

为模拟填充床式显热储热系统（LTES），固体床被建模为半径为R的分散球体。当传热流体为空气时，该模型比其他模型表现出更好的性能[32]。控制方程如下：

HTF的能量方程：

传热流体的能量方程为：

在上述方程中，?????(??,??) 为时刻 t、位置 x 处的流体温度。????=?????(??=??) 为球体的表面温度，

填充床设计流程

Fars发电厂被选为本研究的试点。该发电厂包含六台燃气机组，每台额定容量为123.4 MW，平均容量为85 MW。燃烧室以天然气为燃料加热。本研究使用第一台燃气机组。该发电厂的详细信息及实测数据见文献[42]、[43]。平均空气质量流量为281.63 kg/s。因此，根据图1所示的概念，总质量流量的一半通过每个填充床。空气

额外发电量的计算

要计算使用PCM填充床后一年内获得的额外发电量，需要了解发电量对环境温度的敏感性。

从热力学角度来看，进气温度的升高会改变布雷顿循环中压缩机和涡轮机的工作方式。随着进气温度升高，压缩机入口处的空气密度降低。在固定转速下，密度的降低会使质量流量减小，并导致压缩机

与水喷雾系统的比较

以下将PCM填充床的性能与水喷雾冷却系统的性能进行比较，以Fars发电厂作为试点案例。在常规配置中，通过在中午（环境温度约为40 °C）向周围喷洒水分来缓解高峰时段的发电损失。所选阈值温度是在增强发电与减少水耗之间权衡的结果。然而，在本研究中，由于PCM

总结与结论

本研究对使用大规模相变材料（PCM）填充床在高峰需求时段增强电力发电进行了技术评估。大规模填充床的建造方式是在地面挖掘有盖沟槽，并填充封装好的PCM。系统中的气流通过三个风门和一台排风机进行调节，所有部件均由中央控制单元控制，该单元监控环境温度及PCM的热状态。当环境空气

作者贡献声明

H. Nemati：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查研究，形式分析，数据管理，概念化。Kambiz Vafai：论文撰写——审阅与编辑，论文撰写——初稿撰写，可视化，监督，项目管理，方法论，调查研究，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们不存在可能影响本论文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢Hampa能源工程与设计公司-HEDCO（www.hedcoint.com），特别是Fatemi先生，对本研究的支持及提供的必要信息。

H. Nemati | Kambiz Vafai
伊朗马尔夫达什特，伊斯法罕自由大学，力学系