利用制冷站余量合理降低燃机进气温度的可行性分析

1、利用制冷站余量合理降低燃机进气温度的可行性分析贺栋红( 深能安所固电力( 加纳) 有限公司，广东 深圳518001)摘 要: 某燃机电厂配置的溴化锂制冷站尚有剩余容量没有利用，而当地的气温、空气湿度常年较高，对燃机运行负面影响较大。文章首先研究并确定了把这一剩余容量用于冷却燃机进气的可行性，从而提 高 燃 机 出 力及效率。其次，本文解决了如何在多台燃机之间合理分配剩余制冷容量的问题。在查找相关设计参数、工 质参数、机组运行记录基础上，进行综合数据计算，求出不同分配方案的经济收益。通过综合评比，最终得到 两个优选方案。关 键 词: 溴化锂制冷余量; 燃机负荷与效率; 降低进气温度; 合理性;

2、经济性中图分类号: tk472文献标识码: a文章编号: 1009-2889( 2012) 04-0049-05却。溴化锂制冷机组型号为 lwm-150hht，共 两套。系统主要为中央控制室、电子设备间、厂区办公 楼、生活公寓楼、职工文化活动中心等服务。由于办 公楼尚未建设，职工文化活动中心尚未投用，导致溴 化锂制冷系统热端用户不足，经常处于低负荷工作 状态。据估算，近段时间溴化锂制冷站平均出力约 为单台额定负 荷 的 60% ，无法达到设计额定值，对 设备运行和使用寿命都有很大的负面影响。改善这 一情况的直接做法就是增加制冷系统的热端用户。 因此，我们可以在燃机进气框架前加装组合式空调 机组

3、，把冷冻水供应至风机盘管内，以降低燃机进气 温度，从而提高燃机负荷，而且还可以避免溴化锂制 冷机组长期在低负荷情况下运行的诸多弊端。令单台溴化锂机组额定制冷量为 。目前厂内 单台制冷站剩余容量尚有 40% ，100% 作为备用。 如果利用 40% 、100% 、140% 甚 至 200% 制 冷 容量冷却 n 台( n = 1，2，3，4) 燃机进气，基于加纳当 地常年高温、高湿度的自然环境，那么是不是燃机进 气温度越低，电厂机组综合出力就越多呢? 这里有 个“利用电厂制冷站剩余容量降低燃机 进 气 温 度” 合理性的问题，即把不同的制冷量分配给数量不等 的燃机进气，可以有多种组合方式，而每一

4、种组合方 式对应的冷却效果和工程改造投入成本会有差别。1机组概述加纳某燃机电厂安装有两套燃气-蒸 汽 联 合 循环机组，采用“二 拖 一”的 形 式，即 每 套 机 组 由 2 台pg6541b 型燃气轮机、2 台 130 t 卧式自然循环余热 锅炉和 1 台 tc363 fv140 型汽轮机组成。该厂地处 西非加纳，位于赤道附近、大西洋岸边，常年高温潮 湿。据加纳气象统计资料显示，当地多年平均湿球 温度 28. 5 ，多年平均空气相对湿度达到了 85% ， 如此自然 环 境 已严重偏离了燃机的设计基准。因 此，机组的联合循环效率比设计参数下的额定值低 很多。如何改善这一状况，降低燃机进气温度

5、，提高 燃机负荷，进而提高整个燃气-蒸汽联合循环的热效 率，值得我们细心研究。目前，世界上已经实施应用的降低燃机进气温 度的方法有多种，按照燃气轮机进气冷却器的结构 型式，大体上可以分成两类: 直接接触式和间接接触 式。直接接触式有水膜式蒸发冷却和喷雾冷却; 间接接触式有压缩制冷冷却、吸收制冷冷却、蓄冷冷却 和液化天 然 气 ( lng) 冷 能 利 用1。由 于 该 厂 已 经 安装了两套溴化锂吸收式制冷机组，而且还有较多 剩余容量没有利用，因此，我们可以通过技术改造把 该部分剩余冷能利用起来，以便对燃机进气进行冷收稿日期: 2012-07-02 改稿日期: 2012-08-09作者简介:

6、贺栋红( 1981-) ，男，工程师，主要从事电厂机务检修、工程以及水工工艺的工作。e-mail: likewolf 163 com50燃气轮机技术第 25 卷19其中“制冷站冷却单台或三台燃机进气”的 方 式 对于单循环燃 机 没 有 影 响，但是由于该厂机组 是“二 拖一”形式的燃气-蒸汽联合循环，降低单台燃机进气温度，会直接提高该台燃机对应锅炉蒸汽的压力和流量，进而导致供应给汽机的两台锅炉主蒸汽参 数不匹配，长 期 运行将会产生一系列不好的影响。因此，不再对该系列组合进行分析。下面将对其余8 种组合方式的冷却效果分别进行理论计算，通 过 多种方案的综合评比，就可得到优选组合方案。f干空气

7、 + f水蒸气 = 干空气 v + 19 v 60%193其中: f0 = 493 t / h，干空气 = 1. 209 kg / m ，19 =0. 015 98 kg / m3 ，v 是燃机压气机入口体积流量。求得 v = 404. 57 103 m3 / h，因燃机实际工作环 境大气压 0. 101 2 mpa 与设计中的大气压 0. 101 3mpa 几乎无差别，故 v 可以看作固定值。由于燃机实际工作环境温度是 30 ，相对空气3湿度是 85% ，30 = 0. 030 37 kg / m ，因 此，目 前 实际进入燃机压气机的 水 蒸 气 流 量 f 30= v 30水蒸气385%

8、 = 10. 444 10 kg / h。假设降温时的 换 热 系 数 为 0. 9，即 有 90% 的 制 冷量完全用于降温。2设 计 参 数、运行参数及其它基础 数据pg6541b 型 燃 机 设 计 参 数: 压气机进气温度 15 ，大气压 0. 101 3 mpa，相 对 空 气 湿 度 60% ，进 气量 493 t / h，压气机在基本负荷下的压比 11. 82。lwm-150hht 型溴化锂制冷站设计参数: 制冷 量 = 6. 264 106 kj / h，冷 水 供 应 温 度 7 12 ，冷冻水供水量 300 m3 / h3。加纳当地的自然环境: 多年平均大气压 0. 101

9、 2mpa，多年平均相对空气湿度 85% ，多年平均湿球温 度 28. 1 ，多年平均干球温度 30. 4 。根据现阶段加纳电厂两套联合循环机组的平均工作参数，可以计算出四台燃机压气机平均进气温 度 27. 88 ，燃 机 平 均 负 荷 30. 02 mw，汽 机 平 均 负荷 32. 03 mw，于是联合循环整体平均负荷为 92. 07mw。现阶段溴化锂制冷站的平均工作参数: 冷冻水 供水温度 7. 3 。记录到的 平 均 环 境 温 度 27. 88 为 湿 球 温 度， 从“干湿泡温度计湿度示差表”查得: 85% 相对空气湿 度 下 湿 球 温 度 27. 88 对应的干球温度约为 3

10、0 ，60% 相对空气湿度下湿球温度 15 对应的干 球温度约为 19 。从“干空气的热物理性质表”查得: 30 常压下30由 f水 = 2( f v) = 0，可以求出 = 0. 025 8水蒸气kg / m3 ，进而查出该饱和蒸汽密 度对应的温度是 26. 52 ，即气温降至该温度时方达到饱和，低于此温度 时空气中将有水蒸气被凝结。33. 1计算多种组合方式的降温结果一种组合方式降温结果的计算步骤40% 用于制冷的能量:3e0. 4p = 6 264 10 kj / h 0. 4 90%= 2 255. 04 103 kj / h( 1) 假设冷却后燃机进气温度降为 t = 25 ，查得:

11、h25 = 2 547. 28 kj / kg，h25 = 104. 77 kj / kg，2533干空气 = 1. 185 kg / m ，25 = 0. 023 83 kg / m ，则冷却过程中的凝结水量:303f水 = 2 ( f 25 v ) = 1. 606 2 10 kg / h水蒸气湿空气在降温过程中释放的热量包含三个部 分: 干空气释放的热量、被凝结的水蒸气相变过程中 的潜热、未被凝结的水蒸气释放的热量，则此过程的 总体热量:30e30 25= cp 2f 干空气 t + ( h25 h25 ) f水 +2f 30( h h )( f水 )水蒸气3025干空气 的 密 度 3

12、0= 1. 165 kg / m3 ，19 常 压 下 干= 7 926. 57 103 kj / h 2 255. 04 103 kj / h ( 式中 t 为温度降低值)干空气空气的密度 19= 1. 209 kg / m3 ，0 40 等压比热干空气容 cp = 1. 005 kj / ( kg ) 。从“干饱和水蒸汽的热物理性质表”查得: 30，即 e e30 250. 4p故假 设 温 度 偏 低，实 际 温 度 应 在 25之间。( 2) 假设冷却后燃机进气温度为 t = 27. 5 ， 由于此温度高于 26. 52 ，因此在冷却过程中无凝 结水产 生，那 么 燃 机 进 气在降温

13、过程中所释放的 303干饱和蒸汽的密度 30 = 0. 030 37 kg / m ，焓 h30 =342 556. 5 kj / kg，19 = 0. 015 98 kg / m。燃机压气机入口空气流量 f0 可以看作干空气流量 f干空气 和未饱和蒸汽流量 f水蒸气 两 部 分，则 f0=51第 4 期利用制冷站余量合理降低燃机进气温度的可行性分析热量3. 2其它组合形式的降温结果类比上述计算步骤，同样地，经多次假 设、迭 代3e30 27. 5 = cp 2f干空气 t = 2 388. 773 10 kj / h即 e30 27. 5 e0. 4p ，故 取 t = 27. 5 合 适，

14、则 冷却后降温 2. 5 ，查得该温度 对 应 85% 空 气 相 对 湿度的湿球温度是 25. 5 。计算，可以求出其它 7 种组合形式降低燃机进气后的最终温度以及对应的湿球温度。综合全部计算结 果，汇总如下:表 1 8 种组合冷却的计算结果方案制冷降温组合形式最终干球温度 / 85% 相对湿度对应的湿球温度 / 冷却降温幅度 / 12340% 用于冷却两台燃机进气40% 用于冷却四台燃机进气100% 用于冷却两台燃机进气100% 用于冷却四台燃机进气140% 用于冷却两台燃机进气140% 用于冷却四台燃机进气200% 用于冷却两台燃机进气200% 用于冷却四台燃机进气27. 528. 82

15、5. 625. 526. 823. 62. 51. 24. 4427. 025. 03. 0525. 023. 05. 0626. 224. 23. 8724. 022. 06. 0825. 623. 64. 4是作为参考值，实际情况要视技改完成后的机组工作状况及环境情况而定。3. 3多种组合方式经济性核算为了更直观地显示“利用溴化锂制冷站余量冷 却燃机进气 温 度 ”方面的经济性效果，在 此 仅 对 方 案 6 和方案 8 进行具体经济性核算，其它方案仅列 出计算结果，但是联合循环负荷的提高效果也仅仅3. 3. 1“140% 冷却四台燃机进气”方式的经济性降温后的最终温度为 24. 2 ，查

16、得对应此温度下机组的运行记录见表 2。表 2机组运行记录及经济性计算单位: mw大气温度1#燃机负荷2#燃机负荷4#燃机负荷5#燃机负荷3#汽机负荷6#汽机负荷2824提高负荷: 整体提高:30. 131. 21. 1gt = 4. 45; st = 0. 6830. 932. 51. 629. 830. 951. 1528. 529. 10. 632. 332. 680. 3831. 331. 60. 3燃气-蒸 汽 联 合循环整体提高负荷 5. 13 mw。机组全年连续运行小时数以 7 000 h 计，每年可以为 公司多发电 3. 591 107 kwh。3. 3. 2“200% 冷却四台

17、燃机进气”方式的经济性降温后的最终温度为 23. 6 ，查得对应此温度下机组的运行记录见表 3。表 3机组运行记录及经济性计算单位: mw大气温度1#燃机负荷2#燃机负荷4#燃机负荷5#燃机负荷3#汽机负荷6#汽机负荷2830. 130. 929. 828. 532. 331. 323. 6提高负荷: 整体提高:31. 41. 3gt = 5. 35; st = 0. 832. 71. 831. 351. 5529. 20. 732. 750. 4531. 650. 35燃气-蒸 汽 联 合循环整体提高负荷 6. 15 mw。机组全年连续运行小时数以 7 000 h 计，每年可以为 公司多发电

18、 4. 305 107 kwh。以上两个方案的经济性较高，但是工程投资却 也是最高的。不过，技改完成后，相对于其它几种方 案，设备运行的灵活性也大大增强。3. 3. 3多种组合方案下的经济性根据笔者经 验，该技术改造工作 涉 及: 设 备材料费用，包括组合式空调风机、支撑框架、管道、阀 门、保温棉、电缆及桥架等; 运输费用，包括安装 材料运输、报清关等; 安装费用，包括安装机具台 班、人工费等; 运行费用，包括设备能耗、备件更 换、设备折旧、人工费等。据此，估算工程投资为 7552燃气轮机技术第 25 卷前出售电收益，即可分别估算技改工程投资及成本回收天数，将结果汇总于表 4。万元人民币 /

19、台套。应用同样的计算方法，查找对应温度下的机组 平均负荷，进而计算出机组负荷的增加值，再根据目表 4多种组合方案下的经济性计算冷却方案组合情况机组增加负荷序号进气降温 / 工程投入 / 万元成本回收 / 天冷却被冷却燃机 / mw汽机 / mw联合循环 / mw1234567840% 40% 100% 100% 140% 140% 200% 200% 两台燃机四台燃机 两台燃机 四台燃机 两台燃机 四台燃机 两台燃机 四台燃机2. 51. 24. 43. 05. 03. 86. 04. 41. 4 /1. 21. 53. 1 /2. 253. 093. 55 /2. 624. 454. 44

20、/3. 125. 350. 25 /0. 150. 160. 45 /0. 350. 530. 8 /0. 60. 680. 9 /0. 720. 81. 65 /1. 351. 663. 55 /2. 63. 624. 35 /3. 225. 135. 34 /3. 846. 15150300150300150300285435240 /294478112 /15321991 /123155141 /196187说明: 符号“/ ”左右两侧分别是第一套机组和第二套机组的数值; 根据笔者经 验，工 程 投 资 约 为 75 万 元 人 民 币 / 台 套，单台电空调工程费 用约为 5 000

21、元人民币; 机组每年运行小时数以 7 000 h 计。方案 5 和方 案 6: 利用目前厂内制冷站剩余的 所有容量即 140% 为燃机进气降温，可以改善制冷 站设备的闲置情况，还可以依此增加机组负荷，提高 机组的发电效率，同时技改工程投资回收速度也大大加快。方案 6 相对于方案 5 而言，虽然工程量增加了一倍，但是机组整体出力提高很多，而且为将来 机组的灵活运行提供了前提条件。方案 7 和方 案 8: 尽管本篇文章讨论的主题是 “利用电厂制冷站剩余容量合理降低燃机进气温度 的可行性分析”，但是我们扩展分析一下，如果利用 目前厂内所有的制冷机为燃机进气降温，那么原生 产、生活中配备中央空调的地方

22、，就需要重新购置普 通电空调，这将产生系列费用。据粗略统计，需要采 购的电空调数量是 270 台左右，技改当年将产生电 空调的购买、运输、安装、耗电等综合费用，而此费用 仅在技改实施半年左右后就可整体收回成本，后续 情况也仅仅是使用电空调的电费，该费用则会更低。 因此，此扩展分析的技改方案意义同样重大。类比 于方案 5 和方案 6，也存在这 种 情 况，即: 方 案 8 相 对于方案 7 而言，虽然工程量增加了一倍，但是机组 整体效率提高很多，而且为将来机组的灵活运行提 供了前提条件。当然，如此技改后，原生产、生活用 中央空调的建筑物内安装的系列管道、阀门、风机盘 管等装置将会闲置，这也是方案

23、中最大的缺陷。综合以上分析，方案 6 和方案 8 的优越性最为 明显，而出于对技改后的机组经济性和已有设备的 使用率考虑，笔者则倾向于方案 6。4合理分配冷能，精选优胜方案从表 4 中可以看出，各台燃机进气降低同样温度，燃机所提高的负荷却存在差别，这主要是两个方面的原因造成的: 一是燃机的制造差别，即燃机的个 体性导致燃机本源性负荷差别; 二是机组连续运行和多次检修维护中，由于运行方式的差别、机组检修 维护频率的不同、大小修质量的高低，造成了目前机 组在同种环境和燃烧同种燃料的情况下负荷差异，而此差别可以通过机组大修时消除或缩小差距。这两个主导因素就造成“改进措施提高燃气-蒸汽联合 循环 负

24、荷 ”的 差 异 性。正是由于这个差异性的存 在，我们在利用电厂目前制冷站剩余容量降低燃机进气温度的方案选择上就会有一个合理性的问题。 在进行实施技改工作前，分析、筛选最合理的技改方 案就变得特别必要。下面对上述 8 个方案进行综合 分析:方案 1 和方 案 2: 利用目前正在运行的单套制 冷站剩余容量 40% 为燃机进气降温，另 一 套 制 冷 机组 100% 备用，可以保证制冷机组的安全、灵 活 运行，然而工程投入量与收益差别较 大，优 越 性偏低。方案 3 和方 案 4: 利用目前备用的单套制冷机 制冷量 100% 为燃机进气降温，可以把生产和生活用的制冷站进行分开运行，避免了互相影响，

25、保证了 生产用冷和生活用冷的灵活性，而且机组负荷也显著增加。53第 4 期利用制冷站余量合理降低燃机进气温度的可行性分析需要重新购买、安装电空调，耗电量和已购置中央空调的闲置率都将提高。由于溴化锂设备已是现有装置，此技改工程方 案所涉及的费用仅是风机盘管、相关管道和阀门、工 程机具费用等，技改完成后的工程投入成本当年即 可回收，而 对 于 设备运行期间的维护费用则甚微。 更重要的是，不论是燃机、汽机、锅炉，还是溴化锂制 冷机组，进行上述技术革新后，设备均可在原设计参 数下工作，对 延 长设备使用寿命，降低设备维护成 本，都具有非常积极的意义。5总结根据该加纳燃机电厂机组的实际情况 ( 当地的大

26、气温 度、空 气 相 对 湿 度以及厂内现有的制冷设 备) ，通过上述计算分析可知，利用吸收式溴化锂制 冷装置目前运行情况下的剩余容量，为电厂四台燃 机压气机进气进行冷却，可以显著提高燃机出力及 热效率，同时也可以避免溴化锂制冷机组长期在低 负荷下工作，延 长了设备的使用寿命，降 低 了 维 护 成本。然而，对于该燃机电厂而言，利用有限的电厂制 冷站剩余容量降低燃机进气温度，并不是降低的越 多越好。通过综合分析，得到两个优选方案，即: 利 用制冷站额定容量 140% 冷却四台燃机进气，理论 上燃机负荷可以提高 4. 45 mw，汽机负荷可以提高0. 68 mw，全年可以多发电 3. 591 1

27、07 kwh; 利用 制冷站额定容量 200% 冷却四台燃机进气，理论上 燃机负 荷 可 以 提 高 5. 35 mw，汽 机负荷可以提高 0. 8 mw，全年可以多发电 4. 305 107 kwh，但是参考文献:1 张春梅，孙 锐 燃气轮机进气冷却技术发展现状及前景分析 j 东北电力学院学报，2005( 8) : 75-7923pg6541b 燃机机械维护手册z 图号 499has558lwm-150hht 型溴化锂 制 冷 站 厂家技术协议 书z 乐 星 空 调系统( 山东) 有限公司 . 2008，10杨世铭，陶 文 铨 传 热 学 ( 第 三 版) m 北 京: 高 等 教 育 出 版 社，1998: 424，4274feasibility analysis on using surplus cooling capacity to reasonably reducethe temperature of gas turbine inlet airhe dong-hong( sunon asogli power( ghana) ltd ，guangdong shenzhen 518001，china )abstract: the cooling capacity of the cooling station using lithium bromide as co