進(jìn)氣冷卻對燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的作用

摘要：文章介紹了擬建于我國西北地區(qū)的某型燃?xì)廨啓C(jī)電站進(jìn)行進(jìn)氣冷卻以提高發(fā)電功率的方案。按熱天將進(jìn)氣從37℃降至15℃～20℃，提高功率約15%。冷卻系統(tǒng)中制冷機(jī)采用效益高的溴化鋰雙級吸收式制冷機(jī)，換熱設(shè)備用有效可靠的雙金屬軋片式冷卻器。最后提出了投資與回收期。

關(guān)鍵詞：進(jìn)氣冷卻；燃?xì)廨啓C(jī)；發(fā)電功率

中圖分類號：TM611 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）17-0066-03

現(xiàn)在國內(nèi)外有一些富余的某型燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡稱燃機(jī)），擬利用其在我國西北地區(qū)建燃機(jī)電站。為提高發(fā)電功率、效益，將在熱天對燃機(jī)的進(jìn)氣進(jìn)行冷卻。冷卻方案的參數(shù)根據(jù)燃機(jī)使用地區(qū)的氣象條件在熱天將進(jìn)氣空氣從37℃，相對濕度40%，冷卻到15℃～20℃，然后進(jìn)入燃機(jī)。實(shí)現(xiàn)冷卻的換熱設(shè)備采用可靠有效的雙金屬（銅-鋁）軋片式冷卻器，以流過管內(nèi)的冷水（7℃）將通過管外翅片的空氣（37℃）冷卻到要求值，而冷水由制冷機(jī)提供，本方案采用效益較好的溴化鋰雙級吸收式制冷機(jī)。整個(gè)冷卻系統(tǒng)原理圖如圖1所示。根據(jù)系統(tǒng)圖所需設(shè)備進(jìn)行估算，每套約400萬元，投資回收約2年，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

1 燃機(jī)性能及冷卻要求

某型燃機(jī)額定功率Nn=22900kW，空氣流量Ga=435T/h，排氣溫度t4=500℃，用天然氣。電站用2臺燃機(jī)2套聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝置，采用2套燃機(jī)進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)。

冷卻要求是按當(dāng)?shù)貧庀髼l件，在熱天將ta1=37℃及相對濕度φ=40%的濕空氣在進(jìn)燃機(jī)前冷卻到ta2=15℃～20℃，再進(jìn)燃機(jī)。冷卻進(jìn)氣的冷水由制冷機(jī)提供，進(jìn)水溫度tw1=7℃，出水溫度tw2=12℃。制冷機(jī)的熱源用電站蒸汽。

2 進(jìn)氣冷卻作用及原理系統(tǒng)

2.1 進(jìn)氣冷卻作用及影響因素

以大氣為工質(zhì)的燃機(jī)其性能受大氣條件特別是溫度的影響很大，在同地點(diǎn)當(dāng)溫度升高時(shí)，燃機(jī)的功率和效率都降低。為改善燃機(jī)在高溫進(jìn)氣時(shí)的性能，采取進(jìn)氣冷卻，將空氣在進(jìn)入燃機(jī)前冷卻到低溫，使燃機(jī)功率、效率顯著提高。

提出了地面氣溫對燃機(jī)性能影響的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，燃?xì)獬鯗豑*3從800℃～1200℃，進(jìn)氣溫度T*1（ta）每增加10℃，功率降低6%～9%，效率降低0.0080～0.0088。某型燃機(jī)的T*3在950℃左右，則將T*1（ta）每降10℃，可提高功率約7.5%，效率增加0.0083。

分析了濕度對進(jìn)氣冷卻熱負(fù)荷的影響，說明了濕空氣冷卻析水凝結(jié)熱（潛熱）與干空氣冷卻熱（顯熱）之比RB隨濕度增加而加大，在T*135℃冷卻至10℃時(shí)，相對濕度φ為0.8的RB約達(dá)2.0，使熱負(fù)荷大增，設(shè)備相應(yīng)增大；而φ為0.4時(shí)RB只約0.7，熱負(fù)荷增加不多，這與本方案的計(jì)算吻合。說明了低濕度地區(qū)進(jìn)氣冷卻效益比較高及增發(fā)電的平均發(fā)電效率高，比無冷卻運(yùn)行時(shí)要高12%。故預(yù)見本方案在低濕度地區(qū)其經(jīng)濟(jì)效益較高。

利用燃機(jī)比功Wn、功率Nn和效率ηn的表達(dá)式分析了大氣溫度對它們的影響，并指出了對功率的雙重作用（流量和比功同時(shí)升降），因此進(jìn)氣冷卻的主要目的是提高燃機(jī)功率。

2.2 進(jìn)氣冷卻原理系統(tǒng)

2.2.1 冷卻熱負(fù)荷。進(jìn)氣冷卻實(shí)質(zhì)是將燃機(jī)進(jìn)氣的熱量吸取一部分，使溫度降低。此部分熱量決定了冷卻系統(tǒng)的規(guī)模，因此設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)首先須確定此熱量。因大氣是含水蒸汽的濕空氣，其降溫低于露點(diǎn)時(shí)放出的熱量由顯熱和潛熱（水蒸汽凝結(jié)熱）組成，用式可表示為：

Q=GaCpa（ta1-ta2）+Gw·r （1）

式中：

Q——濕空氣降溫放出的總熱量（冷卻熱負(fù)荷）

Ga——燃機(jī)（干）空氣流量

Cpa——（干）空氣平均定壓比熱

ta1——冷卻前空氣溫度

ta2——冷卻后（燃機(jī)進(jìn)口）溫度

Gw——空氣從ta1降至ta2且ta2低于露點(diǎn)溫度時(shí)析出的水量

r——水蒸汽凝結(jié)比潛熱

等式右邊后一部分的凝結(jié)熱量（Gw·r）隨空氣濕度和溫降的增大而增加。

因ta2一般低于露點(diǎn)，所以采用濕空氣計(jì)算法，此時(shí)式（1）可簡化為：

Q=Ga（ha1-ha2） （2）

式中：

ha1——冷卻前濕空氣的焓

ha2——冷卻后濕空氣的焓

Ga=

Gam——（濕）空氣流量

d——濕空氣含濕量

以上d和ha1、ha2按ta1、ta2和φ查濕空氣表進(jìn)行計(jì)算或查濕空氣的H-d圖得到。這樣就可根據(jù)進(jìn)氣降溫要求ta1和ta2值求得冷卻熱負(fù)荷Q。

2.2.2 冷卻原理及系統(tǒng)。按熱平衡進(jìn)氣降溫放出的熱量需在冷卻器中由冷卻劑吸收。冷卻劑常采用吸熱容量大的冷水，為加強(qiáng)傳熱，應(yīng)加大工質(zhì)溫差，冷水溫度盡量低?，F(xiàn)國產(chǎn)制冷機(jī)提供的冷水溫度可達(dá)7℃，可滿足要求。于是實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣冷卻的循環(huán)是：進(jìn)氣空氣通過冷卻器管外側(cè)放熱降溫，從制冷機(jī)來的冷水流經(jīng)冷卻器管內(nèi)側(cè)吸熱升溫，空氣從ta1降至ta2后進(jìn)入燃機(jī)，水溫從tww1（7℃）升至tww2（12℃）后回到制冷機(jī)重新冷至7℃，再供給冷卻器，如此循環(huán)，進(jìn)氣被冷卻到預(yù)定值。

可見，進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)由燃機(jī)本身、冷卻器和制冷機(jī)三大部分及附屬設(shè)備、系統(tǒng)組成，系統(tǒng)原理圖見圖1。其中制冷機(jī)可選用，冷卻器需專門設(shè)計(jì)。

3 冷卻器的設(shè)計(jì)和制冷機(jī)的選擇

3.1 冷卻器設(shè)計(jì)

3.1.1 型式的選擇。設(shè)計(jì)冷卻器首先要定型式，用于進(jìn)氣冷卻的是氣水換熱器，則氣側(cè)應(yīng)帶增加傳熱面積的翅片，所以其基本型式應(yīng)是翅片式換熱器。而其中又有軋片式、繞片式和穿片式等多種，需根據(jù)使用要求和投資效益等因素選擇。本方案選擇軋片式冷卻器。理由是：（1）本單位生產(chǎn)軋片管換熱器有多年經(jīng)驗(yàn)，大量在燃機(jī)進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)中使用，性能可靠、良好。（2）換熱器只占冷卻系統(tǒng)總投資的約1/10，所以各種換熱器的成本差已不成為選擇的主要考慮因素。

3.1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算。按換熱器設(shè)計(jì)步驟，首先確定冷卻熱負(fù)荷Q，由于冷卻器出口溫度ta2給出的范圍是15℃～20℃，我們按15℃、18℃和20℃做了三種計(jì)算對比，發(fā)現(xiàn)出口20℃的冷卻器較合理，其所需傳熱面積與燃機(jī)功率提高比Fr/?N為1.08m2/kW，而出口15℃時(shí)此值為1.57m2/kW，大了50%，使冷卻器大得難安排且不經(jīng)濟(jì)，因此ta2確定為20℃。由此按式（2）算得Q為2470kW，再可按熱平衡算出所需水量Gw，即：

Gw= （3）

式中：

Cpw——水的平均定壓比熱

Q和Gw是選擇制冷機(jī)大小的參數(shù)依據(jù)，Gw按式（3）為425T/h。

從空氣和冷水溫差計(jì)算平均傳熱溫差?tm，先參考同類換熱器試驗(yàn)資料選擇總傳熱系數(shù)K，便可計(jì)算所需傳熱面積Fr：

Fr= （4）

換熱管選常用于冷卻器的雙金屬銅鋁軋片管SGT-44×2.3，其單位長度外表面積Sw達(dá)1.09m2/m。于是，從Fr和Sw可得所需換熱管數(shù)，再依據(jù)燃機(jī)進(jìn)氣間尺寸和選擇適當(dāng)?shù)倪M(jìn)風(fēng)速度確定冷卻器迎風(fēng)面尺寸，后確定換熱管的排數(shù)和每排管數(shù)，初定了冷卻器結(jié)構(gòu)。然后按此結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱和阻力驗(yàn)算，必要時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)，直至驗(yàn)算的傳熱系數(shù)Kp>原選的K10%～20%、空氣阻力?Pa滿足設(shè)計(jì)要求。

本方案設(shè)計(jì)的冷卻器總傳熱面積4300m2，按分相同的6臺安排（以后可根據(jù)進(jìn)風(fēng)口尺寸做調(diào)整），每臺迎風(fēng)面尺寸為3.6×1.55m，換熱管183支分6排錯排，每2臺為一組并聯(lián)，分3組布置在進(jìn)氣間的3個(gè)進(jìn)風(fēng)口處。

3.2 制冷機(jī)選擇

制冷機(jī)有機(jī)械離心式、吸收式和混合式三種，文獻(xiàn)[10]對它們做了比較，吸收式制冷機(jī)的投資回收期最短和增加每kW電力的投資費(fèi)用最低，因此我們選擇吸收式制冷機(jī)的方案，其熱源用電站蒸汽。

本方案具體選擇國產(chǎn)蒸汽雙效溴化鋰吸收式制冷機(jī)，選擇的機(jī)組型號為（雙良公司）SXZ6-260D，其制冷量為2617kW（>冷卻負(fù)荷2470kW），冷水流量450T/h（>所需水量425T/h），能滿足要求。

4 投資和回收期估算

4.1 投資估算

進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)備主要由冷卻器、制冷機(jī)、進(jìn)氣穩(wěn)壓艙、閥門水泵、儀表控制系統(tǒng)（圖1中未表示出）和管道、冷卻塔等組成，其中制冷機(jī)、穩(wěn)壓艙和儀表控制系統(tǒng)的投資占主要部分。按現(xiàn)價(jià)，制冷機(jī)一臺約140萬元，穩(wěn)壓艙一個(gè)約60萬元，儀表控制系統(tǒng)一套約80萬元，而冷卻器只約40～50萬元。設(shè)備費(fèi)用加上配套、設(shè)計(jì)等費(fèi)用，本方案一套進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)的投資約400萬元。

4.2 回收期估算

估算投資回收期實(shí)際是對進(jìn)氣冷卻進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，需要知道電價(jià)、燃料價(jià)、燃機(jī)年運(yùn)行時(shí)間等數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)現(xiàn)很難取得。本方案根據(jù)擬使用地區(qū)氣候情況，取平均從25℃降至15℃的年運(yùn)行時(shí)間為4000小時(shí)，而電價(jià)、燃?xì)夂闹档葏⒖加脩艚o出的數(shù)目：售電價(jià)Ce0.51元/kWh，燃?xì)夂闹礐g0.18元/kWh，燃?xì)鉄嶂礖u8000kca1/m3，發(fā)電功率增加值參考每降10℃增加7.5%。

這樣全年增加發(fā)電功率為：

?E=22900×0.075×4000=687×104kWh

每年增加的效益為：

?BT=?E（0.51-0.18）=226.7萬元

考慮制冷設(shè)備功率消耗、機(jī)械效率及新增維修成本等因素，取收益系數(shù)ξ=0.85，并按10年使用期折舊，則實(shí)際年收益為：

?BTP=0.85×226.7-0.1×400=152.7萬元

投資回收期為：

N==2.1年

可見本方案投資回收期短，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)語

（1）本方案利用現(xiàn)有燃機(jī)建電廠及進(jìn)氣冷卻裝置，符合國家節(jié)約資源的精神。

（2）電廠擬建干燥地區(qū)，相對濕度小，冷卻熱負(fù)荷小，進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)投資少，投資回收期短，經(jīng)濟(jì)效益高。

（3）進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)選擇溴化鋰雙級吸收式制冷機(jī)較合適；冷卻器只占總投資的10%左右，軋片式冷卻器工作可靠、效率高。

（4）濕空氣冷卻時(shí)析出冷凝水、放出凝結(jié)熱，增加了熱負(fù)荷，但析水可提高空氣對流放熱系數(shù)，減少傳熱面積，且析出的水還可回用，這兩方面的收益可抵消部分熱負(fù)荷增加的負(fù)擔(dān)。

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作者簡介：吳志才（1974—），男，江蘇無錫人，無錫凱美錫科技公司工程師，研究方向：空氣冷卻器的設(shè)計(jì)、開發(fā)。