M701F3燃?xì)廨啓C(jī)TCA/FGH廢熱空氣余熱利用研究

李柏巖，蔣敬豐，楊 承

(1.深圳能源集團(tuán)股份有限公司東部電廠，廣東深圳 518120;2.華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510641)

隨著社會(huì)對(duì)節(jié)能與環(huán)保的要求日益提高，燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組低污染、高效率的優(yōu)勢(shì)愈加受到關(guān)注，通過(guò)對(duì)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行及節(jié)能改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排也日趨緊迫。在國(guó)內(nèi)燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠中，在役M701F3型燃?xì)廨啓C(jī)及其聯(lián)合循環(huán)機(jī)組十余臺(tái)，其燃?xì)廨啓C(jī)配置空氣-天然氣熱交換系統(tǒng)，即TCA/FGH(透平轉(zhuǎn)子冷卻空氣/燃料性能加熱器)熱交換器，在設(shè)計(jì)條件下會(huì)向大氣排出180℃左右的廢熱空氣［1-2］，排放如此高溫度的空氣不僅是對(duì)能源的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生熱污染。因此，針對(duì)在役M701F3機(jī)組，設(shè)計(jì)建立一套有效的廢熱空氣回收系統(tǒng)具有較大的節(jié)能環(huán)保意義和較高的推廣價(jià)值。通過(guò)廢熱或熱水驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷機(jī)組產(chǎn)生冷能，是一種廢熱利用的典型技術(shù)途徑［3］。本文通過(guò)熱水鍋爐-溴化鋰制冷系統(tǒng)對(duì)廢熱進(jìn)行回收，討論機(jī)組在變工況情況下的廢熱空氣的余熱回收及產(chǎn)生的冷量情況;分析余熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，考察其節(jié)能潛力。

1 TCA/FGH系統(tǒng)及其運(yùn)行性能

1.1 TCA/FGH系統(tǒng)描述

燃?xì)廨啓C(jī)透平的進(jìn)氣溫度高達(dá)1 400℃，為保護(hù)透平轉(zhuǎn)子免受高溫氧化和腐蝕，需對(duì)透平轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻。M701F3燃?xì)廨啓C(jī)中，透平第一至四級(jí)靜葉冷卻空氣采用壓氣機(jī)的第6、11、14及末級(jí)抽氣，透平轉(zhuǎn)子及動(dòng)葉的冷卻空氣是經(jīng)過(guò)TCA/FGH系統(tǒng)后壓氣機(jī)的末級(jí)抽氣。經(jīng)TCA/FGH系統(tǒng)的冷卻空氣溫度可以保持在一定的范圍內(nèi)，這樣不僅有利于緩解透平由于換熱溫差產(chǎn)生的交變疲勞，而且可以減少冷卻空氣量，提高燃料溫度，增加機(jī)組做功量。

TCA/FGH系統(tǒng)是抽氣冷卻空氣(高溫空氣)與天然氣的熱交換器，由空氣熱交換器和燃料熱交換器構(gòu)成，以冷卻風(fēng)機(jī)提供的環(huán)境空氣(冷卻空氣)作為高溫空氣與燃料間的傳熱介質(zhì)，流程如圖1所示。

圖1 TCA系統(tǒng)冷卻流程圖(機(jī)組滿負(fù)荷)

TCA熱交換器中428℃左右的高溫高壓空氣將熱量傳給環(huán)境空氣，其溫度下降到167℃左右;溫度升高后的冷卻空氣在FGH熱交換器中將來(lái)自調(diào)壓站的燃料溫度由27℃左右提高到240℃左右，同時(shí)冷卻空氣溫度下降到180℃左右(廢熱空氣)直接排向大氣。

1.2 TCA/FGH系統(tǒng)運(yùn)行性能

通過(guò)能量守恒對(duì)TCA/FGH系統(tǒng)進(jìn)行理論計(jì)算，其設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 TCA系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

由設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果可以看到，燃?xì)廨啓C(jī)額定負(fù)荷時(shí)，廢熱空氣的平均溫度為155.1℃，因此，考慮對(duì)冷卻空氣的廢熱進(jìn)行回收利用。

TCA/FGH系統(tǒng)的高溫空氣抽氣量會(huì)隨燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷變化而變化，因此，進(jìn)入TCA/FGH系統(tǒng)的熱量也會(huì)隨燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷而發(fā)生變化。三臺(tái)送風(fēng)機(jī)定轉(zhuǎn)速運(yùn)行，故在一定的環(huán)境溫度下可認(rèn)為冷卻空氣流量基本不變，最后排出的冷卻空氣溫度，即廢熱空氣溫度也會(huì)隨機(jī)組負(fù)荷而發(fā)生變化。

對(duì)TCA/FGH系統(tǒng)在不同機(jī)組負(fù)荷及環(huán)境溫度下的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，由于風(fēng)機(jī)風(fēng)量的測(cè)量波動(dòng)比較大，且風(fēng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速運(yùn)行，因此計(jì)算時(shí)取風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)風(fēng)量40.2 m3/s。當(dāng)環(huán)境溫度從15℃變化到30℃時(shí)，空氣密度從1.21 kg/m3變?yōu)?1.15 kg/m3，相對(duì)值變化不足5%，因此按空氣質(zhì)量流量48.24 kg/s計(jì)算。

根據(jù)所測(cè)量的數(shù)據(jù)得到廢熱空氣溫度隨機(jī)組負(fù)荷率及環(huán)境溫度下的變化曲線如圖2所示。

圖2表明，在一定環(huán)境溫度下，廢熱空氣溫度隨機(jī)組負(fù)荷率的升高而下降，這是由于隨著負(fù)荷的增加，高溫空氣量與天然氣流量均增加，但天然氣流量增加比高壓空氣流量增加迅速。在一定負(fù)荷率下，環(huán)境溫度越高廢熱空氣溫度越高，這是因?yàn)樵谪?fù)荷率相同時(shí)，天然氣及高溫空氣流量幾乎不變，空氣的吸熱量幾乎相同。

圖2 機(jī)組廢熱空氣溫度隨機(jī)組負(fù)荷率的變化曲線

2 TCA廢熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溴化鋰吸收式制冷機(jī)熱源類型簡(jiǎn)評(píng)

本文討論利用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組對(duì)前述廢熱空氣進(jìn)行余熱回收并產(chǎn)生冷能。溴化鋰吸收式制冷機(jī)組根據(jù)熱源類型分為三種形式:蒸汽型、熱水型及煙氣型。

燃?xì)廨啓C(jī)冷卻空氣換熱器與制冷站的距離一般超過(guò)200 m，若采用廢熱驅(qū)動(dòng)型溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，廢熱空氣輸送距離長(zhǎng)且管道占據(jù)空間龐大;此外，廢熱驅(qū)動(dòng)的溴化鋰吸收式制冷機(jī)組一般要求廢熱煙氣溫度在300℃以上［4-5］，而M701F3燃?xì)廨啓C(jī)在75%負(fù)荷左右時(shí)TCA/FGH系統(tǒng)廢熱空氣的排氣溫度約為180℃，此時(shí)低溫?zé)煔怛?qū)動(dòng)的溴化鋰吸收式制冷機(jī)的制冷系數(shù)(COP)相當(dāng)?shù)?，甚至無(wú)法正常運(yùn)行。因此，將空氣中的廢熱轉(zhuǎn)化為蒸汽或熱水，然后通過(guò)管道輸送到溴化鋰制冷機(jī)是比較合理的選擇。

蒸汽型溴化鋰吸收式制冷機(jī)需用的蒸汽壓力一般為0.6 ～0.8 MPa，制冷系數(shù)高(可達(dá) 1.41)。蒸汽的儲(chǔ)熱能力比水大很多，因此，若廢熱轉(zhuǎn)化為蒸汽，則在設(shè)備間循環(huán)的蒸汽量將比較少。但蒸汽型換熱器要求有汽水分離裝置，換熱裝置是一臺(tái)小的余熱鍋爐，包括省煤器、蒸發(fā)器、過(guò)熱器和循環(huán)水泵等設(shè)備，設(shè)備復(fù)雜。

鑒于上述原因，本文建議廢熱空氣余熱回收系統(tǒng)由熱水型單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)組構(gòu)成。

2.2 廢熱回收系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

廢熱回收系統(tǒng)由一臺(tái)熱水鍋爐、一臺(tái)單效溴化鋰吸收式制冷機(jī)、一臺(tái)電制冷機(jī)(備用)、2臺(tái)給水泵(一備一用)、一臺(tái)引風(fēng)機(jī)、一臺(tái)熱水循環(huán)泵及管道若干，該系統(tǒng)流程示意如圖3。

圖3 TCA廢熱吸收式制冷系統(tǒng)圖

熱水鍋爐的主要作用是產(chǎn)生符合要求的熱水;溴化鋰吸收制冷機(jī)將熱水作為高溫?zé)嵩矗弥评鋭?水)在高真空下的蒸發(fā)溫度低來(lái)產(chǎn)生0℃以上的冷凍水;電制冷機(jī)主要用于在吸收式制冷產(chǎn)生冷量不足時(shí)補(bǔ)充冷量;引風(fēng)機(jī)保證廢熱空氣的正常流動(dòng)，克服熱水鍋爐空氣流動(dòng)阻力;給水泵是為熱水提供動(dòng)力使熱水能夠在整個(gè)系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)且不汽化;熱水循環(huán)泵是為了保證進(jìn)入的回水溫度不低于設(shè)計(jì)要求。

2.3 廢熱回收系統(tǒng)主要輔機(jī)選型

TCA廢熱空氣溫度隨環(huán)境溫度及機(jī)組負(fù)荷變化，因此按照當(dāng)?shù)卦缕骄h(huán)境溫度及機(jī)組平均負(fù)荷率來(lái)確定TCA系統(tǒng)的廢熱空氣的設(shè)計(jì)溫度。以某M701F3燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組為例，機(jī)組各月的平均負(fù)荷率約75%，年平均環(huán)境溫度約29℃，由圖2可得廢熱空氣的排氣溫度約為180℃。

熱水鍋爐根據(jù)產(chǎn)生熱水溫度的不同可以分為高溫?zé)崴仩t和低溫?zé)崴仩t，高溫?zé)崴仩t產(chǎn)生的是160℃左右的熱水，低溫?zé)崴仩t產(chǎn)生的是95℃的熱水。根據(jù)傳熱過(guò)程的計(jì)算發(fā)現(xiàn)低溫型熱水鍋爐能吸收更多的熱量，故本文選用單效低溫?zé)崴寤囍评湎到y(tǒng)，其進(jìn)水溫度為98℃，出水溫度為88℃，冷水出口溫度7℃，進(jìn)口溫度14℃，允許最低冷水出口溫度5℃，冷水允許流量調(diào)節(jié)范圍50% ～120%。熱水鍋爐的設(shè)計(jì)進(jìn)水溫度為88℃，熱水溫度為98℃，出口空氣溫度為108℃。根據(jù)鍋爐的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并經(jīng)過(guò)校核計(jì)算，選取熱水鍋爐的傳熱系數(shù)為65W/(m2·℃)，傳熱面積 1 303.6 m2，設(shè)計(jì)廢熱空氣溫度下的熱水流量為318.8 t/h。為使熱水在熱交換過(guò)程中不汽化，并考慮到鍋爐水側(cè)的阻力，選擇熱水壓力為0.6 MPa。根據(jù)熱水鍋爐的設(shè)計(jì)計(jì)算及管道阻力計(jì)算，獲得熱水鍋爐出水側(cè)和空氣側(cè)的阻力，進(jìn)一步可合理選擇幾種輔機(jī)的型號(hào)，如表2所示。

表2 引風(fēng)機(jī)、熱水循環(huán)泵及給水泵選型

3 廢熱回收余熱制冷系統(tǒng)變工況性能

3.1 熱水鍋爐運(yùn)行方式

熱水鍋爐給水泵采用變速運(yùn)行方式，通過(guò)鍋爐給水及熱水循環(huán)流量調(diào)節(jié)熱水出水溫度。熱水鍋爐采用定流量和定熱水溫度兩種運(yùn)行方式。溴化鋰制冷系統(tǒng)的制冷量，隨著熱水流量的變化，采用溶液循環(huán)量調(diào)節(jié)，控制冷凍水溫度恒定運(yùn)行。熱水供水溫度98℃，回水溫度88℃。

3.2 熱水鍋爐變工況性能

(1)熱水鍋爐定流量運(yùn)行

廢熱空氣溫度高于設(shè)計(jì)值180℃，熱水鍋爐出水溫度高于98℃，熱水循環(huán)泵及其閥門關(guān)閉，熱水鍋爐按定流量運(yùn)行。

該情形下熱水鍋爐的變工況性能分析，主要是考察當(dāng)熱水流量一定(318.8 t/h)及回水溫度一定(88℃)、廢熱空氣流量一定時(shí)，供水溫度隨廢熱參數(shù)(溫度)的變化規(guī)律。問(wèn)題描述如圖4(a)所示。

(2)熱水鍋爐定熱水溫度運(yùn)行

廢熱空氣溫度低于設(shè)計(jì)值180℃，余熱鍋爐熱水循環(huán)泵開啟，通過(guò)變速或閥門調(diào)節(jié)熱水循環(huán)倍率，以保持熱水鍋爐出水溫度等于98℃。

該情形下熱水鍋爐的變工況性能分析，主要是考察當(dāng)系統(tǒng)總水流量一定(318.8 t/h)、供水溫度一定及回水溫度一定(88℃)、廢熱空氣流量一定時(shí)，熱水循環(huán)量或循環(huán)倍率隨廢熱參數(shù)(溫度)的變化規(guī)律。循環(huán)倍率的定義:熱水循環(huán)泵的流量與系統(tǒng)總水量之比。該問(wèn)題描述如圖4(b)所示。

圖4 熱水鍋爐變工況運(yùn)行參數(shù)示意圖

換熱器的基本傳熱方程及熱平衡方程如下:

式中:Q為換熱量，k為換熱系數(shù)，F(xiàn)為換熱面積，ΔTm為平均傳熱溫差，Gw為熱水的質(zhì)量流量，cw為熱水的平均定壓比熱容，tw，out和 tw，in分別為熱水出口和回水溫度，Ga為廢熱空氣的質(zhì)量流量，ca廢熱空氣的平均定壓比熱容，ta，in和 ta，out分別為廢熱進(jìn)口和出口溫度。一般余熱利用的換熱器溫差變化不大，換熱溫差近似采用算數(shù)平均溫差;忽略換熱器散熱損失等。

由于廢熱空氣的流量幾乎不變，熱水流量保持恒定，因此，運(yùn)行過(guò)程中，熱水鍋爐的換熱系數(shù)可認(rèn)為是設(shè)計(jì)值。當(dāng)回水溫度為88℃時(shí)，由以上的分析可以得到廢熱空氣溫度與熱水流量的關(guān)系圖5。

圖5 廢熱空氣溫度與熱水產(chǎn)量關(guān)系圖

3.3 余熱制冷系統(tǒng)變工況性能

由單效制冷機(jī)組的運(yùn)行圖可得到制冷機(jī)組制冷系數(shù)隨熱水溫度及冷卻水溫度的變化情況［7］，如表3。

表3 制冷系數(shù)隨熱水溫度及冷卻水溫度的變化

在一定的熱水流量范圍內(nèi)，制冷量與加熱量成比例變化，制冷系數(shù)幾乎保持不變。但當(dāng)熱水流量約低于70%左右時(shí)，制冷量的下降比加熱量下降得快，制冷系數(shù)顯著降低。制冷系統(tǒng)性能隨熱水流量的變化可由圖6進(jìn)行測(cè)算，圖中曲線是在設(shè)計(jì)熱水溫度、設(shè)計(jì)冷卻水及冷凍水溫度下得到的。

圖6 制冷系數(shù)隨流量的變化關(guān)系

3.4 熱水鍋爐-制冷系統(tǒng)變工況性能

制冷量的計(jì)算式可表示為:

其中:ξ表示相對(duì)制冷系數(shù)，由圖6及表3查取，0.76表示設(shè)計(jì)制冷系數(shù)，Qh表示吸熱量，Q0表示冷量。

根據(jù)熱水鍋爐的性能(圖5)及低溫?zé)崴弯寤囄帐街评錂C(jī)組的性能(圖6)，在設(shè)計(jì)熱水流量318.8 t/h，冷卻水溫度30℃時(shí)，可得到如圖7所示的熱水鍋爐-制冷系統(tǒng)的變工況性能曲線。

圖7 制冷量隨廢熱空氣溫度的變化曲線

從圖7可見，廢熱空氣溫度越高產(chǎn)生的制冷量越大，并且兩者幾乎成線性關(guān)系，其結(jié)果與文獻(xiàn)［6］中得出的煙氣溫度與制冷量的結(jié)果相同。

由于廢熱空氣溫度與負(fù)荷率及環(huán)境溫度有關(guān)，則由圖2及圖7可以得到聯(lián)合循環(huán)機(jī)組-熱水鍋爐-制冷系統(tǒng)的變工況情況，如圖8。

圖8 機(jī)組負(fù)荷率與制冷量的關(guān)系

由圖8可知，在同一環(huán)境溫度下制冷量隨機(jī)組負(fù)荷率的升高而下降，并且兩者幾乎是成線性關(guān)系，這主要是因?yàn)闄C(jī)組負(fù)荷率越高則廢熱空氣溫度越低，從而制冷量越小;相同的負(fù)荷率下環(huán)境溫度越高制冷量越多。

4 機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況經(jīng)濟(jì)性分析

廢熱回收的經(jīng)濟(jì)性與機(jī)組所在地的環(huán)境溫度及電廠負(fù)荷率有關(guān)，某機(jī)組負(fù)荷率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表4。根據(jù)圖8所示的回收系統(tǒng)變工況性能曲線以及機(jī)組每月的運(yùn)行時(shí)間，通過(guò)與制冷系數(shù)為4.2的電制冷機(jī)相比較可以折算出廢熱回收利用的月節(jié)能情況及所能獲得的經(jīng)濟(jì)效益，計(jì)算結(jié)果如表5。

從表5中數(shù)據(jù)可見，采用廢熱回收方式的年節(jié)能量大，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益明顯，每月最少可節(jié)省電費(fèi)用3.8萬(wàn)元，最多可達(dá)18.9萬(wàn)元。因此，M701F3燃?xì)廨啓C(jī)TCA/FGH廢熱空氣的熱回收是一種有效的節(jié)能手段，具有較大的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

表4 各月平均環(huán)境溫度及機(jī)組負(fù)荷率

表5 廢熱回收系統(tǒng)年效益

5 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)聯(lián)合循環(huán)M701F級(jí)燃?xì)廨啓C(jī)中TCA/FGH系統(tǒng)廢熱空氣余熱回收系統(tǒng)——熱水鍋爐-溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的變工況分析及余熱回收方式的經(jīng)濟(jì)性分析可以得出以下結(jié)論:

(1)廢熱空氣的溫度隨機(jī)組負(fù)荷的升高而降低;在一定負(fù)荷率下環(huán)境溫度越高廢熱空氣溫度越高。

(2)廢熱回收系統(tǒng)中制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的制冷量在一定環(huán)境溫度下隨機(jī)組負(fù)荷升高而下降;在一定的機(jī)組負(fù)荷率下環(huán)境溫度越高產(chǎn)生的制冷量越大。

(3)南方某典型M701F3燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)組年平均負(fù)荷率約75%，此時(shí)，廢熱回收系統(tǒng)年節(jié)約電量約225.46萬(wàn) kW·h，年制冷量1 004.42萬(wàn)kW·h。廢熱空氣回收系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益明顯，具有相當(dāng)大的可操作性，是一種有效的節(jié)能手段。

［1］ 蔡青春，王景匯.M701F型燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2009，22(3):16-20.

［2］ 蔡青春.M701F型燃?xì)廨啓C(jī)中的冷卻技術(shù)［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2009，22(4):9-12.

［3］ 楊承，楊澤亮，林鴻，等.基于數(shù)據(jù)集成的GTCC進(jìn)氣冷卻經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)［J］.燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2005，18(2):31-36.

［4］ 陳紅兵，金蘇敏，干練，等.廢煙氣廢熱溴化鋰制冷機(jī)的分析［J］.流體機(jī)械，2008(5):68-70，57.

［5］ 鄭劍嬌，郭培軍，隋軍，等.煙氣型吸收式制冷機(jī)的變工況特性研究［J］.工程熱物理學(xué)報(bào)，2012，33(8):1275-1278.

［6］ 岳永亮，張紅巖，董素霞，等.單雙效結(jié)合余熱利用型溴化鋰制冷機(jī)［J］.流體機(jī)械，2003，(31):91-93.

［7］ 遠(yuǎn)大設(shè)備有限公司.遠(yuǎn)大Ⅹ型非電空調(diào)選型設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.2011.