余熱鍋爐排煙尾氣余熱冷卻燃機進(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的空氣流量相應(yīng)減少，從而引起燃?xì)廨啓C發(fā)電效率下降。冷媒水在冷卻器的管內(nèi)流動，空氣在管外流動。通過冷媒水和空氣之間的熱交換，實現(xiàn)燃機進(jìn)口空氣的冷卻。以GE LM2500型航改機作為參考設(shè)備，討論利用聯(lián)合循環(huán)余熱系統(tǒng)對燃機進(jìn)氣進(jìn)行冷卻的實際效果。

燃?xì)廨啓C；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(以下簡稱燃機)、余熱鍋爐和蒸汽輪機三大主機系統(tǒng)組成的燃?xì)夥植际焦├洹⒐帷l(fā)電系統(tǒng)。燃機以天然氣為原料，通過燃?xì)馊紵龓影l(fā)電機發(fā)電，產(chǎn)生高品位電能；穩(wěn)定運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，用于拖動后面的汽輪機發(fā)電和抽汽供熱/制冷，實現(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 燃機進(jìn)氣冷卻技術(shù)

燃機的熱力循環(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，因大氣的密度降低，燃機空氣流量、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

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

圖2 環(huán)境溫度對燃機出力影響

圖3 環(huán)境溫度對燃機效率影響

燃機進(jìn)氣溫度過高，對機組發(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燃機進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，通過降低進(jìn)氣溫度，從而達(dá)到提升燃機發(fā)電效率和整機功率的目的。

燃機入口空氣冷卻技術(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)點是系統(tǒng)簡單，入口空氣流阻增加小，一次投資和運行維護(hù)費用低。缺點是受環(huán)境相對濕度影響大，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，同時對噴淋水、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)備實現(xiàn)的燃?xì)廨啓C進(jìn)氣冷卻技術(shù)。一般是冷媒水在冷卻器的管內(nèi)流動，空氣在管外流動。通過冷媒水和空氣之間的熱交換，實現(xiàn)燃機進(jìn)口空氣的冷卻。該方式的優(yōu)點是不受環(huán)境濕球溫度影響，可以實現(xiàn)較大的冷度，能夠?qū)⑦M(jìn)氣冷卻到最佳溫度。缺點是系統(tǒng)復(fù)雜，入口空氣流阻大，占地、一次投資、運行維護(hù)費用均較大。

2 系統(tǒng)工藝簡介

鄭州屬于夏熱冬冷地區(qū)，夏季高溫天氣延續(xù)時間長，室外溫度高，對于航改機組影響較大；項目采用燃機聯(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，提高整個系統(tǒng)的綜合熱效率。因此，本項目進(jìn)氣冷卻設(shè)計方案采用熱水型溴化鋰機組+蒸汽型溴化鋰機組作為進(jìn)氣系統(tǒng)冷源，對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行冷卻。

熱水型溴化鋰機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 ℃)作為動力熱源，實現(xiàn)制冷功能。

蒸汽型溴化鋰機組通過余熱鍋爐回收燃?xì)馀牌麩崃慨a(chǎn)生的中、低壓蒸汽作為動力熱源，實現(xiàn)制冷功能。本項目采用低壓蒸汽作為蒸汽溴化鋰機組熱源。本項目進(jìn)氣冷卻技術(shù)方案按照2臺GE LM2500+G4型燃機進(jìn)行計算，單臺燃機計算進(jìn)氣冷卻所需制冷功率為5.4 MW左右，2臺燃機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組實現(xiàn)進(jìn)氣冷卻，不足部分由蒸汽溴化鋰補充，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)運行流程如下：燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)廨啓C驅(qū)動發(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，同時一部分蒸汽進(jìn)入蒸汽型溴化鋰機組產(chǎn)生冷水，通過過濾房給燃?xì)廨啓C的空壓機部分進(jìn)氣進(jìn)行冷卻；同時，通過利用余熱鍋爐擴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)入熱水型溴化鋰機組產(chǎn)生冷水，通過過濾房給燃?xì)廨啓C的空壓機部分進(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現(xiàn)冷卻。

4 效益分析

4.1 性能計算

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

表1 典型工況燃機性能計算

表1采用Thermoflow計算，可以看出，當(dāng)燃機進(jìn)氣冷卻后，進(jìn)氣從30.2 ℃降為15.0 ℃時，單臺燃機發(fā)電出力提高了20%，發(fā)電效率提高了1.86百分點。

4.2 經(jīng)濟指標(biāo)

該項目進(jìn)氣冷卻投資估算的主要內(nèi)容包含燃機進(jìn)氣冷卻過濾房費用、制冷設(shè)備容量增加費用、輸送管道費用、電控輔助設(shè)備費用、施工安裝費用等，總投資估算約2 000萬元。

4.3 運行費用分析

鄭州某項目為區(qū)域項目，正常情況下機組24 h運行，機組全年利用小時數(shù)為5 500 h，考慮鄭州超過15.0 ℃以上的天氣時間占全年的3/4，可估算進(jìn)氣冷卻的時間約為4 000 。當(dāng)?shù)刂兴畠r格0.96 元/t，項目燃?xì)鈨r格為2.1 元/m3，電價為0.8 元/(kW·h)。以此為計算基礎(chǔ)，核算運行消耗和收入如下：項目用于進(jìn)氣冷卻消耗的蒸汽量為3.2 萬t，用于汽機發(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t。由于進(jìn)氣冷卻帶來出力增加而相對增加的燃?xì)饬考s為480 萬m3。

由于進(jìn)氣冷卻提升的發(fā)電出力和效率帶來的收益估算為多發(fā)電量約為228.00 GW·h。綜合計算采用進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)，工作周期內(nèi)節(jié)省費用約為163 萬元。

5 結(jié)束語

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)項目供能存在波動性，在外供負(fù)荷不穩(wěn)定的情況下，為保證發(fā)電利用小時數(shù)，系統(tǒng)多會部分負(fù)載運行，對機組的運行效率、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)項目的一個補充，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)展的一個方向。

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

[2]焦樹建.燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)[M].北京：機械工業(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)夥植际侥茉错椖吭O(shè)計研究方面的工作(E-mail:czf2004@126.com)。