基于液化天然氣冷能的電廠凝汽器改造研究

(中國電建集團(tuán)福建省電力勘測設(shè)計院有限公司，福建 福州 350001)

0 引言

LNG是一種清潔、優(yōu)質(zhì)、高效的能源，由于天然氣在全球的分布結(jié)構(gòu)不均勻，且世界各國對能源消費(fèi)存在極大差異，因此全世界LNG貿(mào)易量隨著各國經(jīng)濟(jì)發(fā)展而迅速增長。LNG在氣化的過程中伴隨著大量冷能的釋放，通常情況下，這部分冷能在LNG氣化過程中被舍棄，未能得到合理、有效的利用。目前國內(nèi)外的不同研究機(jī)構(gòu)針對如何利用這部分冷能進(jìn)行了大量的研究[1]。其中利用LNG冷能進(jìn)行發(fā)電的研究可以分成兩大類，一種是利用冷能構(gòu)建相對獨(dú)立的低溫發(fā)電系統(tǒng)，另一種是將冷能應(yīng)用于改善現(xiàn)有的動力循環(huán)。而改善現(xiàn)有的動力循環(huán)通常是由LNG接收站與燃?xì)饴?lián)合循環(huán)電廠一體化來實現(xiàn)[2]。其中研究較多的方式主要有兩種，一種是利用LNG產(chǎn)生的冷能冷卻燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣，這種方式降低燃?xì)廨啓C(jī)空氣進(jìn)口溫度，提高空氣密度，使燃燒膨脹更加充分，增大發(fā)電功率和機(jī)組效率；另一種是利用LNG產(chǎn)生的冷能冷卻蒸汽輪機(jī)的排汽，這種方式通過降低蒸汽輪機(jī)排汽背壓，使蒸汽在蒸汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功充分，提高發(fā)電功率和機(jī)組效率，目前國內(nèi)外對這種方式實現(xiàn)LNG冷能利用研究較少。本論文通過分析推導(dǎo)燃?xì)怆姀S冷端利用LNG冷能的物理模型，初步提出了方案設(shè)想；提出凝汽器的設(shè)計計算流程，得出具體的改造方案；最后結(jié)合電廠熱工水力模擬軟件對整個方案進(jìn)行模擬，驗證了方案的可行性。

1 凝汽器原理

電廠凝汽器可以看作是一種特殊的熱交換器。汽輪機(jī)的排汽從汽缸出口經(jīng)過凝汽器喉部進(jìn)入凝汽器殼側(cè)，與管側(cè)的冷卻水發(fā)生熱交換，釋放凝結(jié)潛熱。蒸汽在凝結(jié)過程中，體積迅速減小，形成真空。凝結(jié)后的蒸汽匯集到集水箱，由凝結(jié)水泵抽出。與此同時，冷卻水經(jīng)水室分配至各個凝結(jié)水管中，與蒸汽發(fā)生熱交換后再匯集到出口排出。在此過程中，冷卻水吸收凝結(jié)潛熱，將排汽溫度控制在接近循環(huán)水溫度的較低水平，從而在凝汽器內(nèi)部形成較低的壓力。另外，在凝汽器內(nèi)設(shè)置有抽氣口，抽出漏入的不凝結(jié)氣體。

評價凝汽器的性能指標(biāo)主要通過三個方面進(jìn)行：凝汽器的真空度、凝結(jié)水的過冷度以及凝汽器的端差。

理想情況下，假設(shè)凝汽器中無非凝氣體，冷卻水量無限多，并且換熱充分，這時凝汽器的端差等于零，凝汽器的壓力等于冷卻水溫度對應(yīng)的飽和壓力。實際運(yùn)行工況下，凝汽器不可能沒有非凝氣體存在，端差亦不可能為零，凝汽器的壓力等于冷卻水溫度、溫升以及凝汽器端差之和對應(yīng)的飽和蒸汽壓力。目前對于凝汽器性能評價以及優(yōu)化改造也主要圍繞以上三個指標(biāo)進(jìn)行。

2 冷能利用方案選擇

凝汽器中的傳熱過程可以見圖1，其中Ts為汽機(jī)排汽的飽和溫度，T1為循環(huán)冷卻水進(jìn)口溫度，T2為循環(huán)冷卻水出口溫度。

凝汽器利用LNG的冷能可以考慮兩種方案：一種是利用LNG冷能冷卻循環(huán)冷卻水；另一種是利用LNG冷能冷卻凝結(jié)水，再將凝結(jié)水噴淋至凝汽器中。第一種方案靠降低循環(huán)冷卻水的入口溫度，從而帶走更多的排汽凝結(jié)潛熱；第二種方案靠帶走部分排汽凝結(jié)潛熱，從而降低循環(huán)冷卻水溫升。凝汽器傳熱過程的數(shù)學(xué)模型可以表示如下：

式中：Δtm為對數(shù)平均溫差(K)；Δt為循環(huán)水溫升(K)；δt表示循環(huán)水與凝結(jié)水的端差(K)；k為對流換熱系數(shù)(W/(m2·K))；A為換熱面積(m2)。公式(2)可化簡為公式(3)的形式：

公式兩邊同時取對數(shù)，可得：

公式(4)可轉(zhuǎn)化為：

公式(5)對Δt求偏導(dǎo)可得：

方程(5)對Q求偏導(dǎo)可得：

對于方案二，有全微分形式：

將公式(6)、(7)代入(8)，即得端差與循環(huán)水溫升的關(guān)系：

3 噴水冷卻方案設(shè)計

凝汽器相關(guān)噴淋管路安裝在凝汽器外及蒸汽入口的喉部空間，相關(guān)噴淋管路上包含有凝結(jié)水水泵、LNG冷能熱交換器、相關(guān)閥門等部件，排汽冷卻區(qū)由噴水管束、噴嘴、折流板構(gòu)成，見圖2。凝結(jié)水水泵自集水箱中抽出蒸汽降溫后形成的凝結(jié)水，將其送入LNG冷能熱交換系統(tǒng)，凝結(jié)水在熱交換系統(tǒng)中被冷卻為低溫凝結(jié)水，然后經(jīng)由噴水管束傳送到噴嘴處，噴嘴噴出垂直方向的扇形水膜最終到達(dá)折流板上。水膜在行程過程中被蒸汽加熱，直到距離噴嘴出口約0.5 m處，與蒸汽換熱完全，這時的水溫已達(dá)到排汽溫度。部分蒸汽在由上向下的流動過程中與循環(huán)冷卻水接觸換熱，釋放相變潛熱成為凝結(jié)水，與循環(huán)冷卻水混合后由旁路匯集至集水箱，作為下一循環(huán)的循環(huán)水。

為了計算所需的噴嘴數(shù)量和每個噴嘴的噴水能力，設(shè)計了噴水計算流程，見圖3。

某工程在額定工況下，汽輪機(jī)低壓缸排汽溫度在44.83℃，壓力在0.009 5 MPa，焓值在2 379 kJ/kg，對應(yīng)相同溫度下的凝結(jié)水焓值為188 kJ/kg。初始假定每個噴嘴的尺寸為Φ13 mm，噴水量為4.5 t/h[3]。另外，蒸汽由上至下進(jìn)入凝汽器喉部。水膜和蒸汽流速可由式(10)計算：

式中：v為流速(m/s)；Q為質(zhì)量流量(kg/s)；ρ為流體密度(kg/m3)；A為流通面積(m2)。

蒸汽與水膜在垂直方向上的合成速度可以由動量守恒方程求得：

因此，假定在層流條件下，有

式中：h為換熱系數(shù)(W/(m2·K))；g為重力加速度 (m/s2)；k為水膜導(dǎo)熱系數(shù) (W/(m·K))；r為相變潛熱(J/kg)；μ為粘度(N·s/m2)；L為特征長度；tg為蒸汽溫度(K)；tw為水膜溫度(K)。

計算可得h= 5 268 W/(m2·K)，因此，雷諾數(shù)Re可以由式(13)計算：

計算得出Re= 103.97，因此層流假設(shè)成立。對于每個噴嘴，可以計算傳熱量Φ：

由此可計算噴嘴數(shù)量：

計算得出噴嘴數(shù)量為100個，每個噴嘴的噴水量為4.5 t/h，與假設(shè)一致，在合理誤差范圍之內(nèi)。因此，假設(shè)是合理的。

4 凝汽器建模計算

4.1 凝汽器模型參數(shù)

根據(jù)凝汽器廠家提供資料，凝汽器的模型參數(shù)見表1。

4.2 凝汽器模型

RELAP5是基于兩相非平衡開發(fā)的熱工水力計算程序，可用于核電及常規(guī)系統(tǒng)的熱工水力瞬態(tài)模擬。凝汽器的RELAP5模型節(jié)塊圖見圖 4，其中200和225為時間控制體(time dependent volume，TDV)組件，分別表示凝汽器水側(cè)的進(jìn)口和出口；205為時間接管(time dependent junction，TDJ)組件，通過給定流量模擬冷卻水量；200和220為分支BRANCH(Branch)組件，模擬凝汽器的水室。其中，冷卻水在200模塊中被平均分成6個支路，分別通往6組冷卻水管路。210～215為管道PIPE(Pipe)組件，模擬6組與凝汽器的汽側(cè)發(fā)生換熱的冷卻水管路；120～125為單一控制體SNGLVOL(single volume)組件，模擬凝汽器與冷卻水換熱的汽側(cè)。在每個SNGLVOL組件之間，均有一個接口與之相連。110為PIPE組件，模擬凝汽器的上部空間；130為BRANCH組件，模擬凝汽器的熱阱。100與135為TDV組件，分別給定低壓缸出口的乏汽的參數(shù)和凝結(jié)水累入口凝結(jié)水的參數(shù)。300為TDV組件，給定噴水參數(shù)；305為TDJ組件，給定噴水流量。凝汽器的管側(cè)210～215組件與殼側(cè)120～125組件通過6個熱構(gòu)件(heat structure)組件相互連接以發(fā)生熱量的交換。

表1 凝汽器模型參數(shù)

4.3 模擬計算結(jié)果

4.3.1 模型驗證

為了驗證建模的準(zhǔn)確性，首先對凝汽器穩(wěn)態(tài)模型計算結(jié)果與廠家的資料參數(shù)進(jìn)行對比，表 2為凝汽器模型穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果。

表2 凝汽器模型穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果

穩(wěn)態(tài)情況下凝汽器主要參數(shù)的模型計算值與設(shè)計值最大誤差均小于1%，表明模型的正確性。

4.3.2 結(jié)果分析

為了進(jìn)一步研究噴水量與背壓的關(guān)系，設(shè)置凝汽器噴水量從設(shè)計值的0%變化為設(shè)計值的100%，可以得到冷卻水溫升、端差及汽側(cè)出口壓力與噴水量的關(guān)系，見圖 5、圖 6、圖 7。

從圖5中可以看出，由于凝汽器噴水量的逐步增大，由噴水帶走的蒸汽凝結(jié)潛熱增加，由循環(huán)冷卻水帶走的蒸汽凝結(jié)潛熱減少，因此蒸汽與冷卻水換熱量減少，冷卻水溫升降低。而圖6表示與凝結(jié)管束換熱的蒸汽量的減少使得附著在凝結(jié)管束外壁上的水膜量減少，對換熱有增強(qiáng)效果，這導(dǎo)致了端差的減小。因此總體來看，汽側(cè)出口溫度呈下降趨勢，進(jìn)而對應(yīng)的壓力亦呈下降趨勢。凝汽器的壓力即汽輪機(jī)排汽壓力，汽輪機(jī)排汽壓力的降低將使蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)膨脹做功更加充分，汽輪機(jī)組出力增加。

5 結(jié)論

本論文研究了LNG冷能應(yīng)用于凝汽器的技術(shù)方案，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)分析比較了利用LNG冷能冷卻循環(huán)冷卻水，以及利用LNG冷能冷卻凝結(jié)水，再將凝結(jié)水噴淋至凝汽器中兩種LNG冷能利用方案。并證明后者對凝汽器端差影響更大，后者方案優(yōu)于前者。

2)提出凝汽器噴水方案計算的流程，結(jié)合實際電廠案例得出凝汽器噴水改造方案。

3)通過對凝汽器的建模計算，證實了模型的正確性及方案的可行性。

4)冷端優(yōu)化使汽輪機(jī)膨脹做功更加充分，機(jī)組出力增加。