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LNG冷能在燃气轮机进气冷却系统中的应用点击：2087 日期：[ 2014-04-26 21:40:01 ] |
| LNG冷能在燃气轮机进气冷却系统中的应用 薛 进1,张明智1,张晓美2,张 汀1 (1.华北电力大学动力工程系,河北保定071003;2.燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004) 摘 要:进气温度对燃机效率的影响非常大,如果利用LNG作为低温冷源,实现对燃气轮机进气的冷却,可提高燃机功率和LNG的利用效率。文中建立了翅片管式换热器的传热模型,计算换热器传热参数,为LNG在燃机进气冷却中的应用做铺垫。 关键词:LNG;燃气轮机;进气冷却;翅片管换热器 中图分类号:TK474. 7 文献标志码:B 文章编号: 1009-3230(2010)10-0032-04 1 概述 1.1 问题的提出 燃气轮机以其体积小、启动速度快等优点,是最适合用于电厂调峰的机组,但在夏季用电高峰时,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]。燃气轮机功率随环境温度升高而下降,主要是因为环境温度升高,空气的密度变小,致使吸入压气机的空气质量流量下降,机组的作功能力随之变小;压气机耗功与吸入空气温度成正比,即环境温度升高,燃气轮机净功减少。 LNG的存储压力低,温度约-162℃,此状态下LNG约有850 kJ/kg的冷能,如不加以利用将白白浪费。LNG的冷能可以用来海水淡化、空气分离、冷冻冷藏等,如果用于空气分离,仍有50℃左右的温差可以利用,将此部分冷量冷却燃气轮机进气温度,提高了LNG冷能的利用率,也提高了燃气轮机的功率。同时给出了LNG冷却空气在翅片管中的传热模型。 翅片管换热器,在原有的管子表面上(不论外表面还是内表面)加工上了很多翅片,使原有的表面得到扩展,而形成一种独特的传热元件。同时翅片管的传热面结构也得到了改进,通过增大单位体积内的传热面积,从而使得翅片管换热器高效而紧凑,达到了强化传热的目的。 1.2 各种冷却方式的比较 进气冷却技术,即除去燃气轮机进口空气的热值,包括显热和潜热。目前的进气冷却技术各有千秋,各自技术特点如表1所示: 2·进气冷却对燃气轮机功率的影响 假设压气机压比不变;燃烧室出口参数不变;忽略燃料的本身携带的物理显热;以某型燃气轮机为例,由参考文献[2]燃气轮机压气机进气温度定为7℃;以某型燃气轮机为例,其参数如表2所示。当燃气轮机进气温度下降时,其对压气机耗功、燃气轮机耗气量的影响如下计算: 可以计算出,当环境温度为30℃时,与进气温度为7℃时的压气机耗功差△Wc=4 071 kJ/s;若燃烧室的出口参数不变,由于进气温度下降,引起的进气量、燃料量的增加,烟气量的增加引起燃机功率增加6. 85%。可见,进气温度对燃气轮机功率影响相当大。 3·LNG对空气冷却的换热模型 LNG在换热器内的气化过程较复杂,为了更好地分析换热器的传热性能,本文假设LNG在换热器中没有相变,由参考文献[4],定LNG的进口温度为-43℃;假设霜的影响为一热阻Rs,对换热器的传热进行如下简化: (1)刚进入换热器的低温LNG与换热器中原有LNG的混合是在一瞬间完成的,即换热器中LNG的温度与各组分的比例在液体内部处处均匀。 (2)在换热器中,LNG的物理状态不变,即不发生相变。 (3)LNG在翅片管流近似一维流动,不考虑压缩性和热膨胀性。 (4)换热器管壁仅考虑径向导热[3]。 3.1 空气与肋壁的对流换热 而空气的放热量,还可以由35℃降低到7. 2℃时的放热量计算出,其中空气中有部分水蒸气冷凝为了霜,其放热量为既有显热,又有潜热,故: 3.2 LNG至管内壁导热量 由管内湍流的迪图斯-贝尔特(Dittus-boelter)公式,LNG侧努赛尔数: 3.3 翅片管管壁导热量 管内壁至管外壁的换热量: 3.6 计算结果 由上述公式计算结果如表3所示。 4 结论 随着我国越来越多的使用LNG能源,LNG冷能能否充分利用,对我国能源利用效率有着重要的影响。LNG冷能在冷却燃机进口空气的应用,显著提高了燃气轮机的出力,降低了压气机的耗功,显著地提高了夏季高温和我国南方的燃气轮机电厂的出力,可以显著地提高我国能源利用率。翅片管换热的设计计算对稳定的冷却空气输送、稳定的燃气轮机输出功率有重要意义。我国能源结构在不断地调整,LNG冷能在燃机进气冷却有着广阔的市场需求。本文给出进气温度对燃机功率影响的计算方法,建立了翅片管换热器的换热模型,这为工程实际中的设计提供计算参照与指导,对优化利用LNG冷能的相关设计有着非常重要作用。 参考文献 [1] 王松龄,张莉娜,等.燃气轮机进气冷却技术现状及发展趋势[J].电力科学与工程,2009,25(2):37-41. [2] 张海成.回收LNG冷能用于发电燃气轮机进气冷却的可行性[J].中国电力, 2002, 35(3): 24-26. [3] 高华伟,段常贵,等.LNG空温式气化器气化过程的数值分析[J].煤气与电力, 2008, 28(2): 19-22. [4] 杨红昌,鹿院卫,马重芳. LNG冷能梯级利用系统优化研究[A].中国制冷学会2009年学术年会论文集, 2009, 672-676. [5] 杨世铭,陶文铨.传热学[M]. 3版.北京:高等教育出版社, 1998. [6] 李多金. LNG汽车燃料汽化器设计与实验研究[J].制冷技术, 2007, 35(6): 533-535. [7] 贺云根,胡亚才,等.板翅式换热器在燃气轮机进气冷却系统中的应用[J].能源工程,2006,48(5):48-50. |
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