瓦斯發(fā)電站發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)優(yōu)化改造

韓陽陽

（山西凱嘉煤層氣發(fā)電有限公司， 山西 介休 032000）

引言

礦井瓦斯發(fā)電機(jī)組在夏季工作過程中，當(dāng)機(jī)組氣源溫度過高或者預(yù)處理系統(tǒng)降溫效果不明顯時，會造成發(fā)電機(jī)組長期處于高溫狀態(tài)下運(yùn)行，從而降低瓦斯發(fā)電站機(jī)組運(yùn)行效率甚至發(fā)電機(jī)組停機(jī)運(yùn)行[1-3]。冷卻系統(tǒng)作用下通過冷卻劑（水、冷凍液）等，將瓦斯發(fā)電機(jī)組發(fā)動機(jī)等設(shè)備運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量及時排出，使得設(shè)備在適宜溫度下工作[4]。現(xiàn)階段發(fā)電機(jī)組常用的冷卻方式包括有風(fēng)冷、水冷以及空調(diào)降溫等方式，其中以空調(diào)降溫制冷方式效果最為顯著，但是也存在明顯的冷卻降溫成本過高等問題[5]。山西某礦瓦斯發(fā)電站為了降低冷卻系統(tǒng)運(yùn)行成本，提出將風(fēng)冷方式改為風(fēng)冷+水冷方式，有效降低了冷卻機(jī)組運(yùn)行溫度，取得顯著應(yīng)用成果。

1 工程概況

山西某礦配套的瓦斯發(fā)電站采用2 臺型號500GFI-3RW 發(fā)電機(jī)組發(fā)電，發(fā)電機(jī)組采用雙循環(huán)強(qiáng)制水冷卻方式，即在同一臺發(fā)電機(jī)組采用兩套獨(dú)立運(yùn)行的冷卻系統(tǒng)分別為不同位置降溫。發(fā)電機(jī)組冷卻采用封閉循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，并配備有臥式水箱。冷卻系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)水進(jìn)入到臥式水箱后，通過風(fēng)扇為循環(huán)水降溫。具體冷卻系統(tǒng)工作流程見圖1。

1.1 高溫區(qū)循環(huán)冷卻系統(tǒng)

高溫區(qū)循環(huán)冷卻系統(tǒng)是將發(fā)電機(jī)組中氣缸蓋、氣缸套以及機(jī)體等零部件工作時產(chǎn)生的溫度及時排出，從而使得上述設(shè)備可平穩(wěn)運(yùn)行。高溫區(qū)循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷卻水先進(jìn)入到機(jī)體右側(cè)，通過飛輪端將機(jī)體左、右兩側(cè)冷卻水管路聯(lián)通；隨后冷卻水進(jìn)入到氣缸套外部，并經(jīng)汽缸蓋上4 個串水孔進(jìn)入到氣缸蓋水墻內(nèi)；經(jīng)過循環(huán)后的高溫水進(jìn)入到回水管路后被運(yùn)輸至臥式水箱內(nèi)進(jìn)行冷卻降溫；降溫后的水開始進(jìn)入到下一循環(huán)冷卻。

圖1 冷卻系統(tǒng)工作流程

1.2 低溫區(qū)循環(huán)冷卻系統(tǒng)

低溫區(qū)循環(huán)冷卻系統(tǒng)主要是降低機(jī)油、加壓后的混合氣體等溫度，從而確保機(jī)油持續(xù)潤滑以及發(fā)動機(jī)內(nèi)的充氣效率。低溫區(qū)循環(huán)冷卻系統(tǒng)工作過程為：低溫冷卻水泵先將冷卻用水泵送至中冷器內(nèi)，首先對加壓后的混合氣體降溫，隨后冷卻水進(jìn)入到機(jī)油冷卻器內(nèi)為降低機(jī)油溫度；冷卻完機(jī)油后的冷卻水進(jìn)入到臥式水箱內(nèi)降溫；降溫后的冷卻水開始下一循環(huán)冷卻工作。

發(fā)動機(jī)正常工作時需要控制冷卻系統(tǒng)中冷卻水溫度，避免帶走過多熱量導(dǎo)致發(fā)動機(jī)能耗增加、功率降低等故障發(fā)生。通常情況下發(fā)動機(jī)冷卻后的回水管路中水溫宜控制在70～80 ℃。

2 冷卻系統(tǒng)運(yùn)行存在問題分析

礦井瓦斯發(fā)電站冷卻系統(tǒng)運(yùn)行存在問題主要為：冷卻機(jī)組布置在室外，夏季時室外溫度相對較高，而僅采用風(fēng)扇對循環(huán)冷卻水進(jìn)行降溫難以達(dá)到有效冷卻的目的；發(fā)電機(jī)組正常工作時，冷卻水高溫回水管路溫度保持在70～80 ℃為宜，但是受臥式水箱內(nèi)降溫效率不高問題，導(dǎo)致冷卻進(jìn)水本身溫度較高，時常會出現(xiàn)高溫回水管路溫度超過85 ℃問題；冷卻水溫度過高時不僅會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組工作效率降低，甚至出現(xiàn)無法正常工作問題。因此，需要對發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)進(jìn)行針對性優(yōu)化改造。

3 冷卻系統(tǒng)優(yōu)化改造技術(shù)方案

3.1 改造技術(shù)原理

針對瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)存在降低效率不高問題，考慮到瓦斯泵站存在有爆炸性氣體，采用的機(jī)電設(shè)備應(yīng)具備防爆性，若采用空調(diào)制冷方式冷卻不僅需要投入大量的空調(diào)制冷費(fèi)用而且需要對空調(diào)進(jìn)行防爆改造，總體改造成本高昂，礦井難以承受。為此，經(jīng)過充分調(diào)研并結(jié)合以往研究成果[6-7]，提出在原有的風(fēng)冷基礎(chǔ)上增加水冷方式來降低冷卻系統(tǒng)回水管路中的高溫水溫度，從而使得冷卻系統(tǒng)可高效運(yùn)行。

具體水冷技術(shù)原理為：在瓦斯發(fā)電站旁新建一儲量20 m3水池，水池中水不僅可用以冷卻降溫，而且可用以火災(zāi)防治；水池水采用DN65 鋼管向8 個分支管路中供水，分支管路在臥式水箱上的8 個降溫風(fēng)扇側(cè)開口、布置，分支管路出口處布置有高流量霧化噴頭，可將分支中水進(jìn)行霧化；當(dāng)開始降溫時，降溫風(fēng)扇向高溫散熱器供風(fēng)、高流量霧化噴頭可顯著降低臥式水箱內(nèi)溫度，同時水流也會流經(jīng)高低溫散熱器直接沖洗降溫，降溫后的水進(jìn)入到臥式水箱下的集水箱內(nèi)；集水箱內(nèi)布置有潛水泵，通過DN50鋼管泵送至水箱內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)清水循環(huán)利用。

3.2 改造方法

在瓦斯發(fā)電站旁10 m 位置處新建一座容量為20 m3的水池，水池內(nèi)水位高度保持在3 m 以上，并在離水池底板50 cm 位置開孔安裝DN65 管路，通過水池內(nèi)水壓即可為水循環(huán)提供動力；在臥式水箱上的8 個降溫風(fēng)扇附近均布置DN15 分支水管，分支水管深入到臥式水箱內(nèi)20 cm，在分支水管尾部均安裝有高流量霧化噴頭，單個噴頭流量為20 L/min，覆蓋半徑為1 m，通過8 個高流量霧化噴頭可實(shí)現(xiàn)臥式水箱全覆蓋降溫；高流量霧化噴頭噴出的可除去霧化外還可直接對臥式水箱內(nèi)的高、低溫散熱器進(jìn)行水洗降溫。

在臥式水箱下開孔徑20 cm 口，高流量霧化噴頭噴出的冷卻水經(jīng)過臥式水箱下流向底部水箱，水箱上部有凹形過濾網(wǎng)、網(wǎng)孔規(guī)格為2 mm×2 mm，從而可過濾冷卻水中大粒徑雜質(zhì)；水箱布置規(guī)格：高×寬×長=2 000 mm×3 800 mm×3 800 mm，在水箱下部安裝有潛水泵，并通過DN65 管路將水循環(huán)到水池內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)清水循環(huán)利用。具體改造完成的冷卻水系統(tǒng)見圖2。

4 應(yīng)用效果

在 2019 年 5 月—7 月（冷卻系統(tǒng)改造前）、2020年5 月—7 月（冷卻系統(tǒng)改造后）對冷卻系統(tǒng)中高溫回水管路進(jìn)入到臥式水箱前后的溫度進(jìn)行測量，具體測量結(jié)果見圖3。

圖2 改造后的冷卻系統(tǒng)工作流程

圖3 改造前后冷卻水溫度監(jiān)測結(jié)果

從監(jiān)測結(jié)果得知，改造前冷卻系統(tǒng)高溫回水管中溫度時常超過85 ℃、冷卻水進(jìn)入管路中溫度超過30 ℃，瓦斯發(fā)電機(jī)組無法長時間保持高功率運(yùn)行狀態(tài)；冷卻系統(tǒng)改造后，高溫回水管路中溫度降低至75 ℃、冷卻水進(jìn)入管路中溫度超過25 ℃，冷卻系統(tǒng)整體溫度降低顯著。表明通過改造后的冷卻系統(tǒng)可更好地服務(wù)于瓦斯發(fā)電機(jī)組。

5 結(jié)論

1）發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生大量的余熱，若無法及時將余熱帶出不僅會使得設(shè)備運(yùn)行效率降低，甚至?xí)?dǎo)致發(fā)電機(jī)組由于溫度過高而停機(jī)運(yùn)行。對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行必要的冷卻是設(shè)備高效運(yùn)行的基礎(chǔ)。

2）文中就對山西某瓦斯發(fā)電站瓦斯發(fā)電機(jī)組冷卻系統(tǒng)運(yùn)行過程中存在的問題進(jìn)行分析，并提出在原有風(fēng)冷基礎(chǔ)上增加水冷，從而降低冷卻系統(tǒng)運(yùn)行效果，提高冷卻效果。

3）對冷卻系統(tǒng)改造后，冷卻系統(tǒng)冷卻效果得以明顯提升，冷卻水進(jìn)入口溫度由改造前的30 ℃以上降低至25 ℃以下；回水管路溫度由85 ℃以上降低至80 ℃以下，取得顯著的改造效果。