邱永罡

（上海電氣電站集團(tuán)工程公司，上海 201612）

0 引言

燃?xì)廨啓C(jī)（以下簡(jiǎn)稱“燃機(jī)”）作為一種高效率、低排放的動(dòng)力機(jī)械正在被中國市場(chǎng)廣泛接受，它具備結(jié)構(gòu)緊湊、安裝容易、運(yùn)行靈活等顯著特點(diǎn)。我國燃機(jī)發(fā)電廠主要采用天然氣作為主要燃料，隨著我國能源多元化的發(fā)展，越來越多的沿海發(fā)電廠采用LNG（液化天然氣）作為天然氣的主要來源。

LNG的主要成分是甲烷，無色、無味、無毒且無腐蝕性，其體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600，LNG具有壓力低、密度大、安全可靠性較高的優(yōu)點(diǎn)，適合大規(guī)模、跨國界、遠(yuǎn)距離運(yùn)輸，現(xiàn)已成為天然氣遠(yuǎn)洋運(yùn)輸?shù)闹饕绞健?/p>

LNG使用前需氣化至常溫，此過程中LNG會(huì)釋放出大量冷量。每1 kg LNG氣化過程中可釋放出的冷量約830~860 kJ[1]（包括氣化潛熱和氣態(tài)天然氣從儲(chǔ)存溫度升高至環(huán)境溫度的顯熱）。工程應(yīng)用方面，LNG冷能可被用于諸多領(lǐng)域，如空氣分離、輕烴分離、冷能發(fā)電、制造液態(tài)CO2和干冰、食品冷凍、低溫粉碎及蓄冷等[2-3]。

對(duì)于燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠，LNG氣化的冷能可以通過多種途徑被利用，包括：

（1）冷卻燃機(jī)進(jìn)風(fēng)，提高燃機(jī)出力。

（2）冷卻汽輪機(jī)循環(huán)水，降低背壓、提高汽輪機(jī)的出力和蒸汽循環(huán)的效率。

（3）冷卻輔機(jī)冷卻水，改善夏季輔機(jī)冷卻水偏高的問題。

以下主要分析這幾種冷能利用方式對(duì)于全廠性能的影響，重點(diǎn)分析利用LNG冷能冷卻燃機(jī)進(jìn)風(fēng)對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能的影響[4-7]。

1 燃機(jī)發(fā)電廠LNG冷能的利用方式分析

1.1 LNG冷能利用的方式

（1）LNG冷能用于燃機(jī)進(jìn)氣冷卻。

燃機(jī)在高溫環(huán)境工作時(shí)，其出力和效率都會(huì)有顯著的降低，主要原因是燃機(jī)是一種恒定容量的機(jī)器，即在恒定的工作轉(zhuǎn)速下，沿進(jìn)氣系統(tǒng)吸入恒定體積流量的空氣，不考慮IGV（進(jìn)口可調(diào)靜葉）的影響，但是燃機(jī)的出力和空氣質(zhì)量流量成正比，而非體積流量，因此可以通過LNG的冷能把進(jìn)入燃機(jī)的空氣溫度降下來，增加進(jìn)入燃機(jī)的空氣質(zhì)量流量，從而提高燃機(jī)出力和效率[4-5]。

在實(shí)際操作中，可利用LNG氣化過程產(chǎn)生的冷水或者乙二醇，通過裝在燃機(jī)進(jìn)氣裝置上的翅片管換熱器對(duì)燃機(jī)進(jìn)口空氣進(jìn)行冷卻，冷卻介質(zhì)在冷卻完空氣后回到氣化裝置中，從而形成完整循環(huán)[8-10]。冷能利用裝置既為LNG氣化提供熱量，又為燃機(jī)進(jìn)氣冷卻提供冷能，冷能綜合利用效果顯著。當(dāng)然在燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)增加換熱器將增大燃機(jī)的進(jìn)氣壓損，一般壓損將增加100~300 Pa[6]，對(duì)于聯(lián)合循環(huán)的性能有一定影響。

（2）LNG冷能用于汽輪機(jī)循環(huán)水冷卻。

當(dāng)汽輪機(jī)冷卻采用水冷時(shí)，可以利用LNG的冷能降低凝汽器的進(jìn)口循環(huán)水溫度，從而降低汽輪機(jī)的背壓，提高汽輪機(jī)的出力和蒸汽循環(huán)的效率。

此方式先取一部分的循環(huán)水作為氣化LNG的熱源，從而獲得更低溫度的冷卻水。然后將低溫的冷卻水在進(jìn)入凝汽器之前與剩余的循環(huán)水混合，降低進(jìn)入凝汽器的循環(huán)水溫度，從而使汽輪機(jī)獲得更低的背壓[11-12]。

（3）LNG冷能用于閉式輔機(jī)冷卻水冷卻。

閉式循環(huán)冷卻水主要用于輔機(jī)潤滑油和發(fā)電機(jī)的冷卻，常規(guī)冷卻方式包括使用濕式通風(fēng)冷卻塔冷卻、干式空氣冷卻、利用冷卻水加板式換熱器冷卻等。常規(guī)的冷卻方式都需要消耗較多廠用電，且投資較大。在夏季高溫時(shí)，輔機(jī)冷卻水溫度往往會(huì)偏高，影響機(jī)組的安全運(yùn)行，降低設(shè)備壽命。

對(duì)于燃機(jī)發(fā)電廠，利用LNG冷能可以將輔機(jī)冷卻水溫度降低約5.6℃，滿足輔機(jī)冷卻水熱負(fù)荷的要求[8]。

1.2 不同LNG冷能利用方式的比較

對(duì)于F級(jí)一拖一發(fā)電廠而言，利用LNG冷能冷卻燃機(jī)進(jìn)氣能夠大大提高聯(lián)合循環(huán)的出力，出力增加可達(dá)6%左右，效果較為明顯。利用LNG冷能冷卻汽輪機(jī)循環(huán)水，能夠?qū)⒛鞯倪M(jìn)水溫度降低約0.45℃，聯(lián)合循環(huán)出力增加約0.13%，聯(lián)合循環(huán)效率提高0.05%左右，對(duì)性能的提升相對(duì)有限，且此方式僅適用于水冷機(jī)組，對(duì)于空冷機(jī)組不適用。利用LNG冷能冷卻閉式循環(huán)水，對(duì)于水冷機(jī)組，可以減少開式冷卻水約2 500 t/h，減少廠用電約132 kW。對(duì)于空冷機(jī)組，如使用干式空冷輔機(jī)冷卻塔，可節(jié)約300 kW左右的廠用電和干式空冷塔的投資。同樣，此方案對(duì)于聯(lián)合循環(huán)的性能影響較小，對(duì)于干燥缺水需要采用干式輔機(jī)冷能塔的發(fā)電廠收益略好。

對(duì)比以上3種冷能利用方式，冷卻燃機(jī)進(jìn)氣效果更明顯，以下重點(diǎn)討論利用LNG冷能冷卻燃機(jī)進(jìn)氣的方案對(duì)于聯(lián)合循環(huán)性能的影響[2]。

2 利用LNG冷能冷卻燃機(jī)進(jìn)氣案例

某F級(jí)一拖一燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)機(jī)組，夏季環(huán)境溫度為30℃，相對(duì)濕度60%，大氣壓0.1 MPa。蒸汽循環(huán)采用三壓再熱方案，凝汽器采用直流冷卻，夏季水溫27℃，循環(huán)水量24 000 t/h。

2.1 LNG用于燃機(jī)進(jìn)氣冷卻對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能的影響

LNG的冷能通過換熱器，將管內(nèi)冷卻工質(zhì)的冷能傳遞到空氣中，降低燃機(jī)進(jìn)口空氣溫度。由于冷卻介質(zhì)不與空氣直接接觸，因此空氣的冷卻是一個(gè)定含濕量的降溫過程，空氣溫度降低，相對(duì)濕度上升，含濕量不變。當(dāng)空氣溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，相對(duì)濕度達(dá)到100%的上限，這時(shí)隨著空氣溫度的降低，相對(duì)濕度保持100%不變，空氣含濕量下降，換熱器表面有水凝結(jié)。

燃機(jī)進(jìn)氣溫度降低的幅度取決于燃料中可利用的LNG冷能Q，冷能Q可通過如下公式進(jìn)行計(jì)算[1]：

式中：Q為可利用的LNG冷能；qf為LNG的質(zhì)量流量；rLNG為單位質(zhì)量LNG的冷能。

單位質(zhì)量的LNG冷能rLNG約為830~860 kJ，考慮到一定能量損失，假設(shè)可以利用的冷能為820 kJ/kg，通過夏季工況燃料量，可以通過式（1）初步計(jì)算出可以利用的LNG的冷能Q0。在冷能利用后，隨著燃機(jī)的進(jìn)氣溫度下降，出力上升，燃料量也上升，可利用的冷能也更多了，因此最終可以利用的冷能Q需要迭代計(jì)算。

圖1是從氣溫30℃、相對(duì)濕度60%、大氣壓0.1 MPa的初始環(huán)境溫度開始，冷能利用后的燃機(jī)進(jìn)氣參數(shù)的變化情況。

圖1 濕度和燃機(jī)進(jìn)氣溫度隨著冷能利用的變化曲線

根據(jù)燃機(jī)進(jìn)口參數(shù)的變化，可以利用燃機(jī)的修正曲線計(jì)算出對(duì)應(yīng)的燃機(jī)的出力、效率、排煙參數(shù)的變化。修正結(jié)果如圖2—5所示。

圖2 燃機(jī)效率隨進(jìn)氣溫度的變化曲線

圖3 燃機(jī)出力隨進(jìn)氣溫度的變化曲線

圖4 燃機(jī)排煙流量隨進(jìn)氣溫度的變化曲線

圖5 燃機(jī)排煙溫度隨進(jìn)氣溫度的變化曲線

從以上的修正結(jié)果看，燃機(jī)的出力、效率和排煙流量隨著冷能利用都將上升，而排煙溫度隨著燃機(jī)進(jìn)氣溫度的下降而下降。

對(duì)于聯(lián)合循環(huán)，聯(lián)合循環(huán)效率和出力可利用式（2）計(jì)算[13-14]：

式中：ηcc為聯(lián)合循環(huán)效率；ηgt為燃機(jī)效率；Pst為蒸汽輪機(jī)出力；Pgt為燃?xì)廨啓C(jī)出力；Pcc為聯(lián)合循環(huán)出力。

根據(jù)以上聯(lián)合循環(huán)性能的計(jì)算公式，冷能利用后汽輪機(jī)的出力對(duì)聯(lián)合循環(huán)性能有最直接的影響。為了計(jì)算汽輪機(jī)的出力，通過搭建全廠熱平衡模型，模擬計(jì)算出燃機(jī)排煙參數(shù)變化對(duì)應(yīng)的汽輪機(jī)出力[13-15]，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 汽機(jī)出力隨進(jìn)氣溫度的變化曲線

根據(jù)蒸汽循環(huán)的計(jì)算結(jié)果可知蒸汽輪機(jī)的出力隨著冷能利用而提高，但提高的幅度低于燃機(jī)，主要原因是燃機(jī)排煙溫度的降低導(dǎo)致蒸汽循環(huán)的效率下降，從而抵消了排煙流量增加帶來的增益。根據(jù)公式（2）和（3）可以計(jì)算出聯(lián)合循環(huán)的性能如圖7所示。

由圖8可知雖然冷能利用后燃機(jī)本身效率提升，但蒸汽側(cè)的效率下降抵消了燃機(jī)側(cè)效率上升的增益，最終聯(lián)合循環(huán)的效率降低。如果按照完全利用燃料冷能，不考慮換熱器壓損的影響，聯(lián)合循環(huán)出力可增加約6.7%，效率僅降低約0.2%，在夏季用電高峰期將帶來不錯(cuò)的收益。

圖7 聯(lián)合循環(huán)出力隨進(jìn)氣溫度的變化曲線

圖8 聯(lián)合循環(huán)效率隨進(jìn)氣溫度的變化曲線

2.2 換熱器壓損的影響

利用LNG冷能需要在燃機(jī)進(jìn)氣裝置中增加翅片換熱器，換熱器的阻力將對(duì)燃機(jī)的性能和排煙參數(shù)產(chǎn)生影響，從而影響最終的聯(lián)合循環(huán)性能。換熱器的空氣側(cè)阻力約100~300 Pa之間[5]，取決于換熱器的結(jié)構(gòu)和換熱面積的大小。圖9，10是考慮200 Pa壓損和不考慮壓損聯(lián)合循環(huán)性能的差異。

圖9 進(jìn)氣壓損對(duì)聯(lián)合循環(huán)出力的影響

由圖9—10可知換熱器的壓損將降低聯(lián)合循環(huán)的出力和效率，但效率降低較少約0.01%，出力的降低相對(duì)明顯，約1 MW左右。

2.3 空氣相對(duì)濕度對(duì)冷能利用效果的影響

圖10 進(jìn)氣壓損對(duì)聯(lián)合循環(huán)效率的影響

由2.1節(jié)介紹的研究結(jié)果可知，進(jìn)入燃機(jī)的空氣溫度對(duì)于聯(lián)合循環(huán)的出力有直接的影響，進(jìn)氣溫度越低燃機(jī)出力越大，在相同冷能的情況下，空氣溫度降得越低冷能利用的效果越好?？諝獾南鄬?duì)濕度對(duì)于降溫效果有直接的影響，圖11是環(huán)境相對(duì)濕度分別為為60%和80%時(shí)，需要冷能利用的曲線。

圖11 需要的LNG冷能隨進(jìn)氣溫度的變化曲線

由圖11可知，當(dāng)燃機(jī)進(jìn)氣溫度降低到露點(diǎn)溫度時(shí)，降低同樣的溫度需要的冷能急劇增加，其中一部分冷能被用于凝結(jié)析出空氣中的水蒸汽，單位冷能降溫效果急劇下降。環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)露點(diǎn)溫度的影響非常明顯，相對(duì)濕度越低，露點(diǎn)溫度越低，相同的燃料冷能能夠獲得更低的燃機(jī)進(jìn)氣溫度，從而獲得更大的出力。

2.4 設(shè)計(jì)溫度的選擇對(duì)于冷能利聯(lián)合循環(huán)效率的影響

當(dāng)設(shè)計(jì)溫度確定后，蒸汽循環(huán)的主蒸汽和熱再蒸汽管道可根據(jù)設(shè)計(jì)溫度選擇對(duì)應(yīng)的材料，當(dāng)排煙升高時(shí)，為了避免主蒸汽和熱再蒸汽溫度超溫，鍋爐的過熱器和再熱器需要進(jìn)行噴水降溫，從而導(dǎo)致蒸汽循環(huán)的效率降低。在配置冷能利用裝置后，由于受到噴水對(duì)于蒸汽參數(shù)的影響，不同的設(shè)計(jì)選型點(diǎn)，冷能利用對(duì)于聯(lián)合循環(huán)效率的影響略有差異。圖12是設(shè)計(jì)點(diǎn)在30℃和設(shè)計(jì)點(diǎn)在19℃時(shí)，聯(lián)合循環(huán)效率的差異。

圖12 聯(lián)合循環(huán)效率隨進(jìn)氣溫度的變化曲線

由圖12可知，在設(shè)計(jì)環(huán)境溫度較低時(shí)，夏季工況為了控制蒸汽溫度需要大量噴水，而冷能利用后，燃機(jī)排煙溫度降低，蒸汽溫度降低，噴水量逐步降低，主蒸汽和熱再蒸汽溫度保持不變，效率的降低相對(duì)平緩，甚至?xí)霈F(xiàn)效率上升的情況。而設(shè)計(jì)環(huán)境溫度較高時(shí)，在夏季工況不噴水或僅少量噴水，隨著冷能利用排煙溫度降低，主蒸汽和熱再蒸汽參數(shù)下降較快，聯(lián)合循環(huán)效率的降低也相對(duì)較快。因此在有冷能利用措施的情況下，將發(fā)電廠的設(shè)計(jì)溫度降低，可以使整個(gè)熱力系統(tǒng)和設(shè)備在冷能利用后處于高效運(yùn)行點(diǎn)，從而提高發(fā)電廠運(yùn)行效率。

3 結(jié)論

（1）LNG的冷能對(duì)于聯(lián)合循環(huán)機(jī)組利用價(jià)值較大，各種冷能利用方案對(duì)于提高聯(lián)合循環(huán)的性能和經(jīng)濟(jì)性都有不錯(cuò)的效果，其中利用LNG冷能冷卻燃機(jī)進(jìn)氣的效果最為明顯。

（2）利用LNG冷能冷卻燃機(jī)進(jìn)氣能夠顯著增大燃機(jī)在夏季工況的出力，但聯(lián)合循環(huán)效率會(huì)略微降低。

（3）環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)利用LNG冷能冷卻燃機(jī)進(jìn)氣有顯著影響，濕度越低，冷能利用效果越好。

（4）對(duì)于利用LNG冷能冷卻燃機(jī)進(jìn)氣的機(jī)組，將設(shè)計(jì)工況定在相對(duì)較低的環(huán)境溫度較為合理，有利于在冷能利用后使聯(lián)合循環(huán)的效率保持在一個(gè)比較高的水平。