余熱鍋爐排煙尾氣余熱冷卻燃機(jī)進(jìn)氣研究

陳志鋒

(華電分布式能源工程技術(shù)有限公司， 北京 100070)

余熱鍋爐排煙尾氣余熱冷卻燃機(jī)進(jìn)氣研究

陳志鋒

(華電分布式能源工程技術(shù)有限公司， 北京 100070)

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率與空氣進(jìn)氣溫度密切相關(guān)。隨著大氣溫度升高，空氣密度降低，流經(jīng)燃?xì)廨啓C(jī)的空氣流量相應(yīng)減少，從而引起燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電效率下降。冷媒水在冷卻器的管內(nèi)流動(dòng)，空氣在管外流動(dòng)。通過冷媒水和空氣之間的熱交換，實(shí)現(xiàn)燃機(jī)進(jìn)口空氣的冷卻。以GE LM2500型航改機(jī)作為參考設(shè)備，討論利用聯(lián)合循環(huán)余熱系統(tǒng)對(duì)燃機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻的實(shí)際效果。

燃?xì)廨啓C(jī)；發(fā)電效率；進(jìn)氣冷卻；余熱

0 引言

燃?xì)饴?lián)合循環(huán)系統(tǒng)[1]是由燃?xì)廨啓C(jī)(以下簡(jiǎn)稱燃機(jī))、余熱鍋爐和蒸汽輪機(jī)三大主機(jī)系統(tǒng)組成的燃?xì)夥植际焦├?、供熱、發(fā)電系統(tǒng)。燃機(jī)以天然氣為原料，通過燃?xì)馊紵龓?dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，產(chǎn)生高品位電能；穩(wěn)定運(yùn)行后的排煙尾氣溫度一般在500 ℃以上；高溫?zé)煔馔ㄟ^余熱鍋爐產(chǎn)生中、低壓蒸汽，用于拖動(dòng)后面的汽輪機(jī)發(fā)電和抽汽供熱/制冷，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電、供熱、制冷。燃?xì)饴?lián)合循環(huán)系統(tǒng)綜合效率可達(dá)到70%以上。

1 燃機(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)

燃機(jī)的熱力循環(huán)通常為工質(zhì)取自大氣的開式循環(huán)，其功率和效率隨環(huán)境條件的變化而變化。當(dāng)溫度升高時(shí)，因大氣的密度降低，燃機(jī)空氣流量、壓力等參數(shù)下降，其效率隨之下降，熱耗率上升。圖1為常規(guī)燃機(jī)發(fā)電熱耗和功率與進(jìn)氣溫度的影響關(guān)系[2]。

圖1 燃機(jī)發(fā)電熱耗和功率與進(jìn)氣溫度的影響關(guān)系

本文依托實(shí)際項(xiàng)目，通過利用Thermoflow軟件和鄭州區(qū)域地理氣候等參數(shù)對(duì)某燃?xì)饴?lián)合循環(huán)項(xiàng)目進(jìn)行模擬分析，研究燃機(jī)進(jìn)氣溫度對(duì)燃機(jī)功率和熱耗的影響。該項(xiàng)目采用GE LM2500型航改燃機(jī)。圖2為環(huán)境溫度對(duì)燃機(jī)出力的影響曲線，圖3為環(huán)境溫度對(duì)燃機(jī)效率的影響曲線。從以上2圖中可以看出，隨著環(huán)境溫度升高，燃機(jī)出力不斷降低，當(dāng)環(huán)境溫度從15 ℃上升到33 ℃時(shí)，燃機(jī)功率降低了15%左右，熱耗率增加了5百分點(diǎn)左右。

圖2 環(huán)境溫度對(duì)燃機(jī)出力影響

圖3 環(huán)境溫度對(duì)燃機(jī)效率影響

燃機(jī)進(jìn)氣溫度過高，對(duì)機(jī)組發(fā)電功率和熱耗產(chǎn)生不利影響；目前常用的解決方法是對(duì)燃機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，通過降低進(jìn)氣溫度，從而達(dá)到提升燃機(jī)發(fā)電效率和整機(jī)功率的目的。

燃機(jī)入口空氣冷卻技術(shù)經(jīng)過20年的發(fā)展，目前主要的技術(shù)手段有直接接觸和間接接觸兩大形式[3]。

圖4 余熱冷卻進(jìn)氣系統(tǒng)組成

1.1 直接接觸式冷卻

直接接觸式冷卻采用在表面介質(zhì)上淋水或噴霧等方式，通過水的蒸發(fā)吸收汽化潛熱降低空氣溫度。該方式的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)簡(jiǎn)單，入口空氣流阻增加小，一次投資和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。缺點(diǎn)是受環(huán)境相對(duì)濕度影響大，冷度低, 冷卻后的進(jìn)氣溫度僅能逼近但永不能達(dá)到環(huán)境濕球溫度，同時(shí)對(duì)噴淋水、霧的水質(zhì)要求高。

1.2 間接接觸式冷卻

間接接觸式冷卻是指采用冷卻盤管(換熱器)和常規(guī)制冷設(shè)備實(shí)現(xiàn)的燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)。一般是冷媒水在冷卻器的管內(nèi)流動(dòng)，空氣在管外流動(dòng)。通過冷媒水和空氣之間的熱交換，實(shí)現(xiàn)燃機(jī)進(jìn)口空氣的冷卻。該方式的優(yōu)點(diǎn)是不受環(huán)境濕球溫度影響，可以實(shí)現(xiàn)較大的冷度，能夠?qū)⑦M(jìn)氣冷卻到最佳溫度。缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，入口空氣流阻大，占地、一次投資、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用均較大。

2 系統(tǒng)工藝簡(jiǎn)介

鄭州屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏季高溫天氣延續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，室外溫度高，對(duì)于航改機(jī)組影響較大；項(xiàng)目采用燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，中間過程產(chǎn)生大量的余熱蒸汽和熱水，可以作為間接接觸式冷卻方式的熱源，既可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣冷卻，提高發(fā)電出力和發(fā)電效率，又可以充分利用系統(tǒng)余熱，提高整個(gè)系統(tǒng)的綜合熱效率。因此，本項(xiàng)目進(jìn)氣冷卻設(shè)計(jì)方案采用熱水型溴化鋰機(jī)組+蒸汽型溴化鋰機(jī)組作為進(jìn)氣系統(tǒng)冷源，對(duì)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。

熱水型溴化鋰機(jī)組采用回收余熱鍋爐排煙尾氣余熱[4](排煙溫度從110 ℃左右降到80 ℃左右)產(chǎn)生的高溫?zé)崴?90 ℃)作為動(dòng)力熱源，實(shí)現(xiàn)制冷功能。

蒸汽型溴化鋰機(jī)組通過余熱鍋爐回收燃?xì)馀牌麩崃慨a(chǎn)生的中、低壓蒸汽作為動(dòng)力熱源，實(shí)現(xiàn)制冷功能。本項(xiàng)目采用低壓蒸汽作為蒸汽溴化鋰機(jī)組熱源。本項(xiàng)目進(jìn)氣冷卻技術(shù)方案按照2臺(tái)GE LM2500+G4型燃機(jī)進(jìn)行計(jì)算，單臺(tái)燃機(jī)計(jì)算進(jìn)氣冷卻所需制冷功率為5.4 MW左右，2臺(tái)燃機(jī)冷卻所需最大制冷功率為10.0 MW。優(yōu)先采用熱水型溴化鋰機(jī)組實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣冷卻，不足部分由蒸汽溴化鋰補(bǔ)充，這樣既可以充分利用排煙余熱，也能更好地保證系統(tǒng)工業(yè)蒸汽用戶需求。

3 系統(tǒng)組成

該項(xiàng)目余熱冷卻進(jìn)氣系統(tǒng)組成如圖4所示。余熱冷卻進(jìn)氣系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電后，排放的煙氣進(jìn)入余熱鍋爐；余熱鍋爐產(chǎn)生高壓蒸汽進(jìn)入背壓汽輪機(jī)發(fā)電并外排蒸汽至蒸汽聯(lián)箱；余熱鍋爐低壓蒸汽直接進(jìn)入蒸汽聯(lián)箱，從蒸汽聯(lián)箱提供蒸汽供用戶使用，同時(shí)一部分蒸汽進(jìn)入蒸汽型溴化鋰機(jī)組產(chǎn)生冷水，通過過濾房給燃?xì)廨啓C(jī)的空壓機(jī)部分進(jìn)氣進(jìn)行冷卻；同時(shí)，通過利用余熱鍋爐擴(kuò)大省煤器回收余熱鍋爐的排煙尾氣余熱，從而制取高溫?zé)崴粺崴M(jìn)入熱水型溴化鋰機(jī)組產(chǎn)生冷水，通過過濾房給燃?xì)廨啓C(jī)的空壓機(jī)部分進(jìn)氣提供另一路冷源；進(jìn)氣冷卻冷源優(yōu)先采用低品位余熱實(shí)現(xiàn)冷卻。

4 效益分析

4.1 性能計(jì)算

GE LM2500型航改機(jī)進(jìn)氣溫度超過15.0 ℃以上時(shí)，進(jìn)氣溫度對(duì)機(jī)組效率和出力均產(chǎn)生影響。鄭州市的夏季工況氣象條件[5]和機(jī)組進(jìn)氣冷卻前后的典型工況燃機(jī)性能計(jì)算見表1。

表1 典型工況燃機(jī)性能計(jì)算

表1采用Thermoflow計(jì)算，可以看出，當(dāng)燃機(jī)進(jìn)氣冷卻后，進(jìn)氣從30.2 ℃降為15.0 ℃時(shí)，單臺(tái)燃機(jī)發(fā)電出力提高了20%，發(fā)電效率提高了1.86百分點(diǎn)。

4.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

該項(xiàng)目進(jìn)氣冷卻投資估算的主要內(nèi)容包含燃機(jī)進(jìn)氣冷卻過濾房費(fèi)用、制冷設(shè)備容量增加費(fèi)用、輸送管道費(fèi)用、電控輔助設(shè)備費(fèi)用、施工安裝費(fèi)用等，總投資估算約2 000萬(wàn)元。

4.3 運(yùn)行費(fèi)用分析

鄭州某項(xiàng)目為區(qū)域項(xiàng)目，正常情況下機(jī)組24 h運(yùn)行，機(jī)組全年利用小時(shí)數(shù)為5 500 h，考慮鄭州超過15.0 ℃以上的天氣時(shí)間占全年的3/4，可估算進(jìn)氣冷卻的時(shí)間約為4 000 。當(dāng)?shù)刂兴畠r(jià)格0.96 元/t，項(xiàng)目燃?xì)鈨r(jià)格為2.1 元/m3，電價(jià)為0.8 元/(kW·h)。以此為計(jì)算基礎(chǔ)，核算運(yùn)行消耗和收入如下：項(xiàng)目用于進(jìn)氣冷卻消耗的蒸汽量為3.2 萬(wàn)t，用于汽機(jī)發(fā)電量約為6.97 GW·h，系統(tǒng)耗電量約為1.08 GW·h，系統(tǒng)耗水量約為10 萬(wàn)t。由于進(jìn)氣冷卻帶來(lái)出力增加而相對(duì)增加的燃?xì)饬考s為480 萬(wàn)m3。

由于進(jìn)氣冷卻提升的發(fā)電出力和效率帶來(lái)的收益估算為多發(fā)電量約為228.00 GW·h。綜合計(jì)算采用進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)，工作周期內(nèi)節(jié)省費(fèi)用約為163 萬(wàn)元。

5 結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)的整體收益雖然不高，但是由于聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目供能存在波動(dòng)性，在外供負(fù)荷不穩(wěn)定的情況下，為保證發(fā)電利用小時(shí)數(shù)，系統(tǒng)多會(huì)部分負(fù)載運(yùn)行，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行效率、檢修要求和使用壽命均有影響，所以，進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)作為區(qū)域聯(lián)合循環(huán)項(xiàng)目的一個(gè)補(bǔ)充，可以作為系統(tǒng)供能調(diào)節(jié)的手段使用。經(jīng)綜合比較，燃?xì)饴?lián)合循環(huán)系統(tǒng)采用進(jìn)氣冷卻利大于弊，將是今后發(fā)展的一個(gè)方向。

[1]焦樹建.燃?xì)廨啓C(jī)與燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)裝置[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007.

[2]焦樹建.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]彥啟森.制冷技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

[4]燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠設(shè)計(jì)規(guī)定：DL/T 5174—2003[S].

[5]民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范: GB 50736—2012[S].

(本文責(zé)編：劉炳鋒)

2016-12-01；

2017-01-06

TK 222

B

1674-1951(2017)02-0073-03

陳志鋒(1980—)，男，北京人，工程師，從事燃?xì)夥植际侥茉错?xiàng)目設(shè)計(jì)研究方面的工作(E-mail:czf2004@126.com)。