李敏鋒， 趙東光， 李繼剛， 王志剛， 葉　非， 蔣　昊

(上海電力上坦發(fā)電有限公司， 上海 200010)

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進(jìn)氣冷卻及冷凝水回收技術(shù)在東非地區(qū)的應(yīng)用

李敏鋒， 趙東光， 李繼剛， 王志剛， 葉非， 蔣昊

(上海電力上坦發(fā)電有限公司， 上海 200010)

摘要：結(jié)合東非地區(qū)的氣象條件、投資、水源等因素，對燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)及冷凝水回收技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用范圍等進(jìn)行了比較；并對冷凝水回收技術(shù)在東非地區(qū)燃?xì)怆姀S應(yīng)用進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：東非地區(qū)采用進(jìn)氣冷卻方式主要受大氣環(huán)境、總投資及水資源的影響。建議在選用進(jìn)氣冷卻技術(shù)時(shí)可綜合考慮冷凝水回收，既可提高燃?xì)廨啓C(jī)效率又節(jié)能環(huán)保。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)； 進(jìn)氣冷卻； 冷凝水回收； 節(jié)能

東非地區(qū)由于水源不足使市政供水短缺，且海水淡化投資較高，所以大部分燃?xì)怆姀S采用單循環(huán)機(jī)組。由于單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)(簡稱燃機(jī))實(shí)際效率不到40%，燃機(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)因此得到廣泛應(yīng)用。進(jìn)氣冷卻技術(shù)最早應(yīng)用在美國密歇根一家電廠[1]，通過降低環(huán)境溫度提高燃機(jī)效率及功率，國內(nèi)外對此進(jìn)行了大量的研究[2-9]。以GE公司的9E型燃機(jī)為例，當(dāng)溫度由15 ℃上升到35 ℃時(shí)，燃機(jī)的功率下降到ISO工況的87.5%左右，熱耗率增加3%～4%[2]。

采用燃機(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)不僅可以提高燃機(jī)效率，還可冷卻空氣中的水分作為冷凝水加以處理回收利用[10]，并結(jié)合空調(diào)冷凝水回收，從而在獲得水源的同時(shí)也能節(jié)能環(huán)保。筆者對進(jìn)氣冷卻技術(shù)在東非地區(qū)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并綜合分析了進(jìn)氣冷卻冷凝水回收技術(shù)的可行性，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1燃機(jī)進(jìn)氣冷卻方式及其比較

1.1 進(jìn)氣冷卻方式

進(jìn)氣冷卻主要有直接和間接接觸式冷卻。直接接觸式冷卻主要有噴霧、濕冷蒸發(fā)式冷卻等。濕冷蒸發(fā)式冷卻主要利用水在蒸發(fā)過程中吸收空氣中的潛熱來達(dá)到降低周圍空氣溫度。Cortes[3]研究表明，濕冷式制冷方法可提高14%的出力，而年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用為安裝費(fèi)用的3%～5%。Dawoud等[4]對GE 6B機(jī)組在OMAN應(yīng)用實(shí)例表明該制冷方式年用水量為14 085 t。因此對于水源緊張地區(qū)的燃?xì)怆姀S采用濕冷制冷方法不太適用。

間接接觸式冷卻主要有吸收制冷、壓縮制冷、冰蓄冷制冷以及LNG冷能利用等方式。Mohanty和Paloso[5]對曼谷某100 MW燃機(jī)機(jī)組采用雙效溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，研究表明進(jìn)氣溫度可降至15 ℃，總輸出功率增加11%。Al-Bortmany[6]討論利用燃機(jī)排氣余熱使用氨吸收制冷系統(tǒng)，兩臺燃機(jī)進(jìn)氣溫度降低至7 ℃，分別增加輸出功率20%和14%。壓縮式制冷因系統(tǒng)簡單，投資小，可獲得較低的制冷溫度。冰蓄冷冷卻使用機(jī)械或電驅(qū)動(dòng)壓縮制冷設(shè)備，在負(fù)荷低谷制冰蓄冷，負(fù)荷高峰利用蓄冷冷卻進(jìn)氣[2]。Ameri等[7]研究冰蓄冷冷卻系統(tǒng)可將環(huán)境溫度從45 ℃降低至7.2 ℃，增加13.6%的發(fā)電量，但是初始投資成本太大。Al-Ibrahim和Varnham[8]認(rèn)為冰蓄冷冷卻系統(tǒng)在水源緊缺區(qū)域可很好應(yīng)用。LNG冷能的利用適用炎熱干燥的地區(qū)，需要有LNG接受站[9]。LNG氣化釋放大量冷能，冷能不能直接傳遞給進(jìn)口空氣，需要通過中間載冷劑經(jīng)過兩級冷卻器才能傳遞[2]。

1.2 進(jìn)氣冷卻方式比較

進(jìn)氣冷卻方式的選擇受多種因素的影響，幾種常見的冷卻方式的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。根據(jù)表1結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀髼l件及具體工程，可選擇合適的進(jìn)氣冷卻方式。東非地區(qū)由于年平均溫度高，濕度較大，且水源緊缺，總投資有限，常采用單循環(huán)機(jī)組。大部分單循環(huán)機(jī)組采用壓縮式制冷來提高燃機(jī)的效率，蒸發(fā)式制冷應(yīng)用在局部濕度不大且水源充足的地區(qū)。

表1　進(jìn)氣冷卻方式對比

2冷凝水回收及其應(yīng)用

2.1 進(jìn)氣冷卻冷凝水回收及應(yīng)用

進(jìn)氣冷卻冷凝水率主要受進(jìn)口空氣溫度和濕度、出口空氣溫度和濕度等影響。文獻(xiàn)[10]對冷凝水率影響因素的分析表明，進(jìn)口空氣溫度對冷凝水率的影響最大，出口空氣溫度與進(jìn)口空氣濕度對冷凝水率的影響大致相當(dāng)，明顯低于進(jìn)口空氣溫度對冷凝水率的影響。

東非某電廠有3臺LM6000燃機(jī)單循環(huán)空冷機(jī)組，采用了機(jī)械壓縮式制冷對進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，其系統(tǒng)圖見圖1。

該廠每臺機(jī)組的燃機(jī)進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)采用六個(gè)水冷柜，將冷卻后的閉式循環(huán)水引入燃機(jī)進(jìn)氣冷卻器，產(chǎn)生的冷凝水被收集到20 t冷凝水箱，負(fù)責(zé)對該廠兩個(gè)容量分別為120 t原水箱和360 t消防水箱的補(bǔ)水；當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁?6.0 ℃，年平均相對濕度為75.0%，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)為7 446 h，在當(dāng)?shù)毓r下每臺燃機(jī)每小時(shí)可制水0.5 t，3臺機(jī)組運(yùn)行一天可收滿36 t。目前該電廠的主要水源為進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)的冷凝水。該廠燃機(jī)進(jìn)汽冷凝水回收除能滿足消防、日常生產(chǎn)、場內(nèi)清洗、綠化澆灌及生活用水和對水箱進(jìn)行補(bǔ)水的用途外，尚有大量剩余水白白流入廠區(qū)雨水溝直接排放至附近河道。

該廠進(jìn)氣冷卻冷凝水回收步驟如下：

(1) 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)6臺冷水機(jī)組同時(shí)投入運(yùn)行，其流程見圖2。冷凍水通過循環(huán)水泵輸送至燃機(jī)進(jìn)口處的冷卻盤管冷卻空氣，并由此得到空氣中的凝結(jié)水。冷水機(jī)組冷凍水出口設(shè)計(jì)溫度為不低于7 ℃，冷凍水經(jīng)過盤管后最大設(shè)計(jì)溫差為5 K，冷凍水回水設(shè)計(jì)溫度為不高于12 ℃，并送回至冷水機(jī)組，再由冷水機(jī)組制成設(shè)計(jì)溫度不低于7 ℃的冷凍水。

(2) 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，室外空氣通過冷卻盤管后設(shè)計(jì)溫降為10 K。

(3) 燃機(jī)進(jìn)口冷卻后空氣溫度的控制主要靠調(diào)節(jié)進(jìn)入冷卻盤管的冷凍水流量(冷凍水流量的調(diào)節(jié)通過盤管入口處的電動(dòng)分流三通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié))。

此外還要做到：

(1)在整個(gè)冷凍水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需設(shè)置1套定壓系統(tǒng)(見圖3)來控制水系統(tǒng)的運(yùn)行壓力。

(2) 為防止鹽霧腐蝕冷卻盤管，采用不銹鋼材質(zhì)，僅在盤管兩端連接處采用銅管。

(3) 為保證空氣中的凝結(jié)水不進(jìn)入燃燒器，在盤管后增設(shè)了離心式氣水分離器。

(4) 為保證氣流均勻及清潔，在冷卻盤管前增設(shè)了均流段及過濾器。

2.2 空調(diào)冷凝水回收技術(shù)

空調(diào)冷凝水因流經(jīng)空調(diào)蒸發(fā)器或風(fēng)機(jī)盤管的空氣表面溫度低于露點(diǎn)溫度，使空氣中的水蒸氣冷凝成凝結(jié)水[11]?？照{(diào)冷凝水可作為水資源向冷卻塔補(bǔ)水、消防用水及綠化灌溉用水?？照{(diào)冷凝水溫通常在10～15 ℃，如果利用冷凝水的蒸發(fā)潛熱，設(shè)計(jì)冷凝水回收系統(tǒng)[12](見圖4)不僅可以改善冷凝器的傳熱效果，降低空調(diào)能耗，同時(shí)又可以解決空調(diào)冷凝水排放對環(huán)境造成的污染現(xiàn)象。因此該技術(shù)可適用于大型電廠空調(diào)長期運(yùn)行的集控室及辦公室。

3燃?xì)怆姀S應(yīng)用實(shí)例

對于東非地區(qū)某擬建9E級單循環(huán)機(jī)組燃?xì)怆姀S，廠址所在地區(qū)全年氣溫高且變化不大，采用燃機(jī)進(jìn)氣冷卻具有一定經(jīng)濟(jì)效益，且進(jìn)氣冷卻還可回收冷凝水作為單循環(huán)機(jī)組的主要水源。

3.1 進(jìn)氣冷卻方式選擇及主要性能分析

該廠位于溫度高、相對濕度大、水源缺乏的地區(qū)。根據(jù)前述的進(jìn)氣冷卻方式對比可知，蒸發(fā)式制冷因濕度、水源不滿足要求；吸收式制冷不適用于簡單循環(huán)；該地區(qū)無LNG站， LNG制冷方式無法實(shí)現(xiàn)；冰蓄冷制冷方式因投資占地大也不經(jīng)濟(jì)。機(jī)械壓縮式制冷適用于溫度高、濕度大地區(qū)，可以獲得較低制冷溫度，提高出力，因此該廠采用機(jī)械制冷系統(tǒng)(見圖1)。

在ISO工況下，燃機(jī)的總出力為257.3 MW，熱耗為10 502 kJ/(kW·h)，燃機(jī)的效率為34.3%。當(dāng)?shù)啬昶骄鶜鉁丶s26 ℃，年平均相對濕度約為75%，根據(jù)該條件對9E單循環(huán)機(jī)組采用進(jìn)氣冷卻前后的性能指標(biāo)分析見表2。

表2　當(dāng)?shù)毓r下采用進(jìn)氣冷卻前后的性能指標(biāo)分析

根據(jù)當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)購售電協(xié)議，年平均利用7 446 h。由表2可知：采用進(jìn)氣冷卻后燃機(jī)總出力、年發(fā)電量增加了3.1%，熱耗下降了0.4%，但廠用電率從1.2%增加到3.6%。盡管采用機(jī)械壓縮式制冷方式后廠用電率大大增加，但由于當(dāng)?shù)夭捎玫膬刹恐齐妰r(jià)模式，并不是發(fā)電越多經(jīng)濟(jì)效益越好。因此采用機(jī)械制冷系統(tǒng)提高燃機(jī)出力，同時(shí)可回收冷凝水作為單循環(huán)機(jī)組的主要水源。

3.2 冷凝水回收設(shè)計(jì)

機(jī)械壓縮式制冷系統(tǒng)與燃機(jī)的對應(yīng)配置關(guān)系可采用一對一或一對多形式，進(jìn)氣經(jīng)過濾后與載有冷媒(二次冷凍水)的冷卻盤管接觸后，進(jìn)氣中的水蒸氣溫度驟降，從而產(chǎn)生冷凝水。其主要模塊有制冷站模塊(含制冷機(jī)、一次冷凍泵及冷凝泵等)、二次冷凍泵模塊、散熱器、空氣過濾器、冷卻盤管及控制系統(tǒng)等(見圖5)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)通過機(jī)械壓縮制冷可以將進(jìn)氣溫度降至較低的溫度，將大氣中的水蒸氣冷卻成冷凝水回收到冷凝水水箱。

每套單循環(huán)燃機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)閉式冷卻水量為470 t/h；取閉式冷卻水補(bǔ)水量為冷卻水量的0.2%，即每套單循環(huán)閉式冷卻水補(bǔ)水量1 t/h，兩套燃機(jī)機(jī)組補(bǔ)水量共計(jì)2 t/h。當(dāng)燃機(jī)在當(dāng)?shù)噩F(xiàn)場氣象條件基本負(fù)荷下運(yùn)行，廠家提供的進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)最低制水量為3.5 t/h，可滿足閉式冷卻水補(bǔ)充用水量要求。

考慮將集控室、辦公大樓中央空調(diào)等空調(diào)冷凝水回收，按當(dāng)?shù)貧庀髼l件(室外計(jì)算干球溫度為33.1 ℃，室外計(jì)算濕球溫度為28.3 ℃，空氣中的含濕量為0.022 8，空氣焓值為92 kJ/kg；室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為26 ℃，室內(nèi)相對濕度為50%，空氣中的含濕量為0.010 62，空氣焓值為53.3 kJ/kg)，經(jīng)過盤管后空氣處理點(diǎn)參數(shù)：室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為16.4 ℃，室內(nèi)相對濕度為90%，空氣中的含濕量為0.010 62，空氣焓值為43.5 kJ/kg，可得1 kW 的冷負(fù)荷所能得到的空調(diào)凝結(jié)水量為0.4 kg/h，每天空調(diào)凝結(jié)水最大回收量為3.2 t，全年空調(diào)凝結(jié)水最大回水量為860 t。

因此，進(jìn)氣冷卻冷凝水及空調(diào)冷凝水經(jīng)水處理裝置處理后作為單循環(huán)機(jī)組的主要水源是可行的，可實(shí)現(xiàn)電廠的節(jié)能環(huán)保及水資源的綜合利用。

4結(jié)語

筆者對燃機(jī)進(jìn)氣冷卻技術(shù)及冷凝水回收技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用范圍進(jìn)行了對比分析表明：在東非地區(qū)，綜合考慮氣象條件、投資及水源等因素，采用壓縮制冷進(jìn)氣冷卻方式制水是可行的，并結(jié)合冷凝水回收技術(shù)，回收冷凝水供冷卻塔補(bǔ)充水源、消防、綠化灌溉及清潔用水，從而既能提高燃機(jī)效率又能節(jié)能環(huán)保。

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Application of Inlet Air Cooling and Condensate Water Recovery Technology in East Africa

Li Minfeng, Zhao Dongguang, Li Jigang, Wang Zhigang, Ye Fei, Jiang Hao

(Shangtan Power Generation Co., Ltd., Shanghai Electric Power Co., Ltd., Shanghai 200010, China)

Abstract：The features of gas turbine inlet air cooling and condensate water recovery technology as well as their application range in East Africa were compared according to the factors of meteorological condition, capital investment and the source of water, etc., while the feasibility of the condensate water recovery technology applied in the gas turbine power plant was studied. Results show that reasonable inlet air cooling technology should be chosen in consideration of variety of factors like meteorological condition, total investment and water source in East Africa. The condensate water recovery technology is recommended when the inlet air cooling technology is adopted, so as to not only improve the gas turbine efficiency, but also achieve the purpose of energy conservation and environmental protection.

Keywords：gas turbine; inlet air cooling; condensate water recovery; energy conservation

中圖分類號：TK477

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-086X(2016)02-0088-04

作者簡介：李敏鋒(1983—)，男，工程師，主要從事火電工程技術(shù)及管理工作。E-mail: liminfeng001@163.com

收稿日期：2015-08-17