李　唯　王海波　吳國(guó)華

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,　四川　成都　6100412.中國(guó)石油吉林油田公司松原采氣廠，　吉林　松原　138000

?

燃機(jī)廠房水噴霧蒸發(fā)冷卻通風(fēng)設(shè)計(jì)淺析

李唯1王海波1吳國(guó)華2

1.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司西南分公司,四川成都6100412.中國(guó)石油吉林油田公司松原采氣廠，吉林松原138000

摘要：水噴霧蒸發(fā)冷卻降溫技術(shù)在干熱地區(qū)具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì),利用干熱地區(qū)空氣濕球溫度低的顯著特點(diǎn),在對(duì)空氣加濕的同時(shí)將空氣溫度降至接近濕球溫度,以滿足工藝設(shè)備的低溫要求。以某燃?xì)怆娬救紮C(jī)廠房水噴霧蒸發(fā)冷卻通風(fēng)設(shè)計(jì)為實(shí)例,分析在干熱地區(qū)燃機(jī)廠房通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要注意的問(wèn)題,提出在干熱地區(qū)夏季有效降低燃機(jī)進(jìn)氣溫度、提高燃機(jī)效率的方法及適用條件,為燃機(jī)廠房及其他廠房設(shè)計(jì)與建造提供參考。

關(guān)鍵詞：干熱地區(qū)；夏季通風(fēng)；水噴霧蒸發(fā)冷卻;設(shè)計(jì)

0前言

環(huán)境溫度對(duì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的工作特性有很大影響[1],機(jī)組空氣進(jìn)氣溫度越高,燃機(jī)效率越低。中國(guó)西北部分地區(qū)新建天然氣處理廠由于沒有外電,需同步建設(shè)自備燃?xì)怆娬?。但由于氣候干?夏季工況時(shí)燃機(jī)發(fā)電效率很低,不得不選配更大一級(jí)機(jī)組,造成設(shè)備投資和能源浪費(fèi)。如何降低燃機(jī)空氣進(jìn)氣溫度、提高燃機(jī)效率是干熱地區(qū)自備燃?xì)怆娬矩酱鉀Q的問(wèn)題，本文以某燃?xì)怆娬救紮C(jī)廠房水噴霧蒸發(fā)冷卻通風(fēng)設(shè)計(jì)為實(shí)例進(jìn)行了分析。

1燃?xì)怆娬净厩闆r

某燃?xì)怆娬镜靥幮陆锬九璧厮死敻缮衬行?是某處理廠的自備電站。該電站采用往復(fù)式內(nèi)燃天然氣發(fā)電機(jī)組,燃機(jī)型號(hào)為TCG 2032 V 16型。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)為四沖程十六缸活塞機(jī),V型布置,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 000 r/min,壓縮比12∶1,機(jī)組長(zhǎng)9.43 m,寬2.68 m,高4.29 m。發(fā)電機(jī)組及主要配件由德國(guó)公司成套提供,散裝進(jìn)口。燃機(jī)廠房長(zhǎng)28.8 m,寬25.5 m,高10.5 m,輕鋼結(jié)構(gòu)。電站裝機(jī)容量3×4 000 kW,二用一備,標(biāo)準(zhǔn)工況總供電負(fù)荷8 000 kW,現(xiàn)場(chǎng)工況最大供電負(fù)荷7 600 kW,2010年9月投入運(yùn)行。

2設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1室外氣象參數(shù)

塔中地區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候,冬季嚴(yán)寒,夏季炎熱,室外氣象參數(shù)[2]見表1。

表1塔中地區(qū)室外氣象參數(shù)

氣象參數(shù)數(shù)據(jù)氣象要素?cái)?shù)據(jù)年平均氣溫/℃10.2年平均地溫/℃12.4最高氣溫/℃45.6極端最高地溫/℃72.2月平均最高溫度/℃38.3年平均大氣壓值/Pa89400年平均蒸發(fā)量/mm2563.8海拔高度/m1075最熱月平均相對(duì)濕度/(%)10

2.2天然氣發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)

德國(guó)公司提供的數(shù)據(jù)顯示,單臺(tái)發(fā)電機(jī)組發(fā)動(dòng)機(jī)的室內(nèi)散熱量240 kW,發(fā)電機(jī)室內(nèi)散熱量83 kW,室內(nèi)總散熱量323 kW；單臺(tái)燃機(jī)助燃空氣量20 000 kg/h,通風(fēng)量195 000 kg/h。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式二用一備,則機(jī)組散發(fā)至燃機(jī)廠房室內(nèi)的總熱量646 kW,總助燃空氣量40 000 kg/h,總通風(fēng)量390 000 kg/h。

基于塔中地區(qū)夏季氣溫高的室外氣象條件,德國(guó)公司要求在發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行條件下,夏季極端高溫(室外溫度45.6 ℃)時(shí)燃機(jī)廠房室內(nèi)溫度必須低于54 ℃,冬季極端低溫(室外溫度-26.4 ℃)時(shí)不低于5 ℃；發(fā)電機(jī)組停運(yùn)條件下,燃機(jī)廠房室內(nèi)溫度不低于0 ℃。

2.3不同工況條件下的燃機(jī)出力

無(wú)論是透平式燃?xì)廨啓C(jī)還是往復(fù)式內(nèi)燃機(jī),燃機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件對(duì)燃機(jī)出力影響很大[3]。為使燃機(jī)在高溫季節(jié)取得增加出力、降低能耗的效果,國(guó)內(nèi)外燃機(jī)廠商或用戶采取了多種空氣降溫辦法對(duì)燃機(jī)進(jìn)氣降溫,取得了不同的使用效果[4-5]。

燃機(jī)的額定出力通常是指在ISO工況條件(海拔0 m,環(huán)境溫度15 ℃)下的正常出力。隨著燃機(jī)海拔和環(huán)境溫度升高,燃機(jī)出力會(huì)顯著下降。環(huán)境溫度的影響主要表現(xiàn)在對(duì)燃機(jī)進(jìn)氣溫度的影響,即在相同海拔條件下,燃機(jī)進(jìn)氣溫度越高,燃機(jī)出力越小。TCG 2032 V 16型往復(fù)式內(nèi)燃天然氣發(fā)電機(jī)組在不同工況條件下的出力見表2。

表2TCG 2032 V 16型往復(fù)式內(nèi)燃天然氣發(fā)電機(jī)組在不同工況條件下的出力

kW

按照德國(guó)公司提出的夏季極端高溫工況條件下,當(dāng)室內(nèi)溫度達(dá)到54 ℃時(shí),意味著燃機(jī)吸氣溫度(即環(huán)境溫度)為54 ℃,燃機(jī)出力將進(jìn)一步下降。

3通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通風(fēng)設(shè)計(jì)的目的是為了確保天然氣發(fā)電機(jī)組及附屬設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,保證設(shè)備最大出力。根據(jù)德國(guó)公司提供的技術(shù)參數(shù)及相關(guān)要求,在夏季極端高溫工況條件下,廠房通風(fēng)量巨大(按照燃機(jī)廠房全體積計(jì)算,換氣次數(shù)達(dá)到46次/h),同時(shí)單臺(tái)發(fā)電機(jī)組出力也會(huì)大大降低。燃機(jī)廠房54 ℃的室內(nèi)溫度既不符合工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求,也無(wú)法保證維護(hù)人員對(duì)備用機(jī)組的檢修維護(hù),更無(wú)法確保發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

根據(jù)塔中地區(qū)夏季炎熱干燥的獨(dú)特氣象條件,利用干熱地區(qū)空氣濕球溫度低的特點(diǎn),在對(duì)空氣加濕的同時(shí)將空氣溫度降至接近濕球溫度[6],空氣溫度降低,本質(zhì)上空氣所攜帶的熱量并沒有變化[7]。設(shè)計(jì)中引入水噴霧蒸發(fā)冷卻通風(fēng)的理念,大幅降低燃機(jī)進(jìn)氣溫度,徹底解決燃機(jī)廠房夏季室內(nèi)溫度過(guò)高問(wèn)題,將燃機(jī)廠房室內(nèi)溫度降低至35 ℃以下,使發(fā)電機(jī)組在夏季極端高溫工況條件下達(dá)到最大出力。

3.1空氣處理過(guò)程

水噴霧蒸發(fā)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)空氣處理過(guò)程見圖1。

圖1　水噴霧蒸發(fā)冷卻通風(fēng)系統(tǒng)空氣處理過(guò)程

3.2通風(fēng)量計(jì)算及校核

燃機(jī)廠房通風(fēng)量計(jì)算公式[11]如下：

表3不同氣象條件下的空氣噴霧蒸發(fā)冷卻后的參數(shù)

相對(duì)濕度/(%)室外空氣干球溫度/℃室外空氣熱焓/(kJ·kg-1)相對(duì)濕度88%后空氣溫度/℃104882.3923.1145.675.2221.524064.2618.852048107.5327.9945.696.6426.004080.5622.723048133.3232.0945.6118.5429.834097.1226.10

假定燃機(jī)廠房室內(nèi)溫度維持在35 ℃,為消除燃機(jī)廠房天然氣發(fā)電機(jī)組646 kW余熱,則需在不同室外氣象條件下計(jì)算燃機(jī)廠房通風(fēng)量,見表4。

表4不同室外氣象條件下的送風(fēng)參數(shù)及通風(fēng)量

室外氣象參數(shù)送風(fēng)參數(shù)溫度/℃相對(duì)濕度/(%)溫度/℃相對(duì)濕度/(%)燃機(jī)廠房余熱/kW通風(fēng)量/(kg·h-1)45.61021.528864617115340.01018.858864614285745.62026.008864625634940.02022.728864618787845.63029.838864644625640.03026.1088646259229

表4數(shù)據(jù)表明,在相同干球溫度條件下,隨著室外空氣相對(duì)濕度的增加,燃機(jī)廠房所需通風(fēng)量也急劇增加。

2套自潔式空氣過(guò)濾器+水噴霧蒸發(fā)冷卻空氣處理機(jī)組全開時(shí)通風(fēng)量達(dá)240 000 m3/h。在夏季極端高溫工況條件下,2臺(tái)天然氣發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),燃機(jī)廠房?jī)?nèi)溫度不高于33 ℃,單臺(tái)發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),燃機(jī)廠房室內(nèi)溫度不高于28 ℃。為節(jié)約能源,避免燃機(jī)廠房室內(nèi)溫度降得過(guò)低,送風(fēng)機(jī)采用變頻控制,在保證提供給發(fā)電機(jī)組必要的燃燒空氣前提下,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以根據(jù)燃機(jī)廠房室內(nèi)溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)。

某燃機(jī)廠房通風(fēng)設(shè)備布置平面見圖3。

圖3　燃機(jī)廠房通風(fēng)系統(tǒng)平面

4結(jié)論

水噴霧蒸發(fā)冷卻通風(fēng)方式利用空氣干濕球溫差,將空氣顯熱轉(zhuǎn)變?yōu)闈摕?空氣溫度降低,濕度增加,但本質(zhì)上空氣所攜帶的熱量并沒有變化。在空氣潮濕、干濕球溫差較小的南方地區(qū),空氣加濕方式對(duì)降低空氣溫度效果不大,不宜采用。另外,即使是在北方干熱地區(qū),當(dāng)設(shè)備對(duì)室內(nèi)空氣有嚴(yán)格低濕度要求時(shí),水噴霧蒸發(fā)冷卻通風(fēng)方式也不宜采用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 郭剛,宋志剛,陳仁貴.噴霧蒸發(fā)冷卻技術(shù)在西氣東輸燃?jí)簷C(jī)組上應(yīng)用的可行性研究[J].熱能動(dòng)力工程,2012,27(4):24-26.

Guo Gang, Song Zhigang, Chen Rengui. Spray Evaporative Cooling Technology Feasibility Study on the West-East Gas Fuel Turbine Pressure Unit Application [J]. Thermal Power Engineering, 2012, 27 (4): 24-26.

[2] 暖通規(guī)范管理組.暖通空調(diào)氣象資料集[M].北京：冶金工業(yè)部北京有色冶金設(shè)計(jì)研究總院,1979.

HVAC Regulation Management Group.Meteorological Data Set of HV & AC [M]. Beijing: Ministry of Metallurgical Industry of Beijing Nonferrous Metallurgy Design and Research Institute, 1979

[3] 白珊，徐繼祥，徐志明，等.燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣采用噴霧蒸發(fā)冷卻方式的溫度分析[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(6):20-32.

Bai Shan, Xu Jixiang, Xu Zhiming, et al. Temperature Analysis on Gas Turbine Inlet Air by Water Spray Evaporative Cooling [J]. Journal of Northeast Dianli University Natural Science Edition, 2006, 26 (6): 20-32.

[4] 何語(yǔ)平,祝耀坤.采用進(jìn)氣冷卻技術(shù)提高燃?xì)廨啓C(jī)出力和熱效率[J],浙江電力,2004,(3):25-27.

He Yuping, Zhu Yaokun.Adopting Inlet Air Cooling Technology to Raise Output and Heat Rate of Gas Turbine Power Plant [J]. Zhejiang Electric Power, 2004, (3): 25-27.

[5] 李碩平，潛紀(jì)儒，童曉丹，等.進(jìn)氣蒸發(fā)冷卻器在PG 9351燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用[J].燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)，2015，28(3):67-69.

Li Shuoping, Qian Jiru, Tong Xiaodan, et al. Application of Inlet Air Evaporative Cooler for Gas Turbine PG 9351 FA [J]. Gas Turbine Technology, 2015, 28 (3): 67-69.

[6] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

Lu Yaoqing. Practical Handbook of Heating and Air Conditioning Design [M]. Beijing: China Building Industry Press, 2007.

[7] 陸亞俊,馬最良,鄒平華.暖通空調(diào)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.

Lu Yajun, Ma Zuiliang, Zou Pinghua. Heating Ventilating and Air Conditioning [M]. Beijing: China Building Industry Press, 2005.

[8] 陳沛霖.空調(diào)與制冷技術(shù)手冊(cè)[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社,1999.Chen Peilin. Technology Handbook of Air Conditioning and Refrigeration [M]. Shanghai: Tongji University Press, 1999.

[9] 王瑞瑜.水蒸發(fā)冷卻技術(shù)在云南通信機(jī)房空調(diào)高效節(jié)能中的應(yīng)用與研究[C].昆明：通信電源新技術(shù)論壇,2011.

Wang Ruiyu. Study on the Water Evaporation Cooling Technology in Yunnan Telecom Room Air Conditioning Energy-efficient and Its Application [C]. Kunming: Communication Power Supply New Technology Seminar, 2011.

[10] 劉金星，新軍哲.燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)在全國(guó)各地區(qū)的適用性分析[J].制冷與空調(diào)，2011，11(6):93-96.

Liu Jinxing, Xin Junze. Applicability Analysis of Inlet Evaporative Cooling System for Gas Turbine in Each Region of China [J]. Refrigeration and Air Condition, 2011, 11 (6): 93-96.

[11] 孫一堅(jiān).簡(jiǎn)明通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

Sun Yijian. Concise Ventilation Design Manual [M]. Beijing: China Building Industry Press, 2006.

[12] 中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范GB 20251-2015[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2015.

Ministry of Housing and Urban-Rural Development of People’s Republic of China, General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China. Code for Design of Gas Transmission Pipeline Engineering GB 20251-2015 [S]. Beijing: China Planning Press, 2015.

收稿日期：2015-10-29

基金項(xiàng)目：中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司工程項(xiàng)目“塔中I 號(hào)氣田開發(fā)試驗(yàn)區(qū)10×108 m3/a試采地面建設(shè)工程”(S 2007-43 E)

作者簡(jiǎn)介：李唯(1969-),男,重慶巴縣人,高級(jí)工程師,國(guó)家注冊(cè)公用設(shè)備工程師(動(dòng)力),學(xué)士,現(xiàn)主要從事油氣儲(chǔ)運(yùn)、暖通及熱工專業(yè)設(shè)計(jì)及管理工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.019