單循環(huán)燃機(jī)電站進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)淺議
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摘要：單循環(huán)燃機(jī)運(yùn)行在高氣溫條件時(shí)，滿負(fù)荷工況下發(fā)電功率和熱效率均快速下降。通過(guò)設(shè)置進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)，既可以利用燃機(jī)排放煙氣的高溫?zé)崮?，又可以顯著提升發(fā)電功率和全廠凈效率。因進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)增加的投資費(fèi)用，4～6年即可收回成本。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)窝h(huán)燃機(jī)；LM6000PC；進(jìn)氣冷卻；吸收制冷機(jī)組；冷凍水
某南亞國(guó)家電力基礎(chǔ)設(shè)施亟待發(fā)展，但面臨著燃煤發(fā)電污染嚴(yán)重，天然氣燃料配套設(shè)施缺乏的困境，同步發(fā)展燃油發(fā)電和可再生能源發(fā)電是目前的最優(yōu)決策。根據(jù)電力發(fā)展規(guī)劃，該國(guó)家擬在某地?cái)U(kuò)建燃機(jī)電站來(lái)替代需退役的燃機(jī)機(jī)組。由于國(guó)家電網(wǎng)結(jié)構(gòu)尚未完善，容納能力受限，電站供電總?cè)萘看_定在105～130MW之間，擴(kuò)建3臺(tái)單循環(huán)燃機(jī)，燃料為柴油和天然氣。
1燃機(jī)選擇
根據(jù)擴(kuò)建容量和裝機(jī)臺(tái)數(shù)要求，以及燃機(jī)在ISO工況下燃油時(shí)熱效率不低于36%，可選的燃機(jī)有GE公司生產(chǎn)的LM6000PC、SIEMENS公司生產(chǎn)的SGT-800和SGT-A65TR。其中SGT-800屬于工業(yè)用燃機(jī)，效率較低；LM6000PC和SGT-A65TR屬于航改型燃機(jī)，效率高。在主機(jī)選型階段，根據(jù)各制造廠的初步配合方案，采用機(jī)組的壽命周期運(yùn)行成本比較法，最終方案選用了LM6000PC燃機(jī)。LM6000PC燃機(jī)設(shè)置14級(jí)高壓和5級(jí)低壓壓氣機(jī)，壓比29.1，采用進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)。透平設(shè)置2級(jí)高壓和5級(jí)低壓透平，軸向排汽。該型燃機(jī)可在較低燃料壓力下啟動(dòng)。燃機(jī)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)條件為年平均氣溫30℃、空氣濕度80%，設(shè)計(jì)條件下單臺(tái)燃機(jī)功率為40.2MW，熱耗率8933kJ/kWh，燃機(jī)排煙溫度471℃。增大燃機(jī)功率和提高效率的方法有設(shè)置進(jìn)氣冷卻和噴霧中間冷卻，電站淡水資源缺乏，水源為海水，為了減少電站用水量，選用進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)方案，并評(píng)估進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。
2帶進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
2.1系統(tǒng)流程
本項(xiàng)目為單循環(huán)燃機(jī)方案，燃機(jī)排出的高溫?zé)煔庾鳛橹评湎到y(tǒng)的熱能，回收廢熱符合低碳環(huán)保要求，由此確定制冷系統(tǒng)采用煙氣型溴化鋰吸收制冷機(jī)組。每臺(tái)燃機(jī)設(shè)置一套制冷機(jī)組，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)和便于控制，采用單元制系統(tǒng)。燃機(jī)排出的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)高壓發(fā)生器，來(lái)自吸收器的溴化鋰稀溶液經(jīng)低溫和高溫?fù)Q熱器加熱后，依次進(jìn)入高壓和低壓發(fā)生器被加熱，產(chǎn)生制冷劑蒸氣。制冷劑蒸氣經(jīng)冷凝器冷凝后進(jìn)入蒸發(fā)器發(fā)生閃蒸相變，同時(shí)吸收冷凍液熱量。制冷劑蒸氣進(jìn)入吸收器，來(lái)自低壓發(fā)生器濃溶液被冷卻后噴淋在吸收器管簇，吸收制冷劑蒸氣成為稀溶液。吸收制冷系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口設(shè)進(jìn)氣冷卻器，冷凍液將進(jìn)口空氣冷卻到一定溫度后進(jìn)入壓氣機(jī)。單套制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)條件為將氣溫30℃、濕度80%的空氣446.7t/h冷卻到14.5℃、濕度100%，計(jì)算制冷量約5520kW，需要煙氣量40t/h和循環(huán)冷卻水1112t/h。冷凍液通常有純水和50%丙二醇溶液二種，南亞國(guó)家年均最低氣溫約20℃，無(wú)需考慮冷凍液結(jié)冰，故冷凍液選用純水，需要冷凍水流量為427t/h。制冷機(jī)組冷卻水可采用海水或者海水淡化后的淡水。海水淡化需要采用二級(jí)反滲透系統(tǒng)。海水冷卻方案的冷卻塔和循環(huán)冷卻水泵、管道及相關(guān)附件則需采用耐海水腐蝕材料。設(shè)計(jì)條件下，燃機(jī)壓氣機(jī)進(jìn)口空氣溫度降到14.5℃、濕度100%時(shí)，單臺(tái)燃機(jī)發(fā)電功率提高到43.333MW，熱耗率為8552kJ/kWh。
2.2制冷機(jī)組輔助系統(tǒng)
在方案準(zhǔn)備階段，分別按照進(jìn)氣冷卻+海水冷卻塔方案（方案一）、進(jìn)氣冷卻+二級(jí)反滲透+淡水冷卻塔方案（方案二）開展了方案配合和報(bào)價(jià)。方案一報(bào)價(jià)為712萬(wàn)元/套×3=2136萬(wàn)元；方案二報(bào)價(jià)為690萬(wàn)元/套×3=2070萬(wàn)元。本電站為擴(kuò)建機(jī)組，原廠并未預(yù)留擴(kuò)建場(chǎng)地，擬建設(shè)場(chǎng)地是原廠廢棄的132kV配電裝置場(chǎng)地，場(chǎng)地面積十分緊張。方案二投資略低，但是占用場(chǎng)地會(huì)大于方案一。此外，方案二中滲透膜需要定期更換，且高壓水泵增加了廠用電耗，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。因此本項(xiàng)目選用了方案一，即進(jìn)氣冷卻+海水冷卻塔方案。制冷機(jī)組需配套進(jìn)煙和排煙煙道，排煙煙道經(jīng)引風(fēng)機(jī)接至煙囪，每路煙道上設(shè)一只電動(dòng)隔絕門。單循環(huán)機(jī)組本身耗水量小，增加制冷機(jī)組后，原水取水和預(yù)處理系統(tǒng)容量增加約40%，相應(yīng)管道需增大，并需增加工業(yè)水泵至冷卻塔前池、冷卻塔與冷卻水泵之間的供回水管以及各管道上的隔離閥。制冷機(jī)組制出的冷凍水送至燃機(jī)進(jìn)氣冷卻器，換熱后回至制冷機(jī)組的吸收器，每路管道上設(shè)電動(dòng)隔離閥。
2.3機(jī)組性能指標(biāo)
不設(shè)置進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)時(shí)，設(shè)計(jì)條件下單臺(tái)燃機(jī)功率為40.2MW，熱耗率8933kJ/kWh。3臺(tái)燃機(jī)總發(fā)電功率為120.6MW。設(shè)置進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)后，設(shè)計(jì)條件下單臺(tái)燃機(jī)發(fā)電功率提高到43.333MW，熱耗率為8552kJ/kWh。3臺(tái)燃機(jī)總發(fā)電功率為129.999MW。這二種方案對(duì)應(yīng)的廠用電量區(qū)別是進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)（包括冷卻塔和冷卻水泵、引風(fēng)機(jī)）、原水取水和預(yù)處理系統(tǒng)，其他電負(fù)荷基本相同。廠用電負(fù)荷分項(xiàng)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。不帶進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)的廠用電量是2208kW，廠用電率為1.83%。設(shè)置進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)后，廠用電量共計(jì)3133kW，廠用電率為2.41%。因?yàn)楸卷?xiàng)目燃機(jī)容量小，且是單循環(huán)機(jī)組，進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)電負(fù)荷占總廠用電的28.5%，所以廠用電率反而增加了0.58%。PPA協(xié)議規(guī)定電站年利用小時(shí)數(shù)是2000h，初期為燃油運(yùn)行，一旦液化天然氣氣化站建成，燃機(jī)轉(zhuǎn)為天然氣運(yùn)行模式。由于天然氣投入時(shí)間并不確定，因此方案比較只基于燃油模式進(jìn)行，這二種方案的機(jī)組性能指標(biāo)見(jiàn)表2。進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)使發(fā)電功率增加了7.8%，全廠凈效率提高了1.52%，發(fā)電功率提升幅度大于凈效率提升幅度，因此全廠年耗油量呈增加趨勢(shì)。
3方案經(jīng)濟(jì)性
3.1投資費(fèi)用比較
單臺(tái)LM6000PC燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，不帶進(jìn)氣冷卻裝置時(shí)價(jià)格約16770萬(wàn)元，帶進(jìn)氣冷卻裝置后價(jià)格約16900萬(wàn)元。煙氣吸收制冷機(jī)組、冷卻塔和水泵組、引風(fēng)機(jī)由制造廠成套提供，單套價(jià)格712萬(wàn)元。制冷機(jī)組、冷卻水泵和冷凍水泵組集裝，冷卻塔基礎(chǔ)面標(biāo)高高于制冷機(jī)組基礎(chǔ)面2m，引風(fēng)機(jī)靠近制冷機(jī)組。在燃機(jī)和進(jìn)氣制冷機(jī)組之間設(shè)置進(jìn)/排煙煙道和隔離門、冷凍水管道和閥門。冷卻塔和冷卻水泵之間設(shè)置循環(huán)冷卻水供排水管道及閥門。二種方案投資費(fèi)用明細(xì)比較見(jiàn)表3。設(shè)置進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)后，全廠總投資費(fèi)用需增加3207萬(wàn)元。
3.2年運(yùn)行費(fèi)用和收益比較
設(shè)置進(jìn)氣冷卻后，年耗油量將增加，由此可見(jiàn)年燃料費(fèi)用將增加。當(dāng)?shù)夭裼蛢r(jià)格為0.638美元/kg，美元/人民幣匯率按6.5計(jì)算時(shí)，帶進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)時(shí)年燃油費(fèi)用為21486萬(wàn)元，不帶進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)時(shí)年燃油費(fèi)用是20821萬(wàn)元。即設(shè)置進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)后，每年將增加燃油費(fèi)用665萬(wàn)元。設(shè)置進(jìn)氣冷卻后顯著提升了機(jī)組功率，年供電量增加0.169億kWh。根據(jù)當(dāng)?shù)夭裼蛢r(jià)格計(jì)算出燃油成本電價(jià)是0.847元/kWh，再考慮折舊、財(cái)務(wù)費(fèi)用、凈利潤(rùn)和稅等，該電站含稅上網(wǎng)電價(jià)不應(yīng)低于1.1元/kWh，每年售電收益可增加1859萬(wàn)元?？鄢耆加唾M(fèi)用增加額后，年售電凈收益增加1194萬(wàn)元。
3.3結(jié)論
單循環(huán)燃機(jī)排出高溫?zé)煔獾牟糠譄崮鼙贿M(jìn)氣冷卻系統(tǒng)利用，煙氣熱能利用率9%，進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)使發(fā)電功率提升了7.8%，全廠凈效率提高了1.52%。進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)使得年售電凈收益增加1194萬(wàn)元，為此增加的3207萬(wàn)元投資在第4年初即可收回成本。當(dāng)含稅電價(jià)在1.0元/kWh時(shí)，年售電凈收益增加1025萬(wàn)元，大約在第5年初可收回成本。
4結(jié)束語(yǔ)
單循環(huán)燃機(jī)設(shè)置進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)大幅提高了發(fā)電功率，但是凈效率提高幅度小。當(dāng)進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組時(shí)，制冷抽走的熱能使汽輪機(jī)組功率減小，發(fā)電功率提升幅度遠(yuǎn)小于單循環(huán)機(jī)組。全廠凈效率會(huì)下降，氣溫越高，凈效率下降得越多。因此，進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)適合于應(yīng)用在常年高溫地區(qū)的單循環(huán)機(jī)組。對(duì)于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，若電網(wǎng)允許機(jī)組多發(fā)電，才可以考慮設(shè)置進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)。
作者:汪海玲 周武 葉慧蓉 單位:中國(guó)電力建設(shè)工程咨詢中南有限公司 中國(guó)機(jī)械設(shè)備工程股份有限公司