噴霧蒸發(fā)冷卻技術(shù)在燃氣輪機上的應(yīng)用

1、噴霧蒸發(fā)冷卻技術(shù)在燃氣輪機上的應(yīng)用陳仁貴1，趙現(xiàn)如1，趙東海1，藺志興1張大中2，聞雪友2，顧簡2，許盛凱2（1.塔里木石油指揮部，新疆庫爾勒841000；2.七O三研究所，黑龍江哈爾濱150036）0前言眾所周知，大氣溫度對于燃氣輪機的工作性能有很大的影響。以MARS-100燃氣輪機發(fā)電機組為例，15C時機組在塔里木油田輪南現(xiàn)場的出力為9040kW，熱耗率為11727kJ/kWh,排氣溫度為485C；當氣溫升到40C時，機組的出力為7630kW,熱耗率為12314kJ/kWh,排氣溫度為507C。這就是說，燃機的進氣溫度升高了25C,機組的出力下降了15.37%,熱耗上升了5%，排氣溫度升高

2、了22C。表1和圖1是MARS-100燃氣輪機發(fā)電機組在輪南現(xiàn)場的溫度特性。拿1MRSMOD機爼泯摩住償帳據(jù)衰f合間起走fid砒1251弘愉出功審J?_36S5沖E26379K7血T2EK11156211bOff114MJ1727LLTD3ISTSJ9TDIL2i1?Ml13-5471_31HL伽IB8IMHJ15ft751-1燃機的這種溫度特性常常與人們的需要相違背：大氣溫度越高，電網(wǎng)的電量需求越大而燃機的實際出力又越小。為了提高燃機在高溫季節(jié)的實際出力，比較有效的辦法是降低燃機的進氣溫度。這對降低燃機的熱耗，延長機組的使用壽命，也是十分有益的。降低燃機進氣溫度的方法主要有以下兩類：制冷（壓

3、縮式、吸收式）降溫法（如無錫華達電廠的AMS系統(tǒng)）蒸發(fā)冷卻法（濕膜、噴水霧化等）（美國Donaldson公司、AAF公司產(chǎn)品）以上幾種方法都能夠有效地降低燃機的進氣溫度。但是，對于某些特定的地區(qū)、特定的用戶，究竟采用哪種進氣降溫方法最合適，仍有待于進一步研究。兩種進氣冷卻方法比較進氣冷卻的基本原理及設(shè)計依據(jù)空氣冷卻降溫的熱力計算基礎(chǔ)是濕空氣的焓-濕圖（h-3圖）。圖2是濕空氣在某大氣壓下的實際焓-濕圖。根據(jù)濕空氣在降溫過程中焓-濕的變化過程，降溫方法基本可以分成兩大類：一種是依靠冷凍熱交換來降溫的“等濕冷卻法”和“去濕冷卻法”。冷卻過程中濕空氣從“A”點先沿等濕線垂直向下移動，進行等濕冷卻；當

4、達到露點溫度tDP后，若溫度繼續(xù)降低，則工作點沿露點溫度線向偏左方向移動，進行去濕冷卻，直到設(shè)計的溫度點，整個過程中焓值都在變化，這類降溫方法可以統(tǒng)稱為“冷凍換熱法”。無錫華達電廠的AMS空氣系統(tǒng)即屬于這一類。另一種是利用水的自然蒸發(fā)來實現(xiàn)空氣降溫的“蒸發(fā)冷卻法”。它是利用水在蒸發(fā)過程中吸收空氣中的顯熱來達到空氣降溫的目的：向空氣中不斷噴水加濕，水霧會自然蒸發(fā)。隨著濕空氣相對濕度的提高，濕空氣的干球溫度會自然下降，當相對濕度達到100%時，這種蒸發(fā)降溫的過程即自然停止，這時濕空氣的干球溫度達到或接近濕空氣在新的水蒸氣壓力條件下的露點溫度tDP。由于整個降溫過程是沿濕空氣的“等焓線”向下偏右方向

5、移動，所以這種方法被稱之為“等焓蒸發(fā)冷卻法”，簡稱“蒸發(fā)冷卻法”。美國Donalson公司的Kool系列濕膜蒸發(fā)冷卻器就是利用這種原理制成的燃機空氣蒸發(fā)冷卻器。分析圖2，我們不難發(fā)現(xiàn)：冷凍換熱降溫法要消耗一定的外功，但降溫幅度較大；蒸發(fā)冷卻法幾乎不消耗外功，但降溫幅度小，且降溫效果受空氣相對濕度的影響較大。我國西部地區(qū)夏季干燥炎熱，嚴重缺水。以塔里木油田輪南地區(qū)為例，夏季氣溫常常高于40C,相對濕度在10%左右。塔中、吐魯番等地的夏季最高氣溫在50C以上，相對濕度接近0%。在這種大氣條件下采用哪種燃機進氣冷卻方式最合適？只有通過定量的計算分析，才會有比較準確的認識。針對輪南燃機電站的具體條件，

6、我們的設(shè)計依據(jù)是：（1）3X10.6MWMARS-100機組，在11=20C時燃機的空氣質(zhì)量流速Gy=130200kg（干）/h設(shè)計點A,空氣干球溫度ta=40C,屮1=10%60%降溫幅度At二ta-11=20C（t1為燃機入口溫度）當?shù)卮髿鈮篜b=902X102Pa燃機允許攜水率：廠商規(guī)定1.7gpm(368kg/h)BMPs抵購白曲壓力0515203054i&Pb.t-dOL令i巧D%Qi“釦u13a1!3J23J./r仙w2E-30W30閒相g1L53282M10IW岀“kF:IL53.5aoW02卄130.Z3iD.1ftL24.2Wl70IB2.791.2ks、J11Va01WJ2

7、025冷凍換熱法基本設(shè)計參數(shù)當ta=40C,相對濕度分別為10%、30%、60%,t1分別為40C、30C、20C時各種狀態(tài)下冷凍換熱時濕空氣主要熱力參數(shù)的計算結(jié)果如表2所示。表2表明：當Pb=902X102Pa、ta=40C、相對濕度小于30%,ta-11=20C時，冷凍換熱法消耗的總焓H=GyXAh=130200kg/hX(53.5kj/kg33.5kJ/kg)=130200kg/hX(80kj/kg60kj/kg)=260.4X104kj/h=733kW,此時燃機進氣不含水。當ta=40C、屮1=60%,降溫幅度仍為20C時，冷凍換熱法進入去濕冷卻過程，冷凍換熱消耗的總焓H=130200

8、kg/hX(123kj/kg62kj/kg)=794.2X104kj/h=2200kW,此時冷凍換熱不僅能耗急劇增加，而且燃機進氣攜帶冷凝水量為2025kg/h,是機組允許值的6倍，這是不允許的?？紤]一定的設(shè)計余度，每臺機組可選取314X104kj/h溴化鋰制冷機一臺，或兩臺機組選擇628X104kj/h溴化鋰制冷機一臺。這時需冷卻水250500m3/h，燃機進氣壓力損失增加值約250Pa，功率損失4045kW。但當屮1=60%時，降溫幅度只能為10C左右。蒸發(fā)冷卻法基本設(shè)計參數(shù)當Pb=902X102Pa、ta=40C、相對濕度屮1=10%40%條件下，蒸發(fā)冷卻時濕空氣主要熱力參數(shù)的計算結(jié)果如

9、表3所示。5更世冷卻列濕空弐策計第歩嫂A-902-HyPa.也列TO匕一脣狀蔽12-3DZ2.fiJI2110722IM&2023.3:S.?17.5?93：1.5977M.f-5.4141HJHJ4.HE24II価LJ.6612表3表明：當Pb=902X102Pa、ta=40C、屮1=10%，采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，進氣濕度屮2提高至90%95%時，燃機進氣溫度可降低21.222C,此時耗水11071146kg/h，若其他條件不變，屮1=40%時，燃機進氣溫度可降低11.111.6C,此時耗水586612kg/h。安裝濕膜式蒸發(fā)冷卻器后，燃機的進氣壓力損失增加值約250Pa,功率損失4045kW。

10、整個進氣冷卻過程幾乎不消耗外功。噴霧蒸發(fā)冷卻的特點噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)通過以上計算分析，我們不難發(fā)現(xiàn)：在干旱炎熱的地區(qū)為燃機進氣系統(tǒng)選配蒸發(fā)冷卻器，不僅降溫顯著，能夠明顯地提高燃機出力、降低綜合能耗，而且投資省、運行維護簡單但是，目前傳統(tǒng)的濕膜式蒸發(fā)冷卻器體積大，安裝空間常常受到限制；進氣損失較大，常年影響燃機的部分出力；同時蒸發(fā)效率也較低。因此我們根據(jù)蒸發(fā)冷卻的基本原理，設(shè)計了如圖3所示的噴霧蒸發(fā)冷卻器。1-畝應(yīng)？5稱跑3-事斤鎘I術(shù)等即府律ei店止a:亙境河卻器系止的水以水霧狀直接噴入燃機進氣道。在氣流的攪動下，一部分水霧直接蒸發(fā)，使進氣的相對濕度大幅度提高，濕空氣的溫度隨之降低。同時，有部分

11、水霧由于相互碰撞等原因，又形成較大的水滴。為避免這部分水滴進入燃機，在水霧進氣方向設(shè)置一個結(jié)構(gòu)特殊的濕膜式水霧分離器。水滴經(jīng)水霧分離器濾除，直接回流到給水系統(tǒng)。這時，濕空氣又經(jīng)過濕膜的二次蒸發(fā)，進氣的濕度進一步提高，其干球溫度接近露點溫度，從而達到蒸發(fā)冷卻的目的。噴霧蒸發(fā)冷卻技術(shù)要解決的技術(shù)難題要達到工程實用的要求，該項技術(shù)需解決以下幾項技術(shù)關(guān)鍵：、在很短的時間內(nèi)（小于1秒）實現(xiàn)水的絕熱蒸發(fā)，并使進氣的相對濕度達到90%以上。為此，需設(shè)計性能優(yōu)異的噴霧器（噴嘴）。、根據(jù)燃機的功率、進氣的溫度、濕度和大氣壓力適時調(diào)節(jié)噴水量。要既能最大限度提高進氣的相對濕度，又要嚴格控制進入燃機的含水量。、嚴格控

12、制給水的水質(zhì)，防止燃機葉片結(jié)垢。、噴霧蒸發(fā)冷卻器的測量、控制、保護系統(tǒng)必須可靠，結(jié)構(gòu)必須合理，以確保燃機的安全。噴霧蒸發(fā)冷卻器的技術(shù)特點、與北京航空航天大學(xué)合作，研制成功2.02.5MPa的中壓噴嘴，當供水壓力為2.0MPa時，單個噴嘴的額定流量是45kg/h。、控制系統(tǒng)采用SIMENSS7-200可編程控制器，可實現(xiàn)由一臺可編程控制器分別或同時控制三臺機組，畫面顯示的操作平臺使用GP570觸摸屏，重要參數(shù)如溫度、濕度、給水量等用儀表顯示。整個控制系統(tǒng)具有相當?shù)南冗M性。、采用8t/h反滲透水處理裝置使給水達到或超過燃機廠商規(guī)定的給水標準，再經(jīng)過一臺2t/h混床水處理裝置可以同時提供燃機葉片清洗

13、的用水。為了取得一系列工程數(shù)據(jù)，并確保燃機安全,我們首先針對塔中燃機電站TAURUS-6O(ISO：4750kW)燃氣輪機發(fā)電機組，按照進氣量1/11.7的比例，等風(fēng)速、等進氣道長度設(shè)計了一套模擬試驗裝置。該裝置于1999年5月試驗，試驗結(jié)果如表4所示。衰屮瞄霽豆發(fā)遜卻橫擬嘯恰監(jiān)賈試若皓畢按僧盤進口倉度遴口顯度肥口州寒出口矗就圮腎功卑書施熱攣串序加抑現(xiàn)串上zj.鼻丄*MihJ-L-HTirLhAl-I皿+i-Ei/Xij%At；t%強那J0.216.7昭.733.5|S.挽測不岀-J4.7174I3.i*M.755.5113.23楡旳不IB337.916.1IS39t53.67.553池圈車I

14、t444.甘10.32L.5勺M2521S35旳耳SjA223gji27.617.7L0.5從表中數(shù)據(jù)可以看到，試驗結(jié)果與理論計算結(jié)果十分接近。裝于MARS-100機組的噴霧蒸發(fā)冷卻器本體及控制屏實物圖片見圖4、圖5。整套裝置于2000年7月安裝完畢。噴霧蒸發(fā)冷卻器的試驗及運行結(jié)果3.1典型的試驗結(jié)果2000年8月，我國首臺噴霧蒸發(fā)冷卻器在輪南燃機電站MARS-100燃氣輪機發(fā)電機組上進行聯(lián)試驗和商業(yè)試運行，典型的試驗結(jié)果如下：、在溫控線運行時測試結(jié)果使MARS-100燃氣輪機發(fā)電機組維持在最大輸出功率條件下運行(即機組在溫控線下運行)，測量機組最大輸出功率提高值及熱效率提高值，結(jié)果見表5。宕

15、想莊運行訝誡堵算最年鴉大乜反：八喑水磁氓訕澤ZtJS*Wr和2000.4JE.1039.?EJ19】4.9534.*163J2512.06.L汕6D朋.143k326J1021.&、在等溫運行時測試結(jié)果在蒸發(fā)冷卻器投運前使MARS-100機組的輸出功率固定在6000kW左右，這時測量到t5溫度為683C,然后使蒸發(fā)冷卻器投運并維持t5溫度在683C左右不變，測量機組輸出功率提高值和熱效率提高值，結(jié)果見表6。召%腫“.K*i%3142ULL3.616B3-6S4創(chuàng)戌上塔宴匚洛初牛了哦if掛孫扔衛(wèi)朮崔總怵.慎+：岸便的卅關(guān)勇岸血矢仝2*花中址人步執(zhí)當炯從乩附字*收池r氏戟frJ*ivttiBi也士

16、建柴害鼻冑見甘的良IRSHft相對濕度及攜水率有關(guān)分析典型的一組試驗結(jié)果如表7所示。和附3?貳扯冷卻浮攙徒前百懼機咸力.蚊舉劉比衣試奩日期：2D004BLH）一一.ez盲3心V-IfWtj刪.雇詡ypikgK1楓1W%*嗎1m1343H7!4a73f6OSW0021砂2315&JR5OSV23卯比較表1及表7,我們發(fā)現(xiàn)：在ta=tl=40C時，合同規(guī)定燃機出力7630kW，現(xiàn)場實測結(jié)果（機組自動計算并顯示）為7366kW,小于合同規(guī)定值264kW；在11=20C時，合同規(guī)定值為8803kW，現(xiàn)場實測結(jié)果為8985kW,高于合同規(guī)定值182kW。據(jù)此：合同規(guī)定值大氣溫度從40C時降到20C時，機

17、組功率增加15.37%,而實際試驗結(jié)果是燃機tl溫度從39.7C時降到20.1C時，機組功率增加毛值22.91%，遠高于合同規(guī)定值。我們分析產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是：Solar公司在理論計算燃機現(xiàn)場出力時，空氣相對濕度01是按50%，而實際為11.4%，因此進氣質(zhì)量流速相差2550kg/h，輸出功率由此而降低；同理，當t1溫度降至20.1C，進氣的相對濕度升至91.84%，進氣質(zhì)量流速比預(yù)計高1300kg/h左右，同時，又有226.5kg/h的攜水進入壓氣機，在壓氣機內(nèi)進一步氣化降溫。所有這些，都十分有利于燃機實際出力的提高。由此可見,在干旱炎熱的地區(qū),相對濕度的大幅度變化,對燃機的出力也會有

18、較大的影響。噴霧蒸發(fā)冷卻的降溫、升溫曲線燃機在運行中，向燃機進氣道噴入水霧，其降溫過程曲線如圖6所示。停止噴水后，其升溫過程曲線如圖7所示。試驗結(jié)果表明：在向進氣道噴水后進氣的相對濕度是緩慢上升，進氣溫度是同步緩慢下降，達到穩(wěn)定狀態(tài)需要2530分鐘；同樣，停止噴水后，進氣相對濕度是緩慢下降，進氣溫度是同步緩慢上升，達到穩(wěn)定狀態(tài)需要1520分鐘。我們認為，這種溫度升降特性是有利于燃機平穩(wěn)運行的，不會因為突然噴水或突然停止噴水而造成燃機許用功率的突然變化。機組振動、葉片表面等方面檢查在噴霧蒸發(fā)冷卻器投運的過程中，我們密切監(jiān)視機組各級振動的變化情況。機組振動值的變化僅隨輸出功率的變化而變化，均在允許

19、值范圍內(nèi)。我們在分析化驗中間水箱回水水質(zhì)時發(fā)現(xiàn)，當噴霧蒸發(fā)冷卻器投入運行僅一小時左右，中間水箱的給水水質(zhì)的電導(dǎo)率由4.7卩s/cm升高到8.9卩s/cm。電導(dǎo)率的提高顯然是來自進氣中殘留的鹽份。這說明噴霧蒸發(fā)冷卻器的投運也十分有利于燃機進氣的凈化。事后檢查壓氣機、渦輪葉片，所有葉片十分光潔。幾種進氣冷卻方案綜合比較及經(jīng)濟效益分析輪南3X10.6MW燃機電站噴霧蒸發(fā)冷卻器單臺設(shè)備造價73萬元，參考相關(guān)資料，我們將幾種進氣冷卻方案的經(jīng)濟技術(shù)指標綜合如表8所示。幾腫謹汽憐卻克案經(jīng)濟技朮對比宕工圳S-kW11W相對餛度收島功串唐加浄値運廳LJ5|磁活230W-57-S75d19.5250眄爭1hl-95審霽墩北31陽它1聞21EO*佯岀1-論15.5*TnniDr70CS55-6(2.L29J6DW-9325S以輪南燃機電站為例：經(jīng)測算，每年在59月期間，若二臺噴霧蒸發(fā)冷卻器每天平均使用8小時，機組功