預處理冷卻系統及發電機組散熱器改造

程 宏

(西山煤電集團 發電公司， 山西 太原 030206)

夏季高溫常使瓦斯電廠機組氣源溫度過高，預處理系統降溫效果不佳，發電機組冷卻回水溫度居高不下，發電機組長期保持在75%負載運行，導致發電產量無法進一步提高。此前國內多采用增加機組散熱器，增加冷水機組，定期更換冷水機組氟利昂等方式，但成本高，且部分效果甚微[1]. 屯蘭瓦斯發電廠為最大限度地節約成本，對預處理冷卻系統及發電機組散熱器進行改造。

1 預處理冷卻循環系統改造

瓦斯電廠對氣源溫度要求較為嚴格，經過氣體預處理后氣體溫度需控制在40 ℃以下，屯蘭瓦斯電廠自建廠以來，每到夏季預處理氣體出口溫度都隨環境溫度影響較大，導致發電機組負載無法繼續提高，這一方面與冷水機組自身制冷能力不足有關，另一方面與水氣換熱器的換熱面積過小有關。預處理系統具有除塵、除水、增壓、穩壓的作用[2]，考慮到集裝箱內部空間已趨于飽和，而增加預處理冷水機組的成本較高，采用增加水氣換熱器的換熱面積。

1.1 模型建立

屯蘭瓦斯電廠氣源預處理集裝箱系統布置見圖1. 將初濾集裝箱與精濾集裝箱聯通處的瓦斯管路改造為與集裝箱內同樣或相近的水氣管式換熱器，通過同一套冷卻系統對瓦斯管路上的瓦斯氣體進一步冷卻，達到增大換熱面積，降低瓦斯氣體出口溫度的目的。管式換熱器內部結構見圖2.

1.2 改造實施

改造后的管式換熱器與原系統共用同一套冷卻循環系統，利用冷卻循環水泵帶動冷卻液循環，經冷水機組內壓縮機壓縮氟利昂后，將冷卻液由10 ℃左右降至3 ℃(管路中使用冷卻液為道達爾防凍液，其冰點為-37 ℃)，經過改造后得到新的布置圖，見圖3. 其中增加的部分即為改造方案。

1.3 設備選型

根據換熱器換熱量計算公式：

A=Q/K(Tr-Δt)

(1)

式中：

A—換熱面積，m2；

Q—總換熱量,W；

K—導熱系數，W/(m2·K)；

Tr—較熱介質的平均溫度，℃；

Δt—次熱介質的平均溫度，℃.

采用防凍液為次熱冷卻介質Δt≈7 ℃(即280.16 K，冷水機組出水口溫度約為3 ℃，入水口溫度為10 ℃)，換熱管材選取鈦合金管K約為15.24 W/(m2·K)，將瓦斯氣體換熱至34 ℃(氣源入口溫度最高可達42 ℃)，Tr≈38 ℃(即308.16 K)，增加管式換熱器后為使總換熱量Q達到1 000 W；由此得到換熱面積約為2.2 m2.大多數廠家的換熱器換熱面積大于2.2 m2，可以滿足條件。

左側框內區域—初濾集裝箱 右側框內區域—精濾集裝箱 —氣動調節閥 —蝶閥 —球閥 —水汽管式換熱器 PI—壓力表 TI—溫度表 PT—壓力變送器 TT—溫度變送器 MT—濕度變送器 FT—流量測量儀 PdlT—壓差變送器圖1 屯蘭瓦斯電廠預處理集裝箱布置圖

圖2 管式換熱器內部結構圖

左側—初濾集裝箱 右側—精濾集裝箱 —氣動調節閥 —蝶閥 —球閥 —水汽換熱器 PI—壓力表 TI—溫度表 PT—壓力變送器 TT—溫度變送器 MT—濕度變送器 FT—流量測量儀 PdlT—壓差變送器圖3 預處理集裝箱增加水氣換熱器后的布置圖

1.4 安裝定位和使用

截除原管路改為管式換熱器，將改造后的冷卻水管路并接至原冷卻系統中，采用同一套冷卻水循環系統進行冷卻，夏季環境溫度升高時，將相應球閥打開，即可實現對瓦斯氣體的降溫處理；冬季環境溫度降低后，將相應球閥關閉。

2 發電機組散熱器改造

絕大部分燃氣發電機組冷卻水系統采用的是露天板式散熱器，長時間使用后，散熱器內部會結垢，散熱片夾層中會積累塵土、雜物，導致散熱能力下降，散熱效果不良。為了提高散熱效率：1) 可以通過改造系統內部電路，更換內部通風電機，提高通風量，提高熱對流和換熱效率。2) 可以人力沖洗散熱片夾層及散熱管道。3) 增加散熱器散熱面積[3]. 為了節約成本，且不影響發電機組原有性能，通過增加散熱面積的方法，改良散熱器的冷卻能力。

2.1 改造方案

目前，屯蘭瓦斯電廠1#、2#發電機組流經散熱器的熱水系統回水溫度普遍較高，當夏季外部環境溫度達到40 ℃時，機組滿載后熱水回水最高溫升可達80 ℃，這對安全生產造成安全隱患。因此，在原有的散熱器底部兩側增加散熱水簾，采用冷卻自來水為換熱介質，提高換熱效率。散熱水簾見圖4. 水簾共計兩組4片，目的是對散熱器的冷媒介質空氣提前降溫，根據供水系統進出水位置的尺寸標注，在對應位置的大框架上開上、下進出水口。一般為單點、二點、四點3種方式[4]. 上、下框架出水孔徑一般為40 mm、65 mm. 該改造采用四點進水方式，水簾的安裝與布置示意圖見圖5. 安裝后使用的循環水應采用軟化水，可以最大限度地減少水簾運行后產生結垢，另外循環水泵采用≤5.5 kW即可，控制電源與發電機組內部控制電源分離，便于單獨控制。

圖4 采用四點進水方式水簾示意圖

圖5 水簾的安裝與布置示意圖

2.2 技術參數

采用外部軟化水為次熱冷卻介質，其平均溫度Δt≈20 ℃(即293.16 K)，換熱葉片選取鍍鋅合金K約為28 W/(m2·K)，當環境溫度40 ℃時，將空氣換熱至(30 ℃左右)，即空氣平均溫度Tr≈35 ℃(即308.16 K)，為了達到等效換熱量3 500 W，根據式(1)得出換熱面積A=8.33 m2.

散熱器長4.5 m,距離集裝箱頂部高度1.2 m,為保證空氣充分流經水簾，選取水簾單側長約4.5 m,高約1.2 m，厚度約為0.2 m,水簾換熱面積滿足條件需要。

2.3 效果監測

2015年5月—2015年7月(安裝前)與2016年5月—2016年7月(安裝后)分別對2#燃氣發電機組散熱器中熱水系統管路(入水→出水)等距各點進行了定時、定點跟蹤測溫,分別選取6個測點，各點測試時間為當日13：00. 2015年未增加水簾裝置時，散熱系統熱水管路(入水→出水)各點測溫柱狀圖見圖6，機組負載2 300 kW時，環境溫度25 ℃～33 ℃. 2016年增加水簾裝置后散熱系統熱水管路(入水→出水)各點測溫柱圖見圖7，機組負載3 000 kW時，環境溫度25 ℃～33 ℃.

圖6 2015年散熱系統熱水管路各點測溫注狀圖

由圖6，7可知，2015年由于發電機組散熱能力差，隨著外部環境溫度上升，發電機組只能維持在2 300 kW負載運行，且熱水系統換熱梯度明顯較小，天氣炎熱后，出水側回水溫度各個測試日期均超過了70 ℃. 2016年對發電機組頂部散熱器進行改造，增加了水簾后，利用外部循環水系統，實現了散熱器風冷、水冷聯合工作，機組負載實現了滿載3 000 kW運行，達到了預期效果。該裝置運行后使得屯蘭瓦斯電廠實現單機提高負載700 kW/h，夏季4個月實現增產85萬kWh.

圖7 2016年散熱系統熱水管路各點測溫柱狀圖

3 結 語

換熱器和水簾生產成本低，安裝改造周期短，通過增大換熱面積，解決了夏季環境高溫對設備冷卻系統的影響，為發電機組安全穩定運行提供了可靠保障。但是隨著發電機組運行時間的增加，機組冷卻性能逐漸老化，未來冷卻性能的提升仍是研究的重點。