瓦斯發電站發電機組冷卻系統優化改造

韓陽陽

（山西凱嘉煤層氣發電有限公司， 山西 介休 032000）

引言

礦井瓦斯發電機組在夏季工作過程中，當機組氣源溫度過高或者預處理系統降溫效果不明顯時，會造成發電機組長期處于高溫狀態下運行，從而降低瓦斯發電站機組運行效率甚至發電機組停機運行[1-3]。冷卻系統作用下通過冷卻劑（水、冷凍液）等，將瓦斯發電機組發動機等設備運行過程中產生的熱量及時排出，使得設備在適宜溫度下工作[4]?，F階段發電機組常用的冷卻方式包括有風冷、水冷以及空調降溫等方式，其中以空調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]。山西某礦瓦斯發電站為了降低冷卻系統運行成本，提出將風冷方式改為風冷+水冷方式，有效降低了冷卻機組運行溫度，取得顯著應用成果。

1 工程概況

山西某礦配套的瓦斯發電站采用2 臺型號500GFI-3RW 發電機組發電，發電機組采用雙循環強制水冷卻方式，即在同一臺發電機組采用兩套獨立運行的冷卻系統分別為不同位置降溫。發電機組冷卻采用封閉循環水冷卻系統，并配備有臥式水箱。冷卻系統內的循環水進入到臥式水箱后，通過風扇為循環水降溫。具體冷卻系統工作流程見圖1。

1.1 高溫區循環冷卻系統

高溫區循環冷卻系統是將發電機組中氣缸蓋、氣缸套以及機體等零部件工作時產生的溫度及時排出，從而使得上述設備可平穩運行。高溫區循環冷卻系統冷卻水先進入到機體右側，通過飛輪端將機體左、右兩側冷卻水管路聯通；隨后冷卻水進入到氣缸套外部，并經汽缸蓋上4 個串水孔進入到氣缸蓋水墻內；經過循環后的高溫水進入到回水管路后被運輸至臥式水箱內進行冷卻降溫；降溫后的水開始進入到下一循環冷卻。

圖1 冷卻系統工作流程

1.2 低溫區循環冷卻系統

低溫區循環冷卻系統主要是降低機油、加壓后的混合氣體等溫度，從而確保機油持續潤滑以及發動機內的充氣效率。低溫區循環冷卻系統工作過程為：低溫冷卻水泵先將冷卻用水泵送至中冷器內，首先對加壓后的混合氣體降溫，隨后冷卻水進入到機油冷卻器內為降低機油溫度；冷卻完機油后的冷卻水進入到臥式水箱內降溫；降溫后的冷卻水開始下一循環冷卻工作。

發動機正常工作時需要控制冷卻系統中冷卻水溫度，避免帶走過多熱量導致發動機能耗增加、功率降低等故障發生。通常情況下發動機冷卻后的回水管路中水溫宜控制在70～80 ℃。

2 冷卻系統運行存在問題分析

礦井瓦斯發電站冷卻系統運行存在問題主要為：冷卻機組布置在室外，夏季時室外溫度相對較高，而僅采用風扇對循環冷卻水進行降溫難以達到有效冷卻的目的；發電機組正常工作時，冷卻水高溫回水管路溫度保持在70～80 ℃為宜，但是受臥式水箱內降溫效率不高問題，導致冷卻進水本身溫度較高，時常會出現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致發電機組工作效率降低，甚至出現無法正常工作問題。因此，需要對發電機組冷卻系統進行針對性優化改造。

3 冷卻系統優化改造技術方案

3.1 改造技術原理

針對瓦斯發電機組冷卻系統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，采用的機電設備應具備防爆性，若采用空調制冷方式冷卻不僅需要投入大量的空調制冷費用而且需要對空調進行防爆改造，總體改造成本高昂，礦井難以承受。為此，經過充分調研并結合以往研究成果[6-7]，提出在原有的風冷基礎上增加水冷方式來降低冷卻系統回水管路中的高溫水溫度，從而使得冷卻系統可高效運行。

具體水冷技術原理為：在瓦斯發電站旁新建一儲量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 個降溫風扇側開口、布置，分支管路出口處布置有高流量霧化噴頭，可將分支中水進行霧化；當開始降溫時，降溫風扇向高溫散熱器供風、高流量霧化噴頭可顯著降低臥式水箱內溫度，同時水流也會流經高低溫散熱器直接沖洗降溫，降溫后的水進入到臥式水箱下的集水箱內；集水箱內布置有潛水泵，通過DN50鋼管泵送至水箱內，從而實現清水循環利用。

3.2 改造方法

在瓦斯發電站旁10 m 位置處新建一座容量為20 m3的水池，水池內水位高度保持在3 m 以上，并在離水池底板50 cm 位置開孔安裝DN65 管路，通過水池內水壓即可為水循環提供動力；在臥式水箱上的8 個降溫風扇附近均布置DN15 分支水管，分支水管深入到臥式水箱內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現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的高、低溫散熱器進行水洗降溫。

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過臥式水箱下流向底部水箱，水箱上部有凹形過濾網、網孔規格為2 mm×2 mm，從而可過濾冷卻水中大粒徑雜質；水箱布置規格：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 管路將水循環到水池內，從而實現清水循環利用。具體改造完成的冷卻水系統見圖2。

4 應用效果

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

圖2 改造后的冷卻系統工作流程

圖3 改造前后冷卻水溫度監測結果

從監測結果得知，改造前冷卻系統高溫回水管中溫度時常超過85 ℃、冷卻水進入管路中溫度超過30 ℃，瓦斯發電機組無法長時間保持高功率運行狀態；冷卻系統改造后，高溫回水管路中溫度降低至75 ℃、冷卻水進入管路中溫度超過25 ℃，冷卻系統整體溫度降低顯著。表明通過改造后的冷卻系統可更好地服務于瓦斯發電機組。

5 結論

1）發電機組在運行過程中會產生大量的余熱，若無法及時將余熱帶出不僅會使得設備運行效率降低，甚至會導致發電機組由于溫度過高而停機運行。對發電機組進行必要的冷卻是設備高效運行的基礎。

2）文中就對山西某瓦斯發電站瓦斯發電機組冷卻系統運行過程中存在的問題進行分析，并提出在原有風冷基礎上增加水冷，從而降低冷卻系統運行效果，提高冷卻效果。

3）對冷卻系統改造后，冷卻系統冷卻效果得以明顯提升，冷卻水進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。