换热器管
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燃气轮机进气冷却技术现状及发展趋势点击：1847 日期：[ 2014-04-26 21:39:52 ] |
| 燃气轮机进气冷却技术现状及发展趋势 王松岭，张莉娜，张学镭 （华北电力大学能源与动力工程学院，河北保定071003） 摘要：对燃气－蒸汽联合循环加装进气冷却装置，可以在夏季高温时期增加机组出力，满足调峰需要。介绍了几种燃气轮机进气冷却技术，并对其进行比较，提出了一种冷却燃机进气的方法——热管废热利用型LiBr吸收式制冷。该方法充分利用了电站低品位热能，使工质传热效率高、设备运行可靠、设备运行及维护费用低。 关键词：燃气轮机；进气冷却；废热；热管 中图分类号：TM611.31文献标识码：A 1·概述 燃气轮机以其体积小、启动速度快等优点，被认为是最适合用于调峰的机组，但在夏季用电高峰时段，因温度较高导致机组出力下降，调峰能力大大削弱。据研究，环境温度升高1℃最大可导致燃气轮机额定发电能力下降1%[1]。 燃气轮机出力随环境温度升高而下降，主要是由于燃气轮机是恒体积流量的动力设备,流过的空气质量取决于空气密度,气温越高密度越低,致使吸入压气机的空气质量流量减少，机组的作功能力随之变小。另外，压气机的耗功量随吸入空气的热力学温度成正比变化,即大气温度升高时,压气机耗功增加，燃气轮机的净出力减小[2]。 由此可见，加装进气冷却装置，在夏季尖峰负荷期间能提高联合循环电站的发电能力，具有较高的社会效益和经济效益。另外，进气冷却还可减小NOX的排放[3]，保持燃气轮机发电的稳定性，减少机组维护费用。 2·进气冷却技术 目前，进气冷却技术主要有两类：一类是直接接触制冷，以除去进气显热；另一类是间接接触式制冷，以除去进气的显热和潜热。 2.1直接接触式冷却 直接接触制冷是利用水在空气中蒸发吸热来达到降低空气温度的目的，水不断喷向空气，湿空气相对湿度不断提高，当相对湿度达到100%时，蒸发降温过程停止。其基本生产过程如图1所示。直接接触制冷系统简单，投资少，运行及维护费用低；但冷度较低，冷却后进气温度只能接近，却永远也达不到环境湿球温度，受环境湿度及水温影响较大，一般多用于高温、干燥的地区[4]。我国新疆塔里木油田轮南电站[17]夏季气温常常超过40℃，相对湿度在10%左右，加装了蒸发空冷器后，机组功率增加，热耗率和排气温度有所下降。 2.2间接接触式冷却 间接接触式冷却：冷却介质与空气不直接接触，通过空气冷却器冷却压气机进口空气。目前主要方法有冰蓄冷冷却、LNG冷能利用、压缩式制冷和废热制冷等几种形式。 2.2.1冰蓄冷冷却 冰蓄冷冷却是利用冰的潜热蓄能,在电网低谷的16 h内，利用低价电驱动压缩制冷机制冰储存冷量；在电网高峰的8 h内，制冷装置停运，将储藏的冷量释放出来，用以冷却压气机进气。这样，发电机运行一方面可以起到削峰填谷的作用，另一方面可利用峰谷电的差价获得利润。 采用冰蓄冷技术最大的优点是利用了夜晚廉价低谷电，但其系统复杂，初投资和占地面积大，冷源来自于电力驱动的压缩式制冷机，电耗较大。该方法既不节电也不节能[6]，适用于峰谷电价差较大的地区。1992年，美国Nebraska电站为一台最大功率为57 MW的燃气轮机安装了冰蓄冷系统，使其出力增加10.1 MW。 2.2.2 LNG冷能利用 LNG被认为是地球上最干净的化石能源，同时又是一种质量极高的冷能源。LNG储存的温度一般为160℃，使用前必须在LNG接受站再气化为天然气，气化过程中会释放大量冷能，由于LNG气化温度较低，故用一种易挥发的物质（一般为乙二醇溶液）作为中间载冷剂，经过两级换热器，将冷能传递给燃气轮机入口空气。在该过程中，冷却温度须严格控制在0℃以上，以防止水蒸汽冻结在冷却器表面。其生产过程[7]如图2所示。 回收LNG冷能投资与直接接触式相当，新增发电容量的单位kW投资为100~150美元[8]。印度Dabhol液化天然气/燃气电厂，LNG接收站和电厂都由美国安然公司投资，投资回收期不到2年。经初步研究分析，燃气轮机对LNG冷能的利用适用于炎热干燥地区带基本负荷运行的电厂，在中国北纬22°以北地区的大型燃气轮机不适合利用LNG冷能[9]。 2.2.3压缩式制冷 压缩式制冷以消耗电力为代价获得冷源。这种制冷方式不受环境影响，系统简单，体积小，占地少，可以获得较低的制冷温度；但其最大的缺点是需要消耗电力，尤其是在高峰时段要使用大量高峰电，削弱了调峰电厂的调峰能力。另外，压缩式制冷机所使用的CFC类工质会对臭氧层产生破坏作用，影响人类的健康及生存。根据《蒙特利尔议定书》[10]有关规定，该类工质即将停止使用。 2.2.4废热制冷 将低温废热作为驱动热源进行制冷是现阶段众多学者研究的一个热门课题。在燃气蒸汽联合循环电站，余热锅炉尾部烟气蕴含丰富余热，如果有效利用，则可以大大提高能源利用率。利用废热制冷一般考虑采用氨水、溴化锂水等吸收式制冷方式。因氨吸收式制冷机的现场安装工艺性强，设备庞大，造价高，防爆等级要求较高，且即使低浓度的氨也很有毒性，所以一般考虑采用溴化锂吸收式制冷技术。废气温度在350~400℃以上选用双效机组，350℃以下选用单效机组。其应用方式主要有两种：蒸汽或热水型溴化锂吸收式制冷、热管废热利用型溴化锂吸收式制冷。 （1）蒸汽或热水型LiBr吸收式制冷 蒸汽或热水型LiBr吸收式制冷：利用联合循环电站中HRSG排烟制取蒸汽或热水作为LiBr制冷机的热源，制取冷冻水，用以冷却燃机进口空气。由于该冷却方式利用的是低品位的热能，可以充分利用电站余热，且蒸汽或热水型溴化锂吸收式制冷技术比较成熟，因此发展较快，应用较多。伊朗Chabahar燃气电厂[11]安装吸收式制冷系统，年出力增加约14 GW h，内部收益率为23.4%，系统投资大约4.2年可回收。1997年，我国首台自行设计生产的燃气轮机进气冷却装置在深圳金岗投入运行，技术改造的实际投资回报期为2年，其生产过程如图3所示。我国浙江金华燃机发电有限公司[15]完全利用低压蒸发器的余热驱动溴冷机，使进气温度下降10~12℃，燃气轮机功率增加2000~2 300 kW。 该系统需加装两个表面式换热器（蒸汽发生器、空气热交换器）。一方面两个换热器均存在传热端差，影响到热能的有效利用；另一方面，制冷设备所用蒸汽或热水由加装于HRSG尾部烟道的加热器提供，若加热器出现故障，如管道腐蚀泄漏等，则整个冷却系统均须停止运行；而且增加一个换热设备，也会使整个系统的初投资增加：因此可考虑将烟气热量直接传递给制冷设备，而不借助于蒸汽或热水。 （2）热管废热利用型LiBr吸收式制冷 热管废热利用型LiBr吸收式制冷是通过热管换热器将烟气中的废热直接传递给LiBr制冷机的发生器，而无须在HRSG中加装蒸汽发生器。利用热管作为烟气余热回收的传热元件，可使溴化锂机组充分利用余热，且减少发生器体积。 热管是一种新型、高效的传热元件，其导热是借助于饱和工质的汽化与凝结换热而实现的，相变传热只需极小的温差，且传递的是潜热，传热强度很大。从热量数量的传递来看，热管可以比一般固体导热大几个数量级，其导热能力决非一般导热器件或材料所能比拟的。研究表明，外径相同的热管和铜棒相比，热管的传送热量约为铜棒的几百倍[18，19]。其工作过程如图4所示。 热管换热器有很多种类型。考虑到现场安装位置的灵活性，用于联合循环电站废热利用型LiBr制冷装置，可采用分离式热管换热器，其特点是：蒸发段和凝结段互相分开，它们之间通过专门的汽、液导管连通而形成工质的闭合循环回路。热管内的工作液体在蒸发段被加热变成蒸汽通过汽导管上升到凝结段，被管外流过的冷流体（溴化锂稀溶液）冷却而凝结为液体，凝结液沿液导管下降到蒸发段，继续被加热蒸发。如此不断循环达到传输热量的目的。废热热管型LiBr吸收式制冷原理如图5所示。 联合循环电站HRSG的排烟温度一般低于200℃，故可将分离式热管换热器与单效LiBr吸收式制冷相结合，热管材料选为高性能、长寿命、低成本的水碳钢热管。 采用热管废热利用型溴化锂吸收式制冷的优点： （1）发生器直接吸收废热，省去了中间换热设备的费用，而且采用分离热管换热器费用比其他换热设备低，可节省初投资。 （2）考虑到热管的传热极限和热管安装不方便，热管设计时留足够多余量。热管损坏率在10％以下时，对总的传热效果影响不大，所以换热器寿命很长。 （3）热管仅将余热锅炉烟气的热量传递到发生器中，制冷机与烟气不直接接触，有效防止了烟气对主体设备的腐蚀，运行时仅需要定期检修热管元件。因热管换热器由各个独立的热管元件组成的，故即使设备运行时单根热管元件损坏，整个设备仍可照常运行。 （4）热管废热溴化锂制冷运行费用极低，仅为一般制冷设备运行费用的5%左右。 （5）因气侧热阻占主导地位，热管换热器可在烟气侧加装肋片，以强化传热。 （6）通过大幅度地调整加热段与放热段的面积比例，即可大幅度地调节加热段壁温，以避开管壁的低温腐蚀。 能否进一步回收烟气余热，主要考虑到下列因素[18]： （1）回收一定热量的传热面积不要太大，即余热回收设备不要太庞大。 （2）冷热介质流过余热回收设备的动力消耗不要太大。 （3）能否避开烟气露点，使余热回收设备有较好的抗低温腐蚀性能。 如上所述，热管换热器在这几个方面都具有独特的优点，与LiBr制冷机结合回收联合循环电站余热以冷却燃机进口空气，是可行且高效的。 3·结论 采用进气冷却技术可提高燃气轮机性能，且比新建燃机电站节省投资。进气冷却有多种方式，各机组可根据当地的气象资料、机组气温特性、燃料价格、电价、资金情况等，选择适合本机组的冷却方式。一般，对于资金短缺的电站，若处于炎热干燥的地区，可考虑采用直接接触式冷却；若条件允许，优先考虑利用LNG冷能；而对于有低品位热能可以利用的电站，采用废热热管型溴化锂吸收制冷不失为一种明智的选择，该方式充分利用电厂低品位热能，热效率高，运行可靠，且运行及维护费用低。 参考文献：略 |
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