進氣冷卻及冷凝水回收技術在東非地區的應用

李敏鋒， 趙東光， 李繼剛， 王志剛， 葉　非， 蔣　昊

(上海電力上坦發電有限公司， 上海 200010)

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進氣冷卻及冷凝水回收技術在東非地區的應用

李敏鋒， 趙東光， 李繼剛， 王志剛， 葉非， 蔣昊

(上海電力上坦發電有限公司， 上海 200010)

摘要：結合東非地區的氣象條件、投資、水源等因素，對燃氣輪機進氣冷卻技術及冷凝水回收技術特點、應用范圍等進行了比較；并對冷凝水回收技術在東非地區燃氣電廠應用進行了分析。結果表明：東非地區采用進氣冷卻方式主要受大氣環境、總投資及水資源的影響。建議在選用進氣冷卻技術時可綜合考慮冷凝水回收，既可提高燃氣輪機效率又節能環保。

關鍵詞：燃氣輪機； 進氣冷卻； 冷凝水回收； 節能

東非地區由于水源不足使市政供水短缺，且海水淡化投資較高，所以大部分燃氣電廠采用單循環機組。由于單循環燃氣輪機(簡稱燃機)實際效率不到40%，燃機進氣冷卻技術因此得到廣泛應用。進氣冷卻技術最早應用在美國密歇根一家電廠[1]，通過降低環境溫度提高燃機效率及功率，國內外對此進行了大量的研究[2-9]。以GE公司的9E型燃機為例，當溫度由15 ℃上升到35 ℃時，燃機的功率下降到ISO工況的87.5%左右，熱耗率增加3%～4%[2]。

采用燃機進氣冷卻技術不僅可以提高燃機效率，還可冷卻空氣中的水分作為冷凝水加以處理回收利用[10]，并結合空調冷凝水回收，從而在獲得水源的同時也能節能環保。筆者對進氣冷卻技術在東非地區的應用進行了分析，并綜合分析了進氣冷卻冷凝水回收技術的可行性，為實際工程應用提供參考。

1燃機進氣冷卻方式及其比較

1.1 進氣冷卻方式

進氣冷卻主要有直接和間接接觸式冷卻。直接接觸式冷卻主要有噴霧、濕冷蒸發式冷卻等。濕冷蒸發式冷卻主要利用水在蒸發過程中吸收空氣中的潛熱來達到降低周圍空氣溫度。Cortes[3]研究表明，濕冷式制冷方法可提高14%的出力，而年運行維護費用為安裝費用的3%～5%。Dawoud等[4]對GE 6B機組在OMAN應用實例表明該制冷方式年用水量為14 085 t。因此對于水源緊張地區的燃氣電廠采用濕冷制冷方法不太適用。

間接接觸式冷卻主要有吸收制冷、壓縮制冷、冰蓄冷制冷以及LNG冷能利用等方式。Mohanty和Paloso[5]對曼谷某100 MW燃機機組采用雙效溴化鋰吸收式制冷系統，研究表明進氣溫度可降至15 ℃，總輸出功率增加11%。Al-Bortmany[6]討論利用燃機排氣余熱使用氨吸收制冷系統，兩臺燃機進氣溫度降低至7 ℃，分別增加輸出功率20%和14%。壓縮式制冷因系統簡單，投資小，可獲得較低的制冷溫度。冰蓄冷冷卻使用機械或電驅動壓縮制冷設備，在負荷低谷制冰蓄冷，負荷高峰利用蓄冷冷卻進氣[2]。Ameri等[7]研究冰蓄冷冷卻系統可將環境溫度從45 ℃降低至7.2 ℃，增加13.6%的發電量，但是初始投資成本太大。Al-Ibrahim和Varnham[8]認為冰蓄冷冷卻系統在水源緊缺區域可很好應用。LNG冷能的利用適用炎熱干燥的地區，需要有LNG接受站[9]。LNG氣化釋放大量冷能，冷能不能直接傳遞給進口空氣，需要通過中間載冷劑經過兩級冷卻器才能傳遞[2]。

1.2 進氣冷卻方式比較

進氣冷卻方式的選擇受多種因素的影響，幾種常見的冷卻方式的適用范圍及優缺點對比見表1。根據表1結合當地氣象條件及具體工程，可選擇合適的進氣冷卻方式。東非地區由于年平均溫度高，濕度較大，且水源緊缺，總投資有限，常采用單循環機組。大部分單循環機組采用壓縮式制冷來提高燃機的效率，蒸發式制冷應用在局部濕度不大且水源充足的地區。

表1　進氣冷卻方式對比

2冷凝水回收及其應用

2.1 進氣冷卻冷凝水回收及應用

進氣冷卻冷凝水率主要受進口空氣溫度和濕度、出口空氣溫度和濕度等影響。文獻[10]對冷凝水率影響因素的分析表明，進口空氣溫度對冷凝水率的影響最大，出口空氣溫度與進口空氣濕度對冷凝水率的影響大致相當，明顯低于進口空氣溫度對冷凝水率的影響。

東非某電廠有3臺LM6000燃機單循環空冷機組，采用了機械壓縮式制冷對進氣進行冷卻，其系統圖見圖1。

該廠每臺機組的燃機進氣冷卻系統采用六個水冷柜，將冷卻后的閉式循環水引入燃機進氣冷卻器，產生的冷凝水被收集到20 t冷凝水箱，負責對該廠兩個容量分別為120 t原水箱和360 t消防水箱的補水；當地年平均氣溫26.0 ℃，年平均相對濕度為75.0%，年運行小時數為7 446 h，在當地工況下每臺燃機每小時可制水0.5 t，3臺機組運行一天可收滿36 t。目前該電廠的主要水源為進氣冷卻系統的冷凝水。該廠燃機進汽冷凝水回收除能滿足消防、日常生產、場內清洗、綠化澆灌及生活用水和對水箱進行補水的用途外，尚有大量剩余水白白流入廠區雨水溝直接排放至附近河道。

該廠進氣冷卻冷凝水回收步驟如下：

(1) 系統正常運行時6臺冷水機組同時投入運行，其流程見圖2。冷凍水通過循環水泵輸送至燃機進口處的冷卻盤管冷卻空氣，并由此得到空氣中的凝結水。冷水機組冷凍水出口設計溫度為不低于7 ℃，冷凍水經過盤管后最大設計溫差為5 K，冷凍水回水設計溫度為不高于12 ℃，并送回至冷水機組，再由冷水機組制成設計溫度不低于7 ℃的冷凍水。

(2) 系統運行時，室外空氣通過冷卻盤管后設計溫降為10 K。

(3) 燃機進口冷卻后空氣溫度的控制主要靠調節進入冷卻盤管的冷凍水流量(冷凍水流量的調節通過盤管入口處的電動分流三通調節閥調節)。

此外還要做到：

(1)在整個冷凍水系統運行過程中，需設置1套定壓系統(見圖3)來控制水系統的運行壓力。

(2) 為防止鹽霧腐蝕冷卻盤管，采用不銹鋼材質，僅在盤管兩端連接處采用銅管。

(3) 為保證空氣中的凝結水不進入燃燒器，在盤管后增設了離心式氣水分離器。

(4) 為保證氣流均勻及清潔，在冷卻盤管前增設了均流段及過濾器。

2.2 空調冷凝水回收技術

空調冷凝水因流經空調蒸發器或風機盤管的空氣表面溫度低于露點溫度，使空氣中的水蒸氣冷凝成凝結水[11]?？照{冷凝水可作為水資源向冷卻塔補水、消防用水及綠化灌溉用水?？照{冷凝水溫通常在10～15 ℃，如果利用冷凝水的蒸發潛熱，設計冷凝水回收系統[12](見圖4)不僅可以改善冷凝器的傳熱效果，降低空調能耗，同時又可以解決空調冷凝水排放對環境造成的污染現象。因此該技術可適用于大型電廠空調長期運行的集控室及辦公室。

3燃氣電廠應用實例

對于東非地區某擬建9E級單循環機組燃氣電廠，廠址所在地區全年氣溫高且變化不大，采用燃機進氣冷卻具有一定經濟效益，且進氣冷卻還可回收冷凝水作為單循環機組的主要水源。

3.1 進氣冷卻方式選擇及主要性能分析

該廠位于溫度高、相對濕度大、水源缺乏的地區。根據前述的進氣冷卻方式對比可知，蒸發式制冷因濕度、水源不滿足要求；吸收式制冷不適用于簡單循環；該地區無LNG站， LNG制冷方式無法實現；冰蓄冷制冷方式因投資占地大也不經濟。機械壓縮式制冷適用于溫度高、濕度大地區，可以獲得較低制冷溫度，提高出力，因此該廠采用機械制冷系統(見圖1)。

在ISO工況下，燃機的總出力為257.3 MW，熱耗為10 502 kJ/(kW·h)，燃機的效率為34.3%。當地年平均氣溫約26 ℃，年平均相對濕度約為75%，根據該條件對9E單循環機組采用進氣冷卻前后的性能指標分析見表2。

表2　當地工況下采用進氣冷卻前后的性能指標分析

根據當地的標準購售電協議，年平均利用7 446 h。由表2可知：采用進氣冷卻后燃機總出力、年發電量增加了3.1%，熱耗下降了0.4%，但廠用電率從1.2%增加到3.6%。盡管采用機械壓縮式制冷方式后廠用電率大大增加，但由于當地采用的兩部制電價模式，并不是發電越多經濟效益越好。因此采用機械制冷系統提高燃機出力，同時可回收冷凝水作為單循環機組的主要水源。

3.2 冷凝水回收設計

機械壓縮式制冷系統與燃機的對應配置關系可采用一對一或一對多形式，進氣經過濾后與載有冷媒(二次冷凍水)的冷卻盤管接觸后，進氣中的水蒸氣溫度驟降，從而產生冷凝水。其主要模塊有制冷站模塊(含制冷機、一次冷凍泵及冷凝泵等)、二次冷凍泵模塊、散熱器、空氣過濾器、冷卻盤管及控制系統等(見圖5)。該系統設計通過機械壓縮制冷可以將進氣溫度降至較低的溫度，將大氣中的水蒸氣冷卻成冷凝水回收到冷凝水水箱。

每套單循環燃機機組設計閉式冷卻水量為470 t/h；取閉式冷卻水補水量為冷卻水量的0.2%，即每套單循環閉式冷卻水補水量1 t/h，兩套燃機機組補水量共計2 t/h。當燃機在當地現場氣象條件基本負荷下運行，廠家提供的進氣冷卻系統最低制水量為3.5 t/h，可滿足閉式冷卻水補充用水量要求。

考慮將集控室、辦公大樓中央空調等空調冷凝水回收，按當地氣象條件(室外計算干球溫度為33.1 ℃，室外計算濕球溫度為28.3 ℃，空氣中的含濕量為0.022 8，空氣焓值為92 kJ/kg；室內設計溫度為26 ℃，室內相對濕度為50%，空氣中的含濕量為0.010 62，空氣焓值為53.3 kJ/kg)，經過盤管后空氣處理點參數：室內設計溫度為16.4 ℃，室內相對濕度為90%，空氣中的含濕量為0.010 62，空氣焓值為43.5 kJ/kg，可得1 kW 的冷負荷所能得到的空調凝結水量為0.4 kg/h，每天空調凝結水最大回收量為3.2 t，全年空調凝結水最大回水量為860 t。

因此，進氣冷卻冷凝水及空調冷凝水經水處理裝置處理后作為單循環機組的主要水源是可行的，可實現電廠的節能環保及水資源的綜合利用。

4結語

筆者對燃機進氣冷卻技術及冷凝水回收技術特點、應用范圍進行了對比分析表明：在東非地區，綜合考慮氣象條件、投資及水源等因素，采用壓縮制冷進氣冷卻方式制水是可行的，并結合冷凝水回收技術，回收冷凝水供冷卻塔補充水源、消防、綠化灌溉及清潔用水，從而既能提高燃機效率又能節能環保。

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Application of Inlet Air Cooling and Condensate Water Recovery Technology in East Africa

Li Minfeng, Zhao Dongguang, Li Jigang, Wang Zhigang, Ye Fei, Jiang Hao

(Shangtan Power Generation Co., Ltd., Shanghai Electric Power Co., Ltd., Shanghai 200010, China)

Abstract：The features of gas turbine inlet air cooling and condensate water recovery technology as well as their application range in East Africa were compared according to the factors of meteorological condition, capital investment and the source of water, etc., while the feasibility of the condensate water recovery technology applied in the gas turbine power plant was studied. Results show that reasonable inlet air cooling technology should be chosen in consideration of variety of factors like meteorological condition, total investment and water source in East Africa. The condensate water recovery technology is recommended when the inlet air cooling technology is adopted, so as to not only improve the gas turbine efficiency, but also achieve the purpose of energy conservation and environmental protection.

Keywords：gas turbine; inlet air cooling; condensate water recovery; energy conservation

中圖分類號：TK477

文獻標志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)02-0088-04

作者簡介：李敏鋒(1983—)，男，工程師，主要從事火電工程技術及管理工作。E-mail: liminfeng001@163.com

收稿日期：2015-08-17