噴霧蒸發(fā)冷卻技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)上的應(yīng)用

1、噴霧蒸發(fā)冷卻技術(shù)在燃?xì)廨啓C(jī)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(jiǎn)2，許盛凱2（1.塔里木石油指揮部，新疆庫(kù)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(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)的工作性能有很大的影響。以MARS-100燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組為例，15C時(shí)機(jī)組在塔里木油田輪南現(xiàn)場(chǎng)的出力為9040kW，熱耗率為11727kJ/kWh,排氣溫度為485C；當(dāng)氣溫升到40C時(shí)，機(jī)組的出力為7630kW,熱耗率為12314kJ/kWh,排氣溫度為507C。這就是說(shuō)，燃機(jī)的進(jìn)氣溫度升高了25C,機(jī)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?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組在輪南現(xiàn)場(chǎng)的溫度特性。拿1MRSMOD機(jī)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(jī)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(jī)的實(shí)際出力又越小。為了提高燃機(jī)在高溫季節(jié)的實(shí)際出力，比較有效的辦法是降低燃機(jī)的進(jìn)氣溫度。這對(duì)降低燃機(jī)的熱耗，延長(zhǎng)機(jī)組的使用壽命，也是十分有益的。降低燃機(jī)進(jìn)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(wú)錫華達(dá)電廠的AMS系統(tǒng)）蒸發(fā)冷卻法（濕膜、噴水霧化等）（美國(guó)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(jī)的進(jìn)氣溫度。但是，對(duì)于某些特定的地區(qū)、特定的用戶，究竟采用哪種進(jìn)氣降溫方法最合適，仍有待于進(jìn)一步研究。兩種進(jìn)氣冷卻方法比較進(jìn)氣冷卻的基本原理及設(shè)計(jì)依據(jù)空氣冷卻降溫的熱力計(jì)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(shí)際焓-濕圖。根據(jù)濕空氣在降溫過(guò)程中焓-濕的變化過(guò)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(lái)降溫的“等濕冷卻法”和“去濕冷卻法”。冷卻過(guò)程中濕空氣從“A”點(diǎn)先沿等濕線垂直向下移動(dòng)，進(jìn)行等濕冷卻；當(dāng)

4、達(dá)到露點(diǎn)溫度tDP后，若溫度繼續(xù)降低，則工作點(diǎn)沿露點(diǎn)溫度線向偏左方向移動(dòng)，進(jìn)行去濕冷卻，直到設(shè)計(jì)的溫度點(diǎn)，整個(gè)過(guò)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(wú)錫華達(dá)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(lái)實(shí)現(xiàn)空氣降溫的“蒸發(fā)冷卻法”。它是利用水在蒸發(fā)過(guò)程中吸收空氣中的顯熱來(lái)達(dá)到空氣降溫的目的：向空氣中不斷噴水加濕，水霧會(huì)自然蒸發(fā)。隨著濕空氣相對(duì)濕度的提高，濕空氣的干球溫度會(huì)自然下降，當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到100%時(shí)，這種蒸發(fā)降溫的過(guò)程即自然停止，這時(shí)濕空氣的干球溫度達(dá)到或接近濕空氣在新的水蒸氣壓力條件下的露點(diǎn)溫度tDP。由于整個(gè)降溫過(guò)程是沿濕空氣的“等焓線”向下偏右方向

5、移動(dòng)，所以這種方法被稱之為“等焓蒸發(fā)冷卻法”，簡(jiǎn)稱“蒸發(fā)冷卻法”。美國(guó)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(jī)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(duì)濕度的影響較大。我國(guó)西部地區(qū)夏季干燥炎熱，嚴(yán)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(duì)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(duì)濕度接近0%。在這種大氣條件下采用哪種燃機(jī)進(jìn)氣冷卻方式最合適？只有通過(guò)定量的計(jì)算分析，才會(huì)有比較準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。針對(duì)輪南燃機(jī)電站的具體條件，

6、我們的設(shè)計(jì)依據(jù)是：（1）3X10.6MWMARS-100機(jī)組，在11=20C時(shí)燃機(jī)的空氣質(zhì)量流速Gy=130200kg（干）/h設(shè)計(jì)點(diǎn)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(jī)入口溫度）當(dāng)?shù)卮髿鈮篜b=902X102Pa燃機(jī)允許攜水率：廠商規(guī)定1.7gpm(368kg/h)BMPs抵購(gòu)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(jì)參數(shù)當(dāng)ta=40C,相對(duì)濕度分別為10%、30%、60%,t1分別為40C、30C、20C時(shí)各種狀態(tài)下冷凍換熱時(shí)濕空氣主要熱力參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如表2所示。表2表明：當(dāng)Pb=902X102Pa、ta=40C、相對(duì)濕度小于30%,ta-11=20C時(shí)，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(shí)燃機(jī)進(jìn)氣不含水。當(dāng)ta=40C、屮1=60%,降溫幅度仍為20C時(shí)，冷凍換熱法進(jìn)入去濕冷卻過(guò)程，冷凍換熱消耗的總焓H=130200

8、kg/hX(123kj/kg62kj/kg)=794.2X104kj/h=2200kW,此時(shí)冷凍換熱不僅能耗急劇增加，而且燃機(jī)進(jìn)氣攜帶冷凝水量為2025kg/h,是機(jī)組允許值的6倍，這是不允許的。考慮一定的設(shè)計(jì)余度，每臺(tái)機(jī)組可選取314X104kj/h溴化鋰制冷機(jī)一臺(tái)，或兩臺(tái)機(jī)組選擇628X104kj/h溴化鋰制冷機(jī)一臺(tái)。這時(shí)需冷卻水250500m3/h，燃機(jī)進(jìn)氣壓力損失增加值約250Pa，功率損失4045kW。但當(dāng)屮1=60%時(shí)，降溫幅度只能為10C左右。蒸發(fā)冷卻法基本設(shè)計(jì)參數(shù)當(dāng)Pb=902X102Pa、ta=40C、相對(duì)濕度屮1=10%40%條件下，蒸發(fā)冷卻時(shí)濕空氣主要熱力參數(shù)的計(jì)算結(jié)果如

9、表3所示。5更世冷卻列濕空弐策計(jì)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(dāng)Pb=902X102Pa、ta=40C、屮1=10%，采用蒸發(fā)冷卻技術(shù)，進(jìn)氣濕度屮2提高至90%95%時(shí)，燃機(jī)進(jìn)氣溫度可降低21.222C,此時(shí)耗水11071146kg/h，若其他條件不變，屮1=40%時(shí)，燃機(jī)進(jìn)氣溫度可降低11.111.6C,此時(shí)耗水586612kg/h。安裝濕膜式蒸發(fā)冷卻器后，燃機(jī)的進(jìn)氣壓力損失增加值約250Pa,功率損失4045kW。

10、整個(gè)進(jìn)氣冷卻過(guò)程幾乎不消耗外功。噴霧蒸發(fā)冷卻的特點(diǎn)噴霧蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)通過(guò)以上計(jì)算分析，我們不難發(fā)現(xiàn)：在干旱炎熱的地區(qū)為燃機(jī)進(jìn)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(jī)出力、降低綜合能耗，而且投資省、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)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(jìn)氣損失較大，常年影響燃機(jī)的部分出力；同時(shí)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(jì)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(jī)進(jìn)氣道。在氣流的攪動(dòng)下，一部分水霧直接蒸發(fā)，使進(jìn)氣的相對(duì)濕度大幅度提高，濕空氣的溫度隨之降低。同時(shí)，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(jìn)入燃機(jī)，在水霧進(jìn)氣方向設(shè)置一個(gè)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(shí)，濕空氣又經(jīng)過(guò)濕膜的二次蒸發(fā)，進(jìn)氣的濕度進(jìn)一步提高，其干球溫度接近露點(diǎn)溫度，從而達(dá)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(dá)到工程實(shí)用的要求，該項(xiàng)技術(shù)需解決以下幾項(xiàng)技術(shù)關(guān)鍵：、在很短的時(shí)間內(nèi)（小于1秒）實(shí)現(xiàn)水的絕熱蒸發(fā)，并使進(jìn)氣的相對(duì)濕度達(dá)到90%以上。為此，需設(shè)計(jì)性能優(yōu)異的噴霧器（噴嘴）。、根據(jù)燃機(jī)的功率、進(jìn)氣的溫度、濕度和大氣壓力適時(shí)調(diào)節(jié)噴水量。要既能最大限度提高進(jìn)氣的相對(duì)濕度，又要嚴(yán)格控制進(jìn)入燃機(jī)的含水量。、嚴(yán)格控

12、制給水的水質(zhì)，防止燃機(jī)葉片結(jié)垢。、噴霧蒸發(fā)冷卻器的測(cè)量、控制、保護(hù)系統(tǒng)必須可靠，結(jié)構(gòu)必須合理，以確保燃機(jī)的安全。噴霧蒸發(fā)冷卻器的技術(shù)特點(diǎn)、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(dāng)供水壓力為2.0MPa時(shí)，單個(gè)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(shí)現(xiàn)由一臺(tái)可編程控制器分別或同時(shí)控制三臺(tái)機(jī)組，畫(huà)面顯示的操作平臺(tái)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(gè)控制系統(tǒng)具有相當(dāng)?shù)南冗M(jìn)性。、采用8t/h反滲透水處理裝置使給水達(dá)到或超過(guò)燃機(jī)廠商規(guī)定的給水標(biāo)準(zhǔn)，再經(jīng)過(guò)一臺(tái)2t/h混床水處理裝置可以同時(shí)提供燃機(jī)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(jī)安全,我們首先針對(duì)塔中燃機(jī)電站TAURUS-6O(ISO：4750kW)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，按照進(jìn)氣量1/11.7的比例，等風(fēng)速、等進(jìn)氣道長(zhǎng)度設(shè)計(jì)了一套模擬試驗(yàn)裝置。該裝置于1999年5月試驗(yàn)，試驗(yàn)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(pán)進(jìn)口倉(cāng)度遴口顯度肥口州寒出口矗就圮腎功卑書(shū)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(qiáng)那J0.216.7昭.733.5|S.挽測(cè)不岀-J4.7174I3.i*M.755.5113.23楡旳不IB337.916.1IS39t53.67.553池圈車(chē)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(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果十分接近。裝于MARS-100機(jī)組的噴霧蒸發(fā)冷卻器本體及控制屏實(shí)物圖片見(jiàn)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(yàn)及運(yùn)行結(jié)果3.1典型的試驗(yàn)結(jié)果2000年8月，我國(guó)首臺(tái)噴霧蒸發(fā)冷卻器在輪南燃機(jī)電站MARS-100燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組上進(jìn)行聯(lián)試驗(yàn)和商業(yè)試運(yùn)行，典型的試驗(yàn)結(jié)果如下：、在溫控線運(yùn)行時(shí)測(cè)試結(jié)果使MARS-100燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組維持在最大輸出功率條件下運(yùn)行(即機(jī)組在溫控線下運(yùn)行)，測(cè)量機(jī)組最大輸出功率提高值及熱效率提高值，結(jié)果見(jiàn)表5。宕

15、想莊運(yùn)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(yùn)行時(shí)測(cè)試結(jié)果在蒸發(fā)冷卻器投運(yùn)前使MARS-100機(jī)組的輸出功率固定在6000kW左右，這時(shí)測(cè)量到t5溫度為683C,然后使蒸發(fā)冷卻器投運(yùn)并維持t5溫度在683C左右不變，測(cè)量機(jī)組輸出功率提高值和熱效率提高值，結(jié)果見(jiàn)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(dāng)炯從乩附字*收池r氏戟frJ*ivttiBi也士

16、建柴害鼻冑見(jiàn)甘的良IRSHft相對(duì)濕度及攜水率有關(guān)分析典型的一組試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。和附3?貳扯冷卻浮攙徒前百懼機(jī)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(shí)，合同規(guī)定燃機(jī)出力7630kW，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果（機(jī)組自動(dòng)計(jì)算并顯示）為7366kW,小于合同規(guī)定值264kW；在11=20C時(shí)，合同規(guī)定值為8803kW，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)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(shí)降到20C時(shí)，機(jī)

17、組功率增加15.37%,而實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果是燃機(jī)tl溫度從39.7C時(shí)降到20.1C時(shí)，機(jī)組功率增加毛值22.91%，遠(yuǎn)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(jì)算燃機(jī)現(xiàn)場(chǎng)出力時(shí)，空氣相對(duì)濕度01是按50%，而實(shí)際為11.4%，因此進(jìn)氣質(zhì)量流速相差2550kg/h，輸出功率由此而降低；同理，當(dāng)t1溫度降至20.1C，進(jìn)氣的相對(duì)濕度升至91.84%，進(jìn)氣質(zhì)量流速比預(yù)計(jì)高1300kg/h左右，同時(shí)，又有226.5kg/h的攜水進(jìn)入壓氣機(jī)，在壓氣機(jī)內(nèi)進(jìn)一步氣化降溫。所有這些，都十分有利于燃機(jī)實(shí)際出力的提高。由此可見(jiàn),在干旱炎熱的地區(qū),相對(duì)濕度的大幅度變化,對(duì)燃機(jī)的出力也會(huì)有

18、較大的影響。噴霧蒸發(fā)冷卻的降溫、升溫曲線燃機(jī)在運(yùn)行中，向燃機(jī)進(jìn)氣道噴入水霧，其降溫過(guò)程曲線如圖6所示。停止噴水后，其升溫過(guò)程曲線如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：在向進(jìn)氣道噴水后進(jìn)氣的相對(duì)濕度是緩慢上升，進(jìn)氣溫度是同步緩慢下降，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要2530分鐘；同樣，停止噴水后，進(jìn)氣相對(duì)濕度是緩慢下降，進(jìn)氣溫度是同步緩慢上升，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要1520分鐘。我們認(rèn)為，這種溫度升降特性是有利于燃機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行的，不會(huì)因?yàn)橥蝗粐娝蛲蝗煌Ｖ箛娝斐扇紮C(jī)許用功率的突然變化。機(jī)組振動(dòng)、葉片表面等方面檢查在噴霧蒸發(fā)冷卻器投運(yùn)的過(guò)程中，我們密切監(jiān)視機(jī)組各級(jí)振動(dòng)的變化情況。機(jī)組振動(dòng)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?cè)诜治龌?yàn)中間水箱回水水質(zhì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴霧蒸發(fā)冷卻器投入運(yùn)行僅一小時(shí)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(lái)自進(jìn)氣中殘留的鹽份。這說(shuō)明噴霧蒸發(fā)冷卻器的投運(yùn)也十分有利于燃機(jī)進(jìn)氣的凈化。事后檢查壓氣機(jī)、渦輪葉片，所有葉片十分光潔。幾種進(jìn)氣冷卻方案綜合比較及經(jīng)濟(jì)效益分析輪南3X10.6MW燃機(jī)電站噴霧蒸發(fā)冷卻器單臺(tái)設(shè)備造價(jià)73萬(wàn)元，參考相關(guān)資料，我們將幾種進(jìn)氣冷卻方案的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)綜合如表8所示。幾腫謹(jǐn)汽憐卻克案經(jīng)濟(jì)技朮對(duì)比宕工圳S-kW11W相對(duì)餛度收島功串唐加浄値運(yùn)廳LJ5|磁活230W-57-S75d19.5250眄爭(zhēng)1hl-95審霽墩北31陽(yáng)它1聞21EO*佯岀1-論15.5*TnniDr70CS55-6(2.L29J6DW-9325S以輪南燃機(jī)電站為例：經(jīng)測(cè)算，每年在59月期間，若二臺(tái)噴霧蒸發(fā)冷卻器每天平均使用8小時(shí)，機(jī)組功