燃機廠房水噴霧蒸發冷卻通風設計淺析

李　唯　王海波　吳國華

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司,　四川　成都　6100412.中國石油吉林油田公司松原采氣廠，　吉林　松原　138000

?

燃機廠房水噴霧蒸發冷卻通風設計淺析

李唯1王海波1吳國華2

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司,四川成都6100412.中國石油吉林油田公司松原采氣廠，吉林松原138000

摘要：水噴霧蒸發冷卻降溫技術在干熱地區具有明顯技術優勢,利用干熱地區空氣濕球溫度低的顯著特點,在對空氣加濕的同時將空氣溫度降至接近濕球溫度,以滿足工藝設備的低溫要求。以某燃氣電站燃機廠房水噴霧蒸發冷卻通風設計為實例,分析在干熱地區燃機廠房通風系統設計需要注意的問題,提出在干熱地區夏季有效降低燃機進氣溫度、提高燃機效率的方法及適用條件,為燃機廠房及其他廠房設計與建造提供參考。

關鍵詞：干熱地區；夏季通風；水噴霧蒸發冷卻;設計

0前言

環境溫度對燃氣發電機組的工作特性有很大影響[1],機組空氣進氣溫度越高,燃機效率越低。中國西北部分地區新建天然氣處理廠由于沒有外電,需同步建設自備燃氣電站。但由于氣候干熱,夏季工況時燃機發電效率很低,不得不選配更大一級機組,造成設備投資和能源浪費。如何降低燃機空氣進氣溫度、提高燃機效率是干熱地區自備燃氣電站亟待解決的問題，本文以某燃氣電站燃機廠房水噴霧蒸發冷卻通風設計為實例進行了分析。

1燃氣電站基本情況

某燃氣電站地處新疆塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠中心,是某處理廠的自備電站。該電站采用往復式內燃天然氣發電機組,燃機型號為TCG 2032 V 16型。燃氣發動機為四沖程十六缸活塞機,V型布置,發動機轉速1 000 r/min,壓縮比12∶1,機組長9.43 m,寬2.68 m,高4.29 m。發電機組及主要配件由德國公司成套提供,散裝進口。燃機廠房長28.8 m,寬25.5 m,高10.5 m,輕鋼結構。電站裝機容量3×4 000 kW,二用一備,標準工況總供電負荷8 000 kW,現場工況最大供電負荷7 600 kW,2010年9月投入運行。

2設計參數

2.1室外氣象參數

塔中地區屬典型的溫帶大陸性氣候,冬季嚴寒,夏季炎熱,室外氣象參數[2]見表1。

表1塔中地區室外氣象參數

氣象參數數據氣象要素數據年平均氣溫/℃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年平均蒸發量/mm2563.8海拔高度/m1075最熱月平均相對濕度/(%)10

2.2天然氣發電機組設計參數

德國公司提供的數據顯示,單臺發電機組發動機的室內散熱量240 kW,發電機室內散熱量83 kW,室內總散熱量323 kW；單臺燃機助燃空氣量20 000 kg/h,通風量195 000 kg/h。燃氣發電機組的運行方式二用一備,則機組散發至燃機廠房室內的總熱量646 kW,總助燃空氣量40 000 kg/h,總通風量390 000 kg/h。

基于塔中地區夏季氣溫高的室外氣象條件,德國公司要求在發電機組正常運行條件下,夏季極端高溫(室外溫度45.6 ℃)時燃機廠房室內溫度必須低于54 ℃,冬季極端低溫(室外溫度-26.4 ℃)時不低于5 ℃；發電機組停運條件下,燃機廠房室內溫度不低于0 ℃。

2.3不同工況條件下的燃機出力

無論是透平式燃氣輪機還是往復式內燃機,燃機的現場環境條件對燃機出力影響很大[3]。為使燃機在高溫季節取得增加出力、降低能耗的效果,國內外燃機廠商或用戶采取了多種空氣降溫辦法對燃機進氣降溫,取得了不同的使用效果[4-5]。

燃機的額定出力通常是指在ISO工況條件(海拔0 m,環境溫度15 ℃)下的正常出力。隨著燃機海拔和環境溫度升高,燃機出力會顯著下降。環境溫度的影響主要表現在對燃機進氣溫度的影響,即在相同海拔條件下,燃機進氣溫度越高,燃機出力越小。TCG 2032 V 16型往復式內燃天然氣發電機組在不同工況條件下的出力見表2。

表2TCG 2032 V 16型往復式內燃天然氣發電機組在不同工況條件下的出力

kW

按照德國公司提出的夏季極端高溫工況條件下,當室內溫度達到54 ℃時,意味著燃機吸氣溫度(即環境溫度)為54 ℃,燃機出力將進一步下降。

3通風系統設計

通風設計的目的是為了確保天然氣發電機組及附屬設備長期穩定運行,保證設備最大出力。根據德國公司提供的技術參數及相關要求,在夏季極端高溫工況條件下,廠房通風量巨大(按照燃機廠房全體積計算,換氣次數達到46次/h),同時單臺發電機組出力也會大大降低。燃機廠房54 ℃的室內溫度既不符合工業企業衛生標準的要求,也無法保證維護人員對備用機組的檢修維護,更無法確保發電機組現場儀器儀表的長期穩定運行。

根據塔中地區夏季炎熱干燥的獨特氣象條件,利用干熱地區空氣濕球溫度低的特點,在對空氣加濕的同時將空氣溫度降至接近濕球溫度[6],空氣溫度降低,本質上空氣所攜帶的熱量并沒有變化[7]。設計中引入水噴霧蒸發冷卻通風的理念,大幅降低燃機進氣溫度,徹底解決燃機廠房夏季室內溫度過高問題,將燃機廠房室內溫度降低至35 ℃以下,使發電機組在夏季極端高溫工況條件下達到最大出力。

3.1空氣處理過程

水噴霧蒸發冷卻通風系統空氣處理過程見圖1。

圖1　水噴霧蒸發冷卻通風系統空氣處理過程

3.2通風量計算及校核

燃機廠房通風量計算公式[11]如下：

表3不同氣象條件下的空氣噴霧蒸發冷卻后的參數

相對濕度/(%)室外空氣干球溫度/℃室外空氣熱焓/(kJ·kg-1)相對濕度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

假定燃機廠房室內溫度維持在35 ℃,為消除燃機廠房天然氣發電機組646 kW余熱,則需在不同室外氣象條件下計算燃機廠房通風量,見表4。

表4不同室外氣象條件下的送風參數及通風量

室外氣象參數送風參數溫度/℃相對濕度/(%)溫度/℃相對濕度/(%)燃機廠房余熱/kW通風量/(kg·h-1)45.61021.528864617115340.01018.858864614285745.62026.008864625634940.02022.728864618787845.63029.838864644625640.03026.1088646259229

表4數據表明,在相同干球溫度條件下,隨著室外空氣相對濕度的增加,燃機廠房所需通風量也急劇增加。

2套自潔式空氣過濾器+水噴霧蒸發冷卻空氣處理機組全開時通風量達240 000 m3/h。在夏季極端高溫工況條件下,2臺天然氣發電機組滿負荷運轉時,燃機廠房內溫度不高于33 ℃,單臺發電機組滿負荷運轉時,燃機廠房室內溫度不高于28 ℃。為節約能源,避免燃機廠房室內溫度降得過低,送風機采用變頻控制,在保證提供給發電機組必要的燃燒空氣前提下,風機轉速可以根據燃機廠房室內溫度自動調節。

某燃機廠房通風設備布置平面見圖3。

圖3　燃機廠房通風系統平面

4結論

水噴霧蒸發冷卻通風方式利用空氣干濕球溫差,將空氣顯熱轉變為潛熱,空氣溫度降低,濕度增加,但本質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,空氣加濕方式對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,當設備對室內空氣有嚴格低濕度要求時,水噴霧蒸發冷卻通風方式也不宜采用。

參考文獻：

[1] 郭剛,宋志剛,陳仁貴.噴霧蒸發冷卻技術在西氣東輸燃壓機組上應用的可行性研究[J].熱能動力工程,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] 暖通規范管理組.暖通空調氣象資料集[M].北京：冶金工業部北京有色冶金設計研究總院,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.燃氣輪機進氣采用噴霧蒸發冷卻方式的溫度分析[J].東北電力大學學報，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] 何語平,祝耀坤.采用進氣冷卻技術提高燃氣輪機出力和熱效率[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，潛紀儒，童曉丹，等.進氣蒸發冷卻器在PG 9351燃氣輪機上的應用[J].燃氣輪機技術，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.實用供熱空調設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,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[M].北京：中國建筑工業出版社,2005.

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

[8] 陳沛霖.空調與制冷技術手冊[M].上海：同濟大學出版社,1999.Chen Peilin. Technology Handbook of Air Conditioning and Refrigeration [M]. Shanghai: Tongji University Press, 1999.

[9] 王瑞瑜.水蒸發冷卻技術在云南通信機房空調高效節能中的應用與研究[C].昆明：通信電源新技術論壇,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.燃氣輪機進氣蒸發冷卻系統在全國各地區的適用性分析[J].制冷與空調，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.簡明通風設計手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2006.

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

[12] 中華人民共和國住房和城鄉建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.輸氣管道工程設計規范GB 20251-2015[S].北京：中國計劃出版社,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

基金項目：中國石油天然氣集團公司工程項目“塔中I 號氣田開發試驗區10×108 m3/a試采地面建設工程”(S 2007-43 E)

作者簡介：李唯(1969-),男,重慶巴縣人,高級工程師,國家注冊公用設備工程師(動力),學士,現主要從事油氣儲運、暖通及熱工專業設計及管理工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.019