楊尤平

(華潤(rùn)電力常州有限公司, 江蘇 常州 213000)

輕型燃?xì)廨啓C(jī)啟停快，運(yùn)行靈活，能滿足供熱和發(fā)電雙重需求，是分布式能源站的主流機(jī)型。夏季是用電高峰，但是夏季環(huán)境溫度高限制了燃?xì)廨啓C(jī)的出力。數(shù)據(jù)表明，在環(huán)境溫度(T1)5 ℃時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)輸出功率為額定出力的106%，在環(huán)境溫度35 ℃只有額定出力的84%。采用溴化鋰制冷對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻，聯(lián)合循環(huán)機(jī)組排氣廢熱作為溴化鋰的熱源，有效地利用聯(lián)合循環(huán)機(jī)組的排氣低品位熱源，提高了整個(gè)聯(lián)合循環(huán)效率，有較大的推廣價(jià)值。

1 概述

華潤(rùn)電力常州有限公司(以下簡(jiǎn)稱華潤(rùn)常州)建設(shè)一套燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)抽凝機(jī)組(46 MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組+55.8 t/h余熱鍋爐+12 MW抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組)和一套燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)背壓機(jī)組(46 MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組+55.8 t/h余熱鍋爐+4 MW背壓式汽輪發(fā)電機(jī)組)。

燃?xì)廨啓C(jī)由上海華電通用公司生產(chǎn)，型號(hào)為L(zhǎng)M6000PF，簡(jiǎn)單循環(huán)機(jī)組出力為45 409 kW(設(shè)計(jì)工況)。LM6000PF是一個(gè)雙軸燃?xì)廨啓C(jī)(雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，采用高壓軸套低壓軸的形式)，由5級(jí)低壓壓氣機(jī)(LPC)、14級(jí)高壓壓氣機(jī)(HPC)、2級(jí)高壓透平(HPT)和5級(jí)低壓透平(LPT)組成。低壓轉(zhuǎn)子由LPC和驅(qū)動(dòng)它的LPT組成，高壓轉(zhuǎn)子由HPC和驅(qū)動(dòng)它的HPT組成。

空氣通過(guò)進(jìn)氣系統(tǒng)過(guò)濾后進(jìn)入LPC，LPC以約2.4∶1 的比例壓縮空氣，HPC以約12∶1 的比例壓縮空氣，形成了與壓氣機(jī)進(jìn)氣壓力相比30∶1的總壓縮比，然后進(jìn)入三重環(huán)形燃燒室，在75個(gè)空氣-燃?xì)忸A(yù)混器內(nèi)與燃料混合后由點(diǎn)火器點(diǎn)燃，燃燒產(chǎn)生的高溫氣體進(jìn)入HPT膨脹做功，同時(shí)帶動(dòng)HPC，氣體繼續(xù)經(jīng)過(guò)LPT膨脹做功，帶動(dòng)LPC，同時(shí)通過(guò)減速齒輪箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)輸出負(fù)荷。膨脹后的氣體通過(guò)余熱鍋爐從主煙囪排入大氣。華潤(rùn)常州聯(lián)合循環(huán)機(jī)組工藝流程如圖1所示。

圖1 聯(lián)合循環(huán)工藝流程

2 環(huán)境溫度對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的影響

燃?xì)廨啓C(jī)標(biāo)準(zhǔn)工況是大氣壓力101.3 kPa，環(huán)境溫度15 ℃，相對(duì)濕度60 %，但實(shí)際上環(huán)境溫度經(jīng)常偏離標(biāo)準(zhǔn)條件，使壓氣機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量、流量等參數(shù)發(fā)生變化，這是導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行性能變化的重要因素。當(dāng)環(huán)境溫度升高，空氣密度減小，進(jìn)入壓氣機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)透平的空氣質(zhì)量減少，使得燃?xì)廨啓C(jī)出力下降。環(huán)境溫度升高還會(huì)使壓氣機(jī)的壓縮比降低，致使燃?xì)廨啓C(jī)透平的作功量減少。在環(huán)境溫度升高的同時(shí)，壓氣機(jī)的耗功也在增大，從而導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的出力進(jìn)一步下降。燃?xì)廨啓C(jī)簡(jiǎn)單循環(huán)輸出比功Wn(單位質(zhì)量工質(zhì)所作的功)為燃?xì)廨啓C(jī)比功Wt減去壓氣機(jī)比功Wc。

Wn=Wt-Wc

(1)

由熱力學(xué)知道，氣體溫度愈低，分子運(yùn)動(dòng)的速度也愈低，達(dá)到同樣壓比所需的壓縮功也就愈小。在等熵壓縮時(shí)，壓氣機(jī)比功與氣體初溫成正比。

Wc=CpT1(πm-1)

(2)

式中：Cp為空氣定壓比熱；T1為環(huán)境溫度；π為壓比；m=(k-1)/k，k為空氣絕熱指數(shù)。因此，氣溫下降時(shí)，壓氣機(jī)比功下降，燃?xì)廨啓C(jī)比功上升，即燃?xì)廨啓C(jī)效率隨之上升，反之亦然。根據(jù)上海華電通用公司《LM6000PF操作與維護(hù)手冊(cè)》，LM6000PF燃?xì)廨啓C(jī)性能曲線見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 LM6000PF在不同環(huán)境溫度下的出力

圖3 LM6000PF在不同環(huán)境溫度下的效率

記錄2019年8月至2020年8月華潤(rùn)常州LM6000PF燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)行1年的功率與環(huán)境溫度，如圖4所示。

圖4 環(huán)境溫度與燃?xì)廨啓C(jī)功率的關(guān)系

可以看出，LM6000PF燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷受環(huán)境溫度影響極大，負(fù)荷隨著環(huán)境溫度的上升而減少。由于參加調(diào)峰運(yùn)行，在夏季峰電時(shí)段，電網(wǎng)往往要求發(fā)出最大功率，以緩解高峰用電壓力。但此時(shí)由于環(huán)境溫度較高，燃?xì)廨啓C(jī)會(huì)出現(xiàn)出力下降現(xiàn)象。此外，由于效率下降，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性也會(huì)隨之下降。因此為了提高LM6000PF燃?xì)廨啓C(jī)功率，對(duì)LPC進(jìn)氣進(jìn)行冷卻尤為必要。

3 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻裝置

通過(guò)在進(jìn)氣濾網(wǎng)前加裝進(jìn)氣冷卻裝置來(lái)降低燃?xì)廨啓C(jī)LPC進(jìn)氣溫度(T2)，是在高溫季節(jié)提高燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)際出力、消除環(huán)境溫度升高影響的最簡(jiǎn)單最有效的辦法。利用余熱鍋爐排氣作為溴化鋰機(jī)組熱源，可以提高聯(lián)合循環(huán)效率，系統(tǒng)如圖5所示。下面從熱水加熱器、溴化鋰機(jī)組、進(jìn)氣冷卻裝置三部分展開(kāi)介紹。

圖5 燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)組成

3.1 熱水加熱器

LM6000燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度為454.9 ℃，流經(jīng)余熱鍋爐后的尾部排煙溫度約為125 ℃。在余熱鍋爐后的煙道尾部安裝一套熱水加熱器(如圖6所示)。煙氣流通鍋爐后加熱熱水加熱器，被加熱后的水作為溴化鋰機(jī)組熱源。溴化鋰機(jī)組生產(chǎn)的冷凍水在空氣冷卻器中通過(guò)間接接觸的方式冷卻LPC進(jìn)氣，達(dá)到降低燃?xì)廨啓C(jī)LPC進(jìn)氣溫度的目的，同時(shí)可以進(jìn)一步利用排煙余熱，實(shí)現(xiàn)能源的梯級(jí)利用。熱水加熱器出水溫度為95 ℃，設(shè)計(jì)流量為130 t/h，蒸發(fā)損失的熱水由鍋爐熱水泵從超濾水箱補(bǔ)充。燃?xì)饴?lián)合循環(huán)中，燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度決定了主蒸汽溫度的高低，排煙流量決定蒸汽量的大小。對(duì)于聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)，熱水加熱器安裝在余熱鍋爐尾部，對(duì)熱循環(huán)無(wú)影響，余熱鍋爐排煙溫度下降至100 ℃，聯(lián)合循環(huán)效率提高了約2 %，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了能源的梯級(jí)利用。

圖6 余熱鍋爐受熱面布置

3.2 溴化鋰機(jī)組

根據(jù)上述熱水加熱器出水溫度和流量，結(jié)合廠家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，確定溴化鋰機(jī)組參數(shù)如下:制冷功率1 170 kW，熱水進(jìn)水溫度95 ℃，熱水流量130 t/h，冷水出水溫度7 ℃，冷水流量201 t/h，循環(huán)水流量381 t/h。溴化鋰機(jī)組冷水為主廠房區(qū)域、綜合辦公樓空調(diào)系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)提供冷源，換熱后回流至集水器。損失的冷水由鍋爐除鹽水補(bǔ)充。

3.3 進(jìn)氣冷卻裝置

LM6000PF燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣過(guò)濾艙室如圖7所示，采用粗濾(1 μm)+精濾(0.5 μm)兩級(jí)過(guò)濾。在壓氣機(jī)進(jìn)氣前的粗濾和精濾之間安裝冷卻盤(pán)管，通過(guò)表面換熱的方式改變LPC進(jìn)氣溫度。此方式不僅可以在夏季高溫時(shí)期接入溴化鋰機(jī)組冷水，降低LPC進(jìn)氣溫度，提高LM6000PF燃?xì)廨啓C(jī)出力，還可以在冬季低溫時(shí)期通入循環(huán)水作為進(jìn)氣的防冰凍水，防止進(jìn)氣通道結(jié)露堵塞，避免燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)生“吞冰”的風(fēng)險(xiǎn)。

在機(jī)組調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣經(jīng)冷卻盤(pán)管降溫的同時(shí)，由于冷卻盤(pán)管外壁低于進(jìn)氣溫度的露點(diǎn)溫度，導(dǎo)致空氣中的水汽析出形成冷凝水，從進(jìn)氣艙室底部落水口排至地面，造成艙室附近地面污染?？蓪⑦M(jìn)氣艙室底部落水集中收集后經(jīng)母管引至機(jī)力塔作為全廠循環(huán)冷卻水補(bǔ)充，節(jié)約了水資源。

4 結(jié)論

在夏季高溫情況下投入進(jìn)氣冷卻裝置對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的提升是顯而易見(jiàn)的，見(jiàn)圖8。

圖8 LM6000PF投入進(jìn)氣冷卻裝置對(duì)比圖

在環(huán)境溫度27.8 ℃以上時(shí)，每小時(shí)可提高4 MW左右，日均發(fā)電量提升8 %左右。根據(jù)常州市氣溫情況，5至9月期間投入進(jìn)氣冷卻裝置運(yùn)行，總時(shí)長(zhǎng)3 600 h，華潤(rùn)常州兩臺(tái)LM6000PF燃?xì)廨啓C(jī)年提升電量共計(jì)為4 MW/h×3 600 h×2=28 800 MW，對(duì)于同類型燃?xì)廨啓C(jī)環(huán)境溫度超過(guò)20 ℃地區(qū)有極大的推廣價(jià)值。