燃機(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)探討

郝洪亮，劉志坦，常連成，張 濤

(國電科學(xué)技術(shù)研究院，江蘇南京 210031)

0 引言

當(dāng)前，世界能源正處于一個(gè)新的轉(zhuǎn)型期，天然氣作為優(yōu)質(zhì)的化石能源，在構(gòu)建安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、清潔的能源格局中的作用日益增強(qiáng)。自21世紀(jì)以來，中國天然氣得到長足發(fā)展，市場快速發(fā)育，有效提升了中國能源供應(yīng)能力，有力推動(dòng)了中國能源的清潔化進(jìn)程。燃?xì)獍l(fā)電因其能源利用效率高、安全可靠、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)受到世界范圍的廣泛重視。“十二五”期間隨著我國天然氣開采、供應(yīng)能力的日益增強(qiáng)，天然氣管網(wǎng)建設(shè)速度的加快，天然氣發(fā)電已進(jìn)入快速發(fā)展階段。

燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)電站具有常規(guī)電站所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，在我國的電力建設(shè)中將發(fā)揮重要作用。但環(huán)境空氣溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)性能影響甚大(見表1)，環(huán)境空氣溫度每升高1℃，其輸出功率會(huì)下降約0.8%左右。例如:伊朗現(xiàn)有170多臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為9500MW，在夏季由于溫度的影響，出力僅能達(dá)到額定出力的80%，也就是說在高溫季節(jié)要減少發(fā)電出力1900MW。高溫時(shí)段正是電網(wǎng)需要燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)揮其調(diào)峰性能增加出力的時(shí)候，而燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組卻受到環(huán)境溫度的影響出力降低。

燃機(jī)電站性能受大氣溫度影響的特點(diǎn)已經(jīng)引起人們的普遍重視，由此產(chǎn)生了燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)，并在實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。

表1 大氣溫度對(duì)燃機(jī)的影響

1 影響機(jī)理

在燃?xì)廨啓C(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，一般都按標(biāo)準(zhǔn)工況(大氣壓力:101.3kPa，溫度 15℃，相對(duì)濕度 60%)來計(jì)算，但實(shí)際上大氣溫度等參數(shù)經(jīng)常偏離上述標(biāo)準(zhǔn)條件，使壓氣機(jī)進(jìn)口空氣的質(zhì)量、流量等參數(shù)發(fā)生變化，這是導(dǎo)致燃機(jī)在變工況下運(yùn)行性能參數(shù)發(fā)生變化的重要因素。

在大氣溫度升高時(shí)，促使燃機(jī)功率降低的主要原因是:由于機(jī)組壓比的降低，導(dǎo)致透平發(fā)出的比功降低;由于大氣溫度增加，雖然壓氣機(jī)的壓比有所下降，但壓氣機(jī)消耗的比功卻有所提高;由于燃機(jī)是定容設(shè)備，流經(jīng)機(jī)組的空氣質(zhì)量流量的減少，將促使機(jī)組的有效功率進(jìn)一步下降。

2 進(jìn)氣冷卻發(fā)展史

1987年，在美國芝加哥，進(jìn)氣冷卻技術(shù)首次應(yīng)用在燃?xì)廨啓C(jī)上。1991年美國林肯電氣系統(tǒng)公司的洛克拜MS7001B燃?xì)廨啓C(jī)調(diào)峰電站，裝了進(jìn)氣冷卻裝置，利用非峰期的電力驅(qū)動(dòng)3臺(tái)制冷機(jī)，每小時(shí)制冰23t，需要冷卻進(jìn)氣時(shí)，冰就融化成略高于0℃的水，將38.3℃的進(jìn)氣冷卻至4.4℃，使燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組出力增加10.5MW。該項(xiàng)工程的成功立即引起巨大的反響，美國有不少公司迅速加入進(jìn)氣冷卻的行列。GE公司在20世紀(jì)90年代研制出LM6000航空燃?xì)廨啓C(jī)后，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)得到了快速發(fā)展，因?yàn)閷?duì)于LM6000燃機(jī)而言，進(jìn)氣溫度每降低1.8℃，出力增加1%;美國成立了透平進(jìn)氣冷卻協(xié)會(huì)(TICA)來推進(jìn)進(jìn)氣冷卻技術(shù)的發(fā)展。

20世紀(jì)90年代，在東南沿海經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展地區(qū)，為緩解電力供應(yīng)的不足，先后投產(chǎn)了一批燃油的中、小型燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電機(jī)組;國內(nèi)也開始將進(jìn)氣冷卻裝置引入了燃?xì)廨啓C(jī)電站，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。深圳金崗電力公司的PG6541B燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組安裝了一臺(tái)溴化鋰進(jìn)氣冷卻裝置，實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣溫降14℃，每降低1℃機(jī)組增加出力0.9%。廣州明珠電力集團(tuán)CW251B11型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電裝置采用美國唐納森公司生產(chǎn)的進(jìn)氣蒸發(fā)冷卻裝置，每降低溫度10℃，增加出力0.7% ～0.8%。近些年，隨著國家能源結(jié)構(gòu)的戰(zhàn)略調(diào)整，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組又迎來了快速發(fā)展時(shí)期，大型燃?xì)獍l(fā)電項(xiàng)目大量上馬，但目前國內(nèi)還沒有大型燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組進(jìn)氣冷卻工程應(yīng)用的案例。

3 進(jìn)氣冷卻方式分類及分析

燃機(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)概括起來可以分為兩大類:蒸發(fā)式冷卻和制冷式冷卻。前者根據(jù)冷卻器的結(jié)構(gòu)不同分為介質(zhì)式蒸發(fā)冷卻和噴霧式冷卻;后者根據(jù)冷源的獲取方式不同分為壓縮式制冷冷卻、吸收式制冷冷卻、蓄冷冷卻和LNG冷能冷卻。

3.1 蒸發(fā)式冷卻

蒸發(fā)式冷卻原理是利用水在空氣中蒸發(fā)時(shí)吸收潛熱，從而降低空氣溫度。當(dāng)未飽和空氣與水接觸時(shí)，兩者之間便會(huì)發(fā)生傳熱、傳質(zhì)過程，空氣的顯熱變?yōu)橐簯B(tài)水蒸發(fā)時(shí)所吸收的潛熱，從而使其溫度降低。分為介質(zhì)式蒸發(fā)冷卻和噴霧冷卻兩種。

3.1.1 介質(zhì)式蒸發(fā)冷卻

介質(zhì)式蒸發(fā)冷卻又稱為水洗式冷卻，冷卻裝置與帶填料層的噴水室結(jié)構(gòu)相似，主要由冷卻水泵、噴嘴、用以形成水膜的介質(zhì)(如玻璃絲)、除水板、水箱等組成。將水膜式蒸發(fā)冷卻器置于空氣過濾器后，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣與水膜接觸從而達(dá)到水洗降溫加濕的目的。經(jīng)冷卻后的空氣，相對(duì)濕度(RH)可達(dá)95%;但該方式對(duì)進(jìn)氣阻力影響較大。

3.1.2 噴霧式冷卻

20世紀(jì)80年代末，國際上首次出現(xiàn)了燃機(jī)進(jìn)氣冷卻用的霧化式蒸發(fā)冷卻器。這種冷卻器將水高細(xì)度霧化后，噴入空氣流中，利用水霧化后表面積急劇增大的特點(diǎn)來強(qiáng)化蒸發(fā)冷卻效果，可以將空氣冷卻至飽和點(diǎn)附近，具有很高的冷卻效率，并且阻力損失較小。AxEnergy提出采用燃機(jī)進(jìn)口噴霧冷卻器，每降低進(jìn)氣溫度2℃可以增加出力1%。目前國際上較為先進(jìn)的霧化式冷卻系統(tǒng)已經(jīng)將燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣冷卻與濕壓縮技術(shù)結(jié)合在了一起。

3.2 制冷式冷卻

制冷式冷卻是在燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口處設(shè)置一翅片式表面換熱器，空氣在管外翅片側(cè)流動(dòng)，冷源在管內(nèi)流動(dòng)。與常規(guī)管翅式換熱器不同，這種換熱器要考慮空氣中冷凝水的分離、收集與排放。

3.2.1 壓縮式制冷

壓縮式制冷采用壓縮制冷循環(huán)，向盤管冷卻器提供冷源，冷源的獲得以消耗機(jī)械功(電力)為代價(jià)，燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)氣在換熱器內(nèi)被冷卻水或吸收劑冷卻。壓縮制冷系統(tǒng)簡單，初投資較低，可以獲得較低的制冷溫度;但最大的缺點(diǎn)是需要消耗電力，燃機(jī)進(jìn)氣冷卻多發(fā)電的25～30%要用于驅(qū)動(dòng)該系統(tǒng)，達(dá)不到增加出力的目的，所以該系統(tǒng)應(yīng)用較少。

3.2.2 吸收式制冷

吸收式制冷利用電廠余熱驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)，向燃機(jī)進(jìn)氣提供冷源，通過表面式熱交換器降低燃機(jī)進(jìn)氣溫度，達(dá)到增加出力、提高效率的目的。由于該冷卻方式可以充分利用電站余熱，且利用的是低品位的熱能，因此發(fā)展較快，應(yīng)用較多。吸收制冷根據(jù)其結(jié)構(gòu)有單級(jí)和雙級(jí)之分;根據(jù)所采用的制冷劑不同分為氨吸收制冷和溴化鋰(LiBr)吸收制冷兩種型式。氨吸收制冷雖然可以獲得較低的制冷溫度，但設(shè)備龐大、占地面積大、造價(jià)較高且防爆等級(jí)要求較高，因此目前LiBr吸收制冷應(yīng)用較多。

3.2.3 蓄冷冷卻

蓄冷冷卻技術(shù)在本質(zhì)上也是壓縮制冷冷卻，是基于壓縮制冷耗費(fèi)機(jī)械功的原因發(fā)展起來的。其主要是充分利用電網(wǎng)的峰谷差電價(jià)，即在電網(wǎng)低谷時(shí)期，利用低價(jià)電驅(qū)動(dòng)壓縮制冷機(jī)制冷，把獲得的冷量儲(chǔ)藏在蓄冷裝置中;到電網(wǎng)高峰期，制冷裝置停止運(yùn)行，再把蓄冷裝置儲(chǔ)藏的冷量釋放出來，用以冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣，降低進(jìn)氣溫度增加出力、提高效率。該方式一方面可以增加低谷期用電量，擴(kuò)大高峰期發(fā)電，起到調(diào)整電網(wǎng)負(fù)荷的作用;另一方面蓄冷用的是低價(jià)電，電網(wǎng)高峰期發(fā)電是高價(jià)電，從中可以取得電的差價(jià)利潤，達(dá)到雙重效果。

3.2.4 LNG 冷能冷卻

LNG的溫度是－160℃，處于超低溫狀態(tài)，使用前必須在LNG接收站再氣化為天然氣，在氣化過程中釋放的大量冷能是可以回收利用的。其主要方式是利用中間傳熱介質(zhì)(乙二醇水溶液)通過兩級(jí)換熱器將LNG冷能傳遞給燃?xì)廨啓C(jī)入口處空氣，達(dá)到冷卻燃機(jī)進(jìn)口空氣的目的。

4 結(jié)語

截至2011年底，我國天然氣大、中型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)到3261萬kW，其中華東電網(wǎng)和南方電網(wǎng)裝機(jī)超過2700萬kW，占全國氣電的比重超過80%。華東、華南地區(qū)年平均氣溫較高，尤其在高溫夏季工況下燃機(jī)發(fā)電機(jī)組出力嚴(yán)重下降，出力僅能達(dá)到設(shè)計(jì)出力的80% ～90%;但高溫時(shí)段正是這些地區(qū)電網(wǎng)電負(fù)荷的高峰期，燃機(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)作為一種提高燃機(jī)發(fā)電機(jī)組在高溫環(huán)境下出力的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)緩解用電高峰的電力供應(yīng)不足、提高發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性具有明顯的效果，其推廣應(yīng)用具有很大的市場空間，因此在我國發(fā)展燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)潛力巨大，研究、實(shí)踐燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)具有重要意義。

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