單循環(huán)燃機電站進氣冷卻系統(tǒng)設(shè)計淺議
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摘要：單循環(huán)燃機運行在高氣溫條件時，滿負荷工況下發(fā)電功率和熱效率均快速下降。通過設(shè)置進氣冷卻系統(tǒng)，既可以利用燃機排放煙氣的高溫熱能，又可以顯著提升發(fā)電功率和全廠凈效率。因進氣冷卻系統(tǒng)增加的投資費用，4～6年即可收回成本。
關(guān)鍵詞：單循環(huán)燃機；LM6000PC；進氣冷卻；吸收制冷機組；冷凍水
某南亞國家電力基礎(chǔ)設(shè)施亟待發(fā)展，但面臨著燃煤發(fā)電污染嚴重，天然氣燃料配套設(shè)施缺乏的困境，同步發(fā)展燃油發(fā)電和可再生能源發(fā)電是目前的最優(yōu)決策。根據(jù)電力發(fā)展規(guī)劃，該國家擬在某地擴建燃機電站來替代需退役的燃機機組。由于國家電網(wǎng)結(jié)構(gòu)尚未完善，容納能力受限，電站供電總?cè)萘看_定在105～130MW之間，擴建3臺單循環(huán)燃機，燃料為柴油和天然氣。
1燃機選擇
根據(jù)擴建容量和裝機臺數(shù)要求，以及燃機在ISO工況下燃油時熱效率不低于36%，可選的燃機有GE公司生產(chǎn)的LM6000PC、SIEMENS公司生產(chǎn)的SGT-800和SGT-A65TR。其中SGT-800屬于工業(yè)用燃機，效率較低；LM6000PC和SGT-A65TR屬于航改型燃機，效率高。在主機選型階段，根據(jù)各制造廠的初步配合方案，采用機組的壽命周期運行成本比較法，最終方案選用了LM6000PC燃機。LM6000PC燃機設(shè)置14級高壓和5級低壓壓氣機，壓比29.1，采用進口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)。透平設(shè)置2級高壓和5級低壓透平，軸向排汽。該型燃機可在較低燃料壓力下啟動。燃機現(xiàn)場設(shè)計條件為年平均氣溫30℃、空氣濕度80%，設(shè)計條件下單臺燃機功率為40.2MW，熱耗率8933kJ/kWh，燃機排煙溫度471℃。增大燃機功率和提高效率的方法有設(shè)置進氣冷卻和噴霧中間冷卻，電站淡水資源缺乏，水源為海水，為了減少電站用水量，選用進氣冷卻系統(tǒng)方案，并評估進氣冷卻系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
2帶進氣冷卻系統(tǒng)的設(shè)計方案
2.1系統(tǒng)流程
本項目為單循環(huán)燃機方案，燃機排出的高溫煙氣作為制冷系統(tǒng)的熱能，回收廢熱符合低碳環(huán)保要求，由此確定制冷系統(tǒng)采用煙氣型溴化鋰吸收制冷機組。每臺燃機設(shè)置一套制冷機組，為了簡化系統(tǒng)和便于控制，采用單元制系統(tǒng)。燃機排出的高溫煙氣流經(jīng)高壓發(fā)生器，來自吸收器的溴化鋰稀溶液經(jīng)低溫和高溫換熱器加熱后，依次進入高壓和低壓發(fā)生器被加熱，產(chǎn)生制冷劑蒸氣。制冷劑蒸氣經(jīng)冷凝器冷凝后進入蒸發(fā)器發(fā)生閃蒸相變，同時吸收冷凍液熱量。制冷劑蒸氣進入吸收器，來自低壓發(fā)生器濃溶液被冷卻后噴淋在吸收器管簇，吸收制冷劑蒸氣成為稀溶液。吸收制冷系統(tǒng)流程見圖1。燃機壓氣機進口設(shè)進氣冷卻器，冷凍液將進口空氣冷卻到一定溫度后進入壓氣機。單套制冷系統(tǒng)設(shè)計條件為將氣溫30℃、濕度80%的空氣446.7t/h冷卻到14.5℃、濕度100%，計算制冷量約5520kW，需要煙氣量40t/h和循環(huán)冷卻水1112t/h。冷凍液通常有純水和50%丙二醇溶液二種，南亞國家年均最低氣溫約20℃，無需考慮冷凍液結(jié)冰，故冷凍液選用純水，需要冷凍水流量為427t/h。制冷機組冷卻水可采用海水或者海水淡化后的淡水。海水淡化需要采用二級反滲透系統(tǒng)。海水冷卻方案的冷卻塔和循環(huán)冷卻水泵、管道及相關(guān)附件則需采用耐海水腐蝕材料。設(shè)計條件下，燃機壓氣機進口空氣溫度降到14.5℃、濕度100%時，單臺燃機發(fā)電功率提高到43.333MW，熱耗率為8552kJ/kWh。
2.2制冷機組輔助系統(tǒng)
在方案準備階段，分別按照進氣冷卻+海水冷卻塔方案（方案一）、進氣冷卻+二級反滲透+淡水冷卻塔方案（方案二）開展了方案配合和報價。方案一報價為712萬元/套×3=2136萬元；方案二報價為690萬元/套×3=2070萬元。本電站為擴建機組，原廠并未預(yù)留擴建場地，擬建設(shè)場地是原廠廢棄的132kV配電裝置場地，場地面積十分緊張。方案二投資略低，但是占用場地會大于方案一。此外，方案二中滲透膜需要定期更換，且高壓水泵增加了廠用電耗，運行維護費用較高。因此本項目選用了方案一，即進氣冷卻+海水冷卻塔方案。制冷機組需配套進煙和排煙煙道，排煙煙道經(jīng)引風機接至煙囪，每路煙道上設(shè)一只電動隔絕門。單循環(huán)機組本身耗水量小，增加制冷機組后，原水取水和預(yù)處理系統(tǒng)容量增加約40%，相應(yīng)管道需增大，并需增加工業(yè)水泵至冷卻塔前池、冷卻塔與冷卻水泵之間的供回水管以及各管道上的隔離閥。制冷機組制出的冷凍水送至燃機進氣冷卻器，換熱后回至制冷機組的吸收器，每路管道上設(shè)電動隔離閥。
2.3機組性能指標
不設(shè)置進氣冷卻系統(tǒng)時，設(shè)計條件下單臺燃機功率為40.2MW，熱耗率8933kJ/kWh。3臺燃機總發(fā)電功率為120.6MW。設(shè)置進氣冷卻系統(tǒng)后，設(shè)計條件下單臺燃機發(fā)電功率提高到43.333MW，熱耗率為8552kJ/kWh。3臺燃機總發(fā)電功率為129.999MW。這二種方案對應(yīng)的廠用電量區(qū)別是進氣冷卻系統(tǒng)（包括冷卻塔和冷卻水泵、引風機）、原水取水和預(yù)處理系統(tǒng)，其他電負荷基本相同。廠用電負荷分項統(tǒng)計見表1。不帶進氣冷卻系統(tǒng)的廠用電量是2208kW，廠用電率為1.83%。設(shè)置進氣冷卻系統(tǒng)后，廠用電量共計3133kW，廠用電率為2.41%。因為本項目燃機容量小，且是單循環(huán)機組，進氣冷卻系統(tǒng)電負荷占總廠用電的28.5%，所以廠用電率反而增加了0.58%。PPA協(xié)議規(guī)定電站年利用小時數(shù)是2000h，初期為燃油運行，一旦液化天然氣氣化站建成，燃機轉(zhuǎn)為天然氣運行模式。由于天然氣投入時間并不確定，因此方案比較只基于燃油模式進行，這二種方案的機組性能指標見表2。進氣冷卻系統(tǒng)使發(fā)電功率增加了7.8%，全廠凈效率提高了1.52%，發(fā)電功率提升幅度大于凈效率提升幅度，因此全廠年耗油量呈增加趨勢。
3方案經(jīng)濟性
3.1投資費用比較
單臺LM6000PC燃氣發(fā)電機組，不帶進氣冷卻裝置時價格約16770萬元，帶進氣冷卻裝置后價格約16900萬元。煙氣吸收制冷機組、冷卻塔和水泵組、引風機由制造廠成套提供，單套價格712萬元。制冷機組、冷卻水泵和冷凍水泵組集裝，冷卻塔基礎(chǔ)面標高高于制冷機組基礎(chǔ)面2m，引風機靠近制冷機組。在燃機和進氣制冷機組之間設(shè)置進/排煙煙道和隔離門、冷凍水管道和閥門。冷卻塔和冷卻水泵之間設(shè)置循環(huán)冷卻水供排水管道及閥門。二種方案投資費用明細比較見表3。設(shè)置進氣冷卻系統(tǒng)后，全廠總投資費用需增加3207萬元。
3.2年運行費用和收益比較
設(shè)置進氣冷卻后，年耗油量將增加，由此可見年燃料費用將增加。當?shù)夭裼蛢r格為0.638美元/kg，美元/人民幣匯率按6.5計算時，帶進氣冷卻系統(tǒng)時年燃油費用為21486萬元，不帶進氣冷卻系統(tǒng)時年燃油費用是20821萬元。即設(shè)置進氣冷卻系統(tǒng)后，每年將增加燃油費用665萬元。設(shè)置進氣冷卻后顯著提升了機組功率，年供電量增加0.169億kWh。根據(jù)當?shù)夭裼蛢r格計算出燃油成本電價是0.847元/kWh，再考慮折舊、財務(wù)費用、凈利潤和稅等，該電站含稅上網(wǎng)電價不應(yīng)低于1.1元/kWh，每年售電收益可增加1859萬元?？鄢耆加唾M用增加額后，年售電凈收益增加1194萬元。
3.3結(jié)論
單循環(huán)燃機排出高溫煙氣的部分熱能被進氣冷卻系統(tǒng)利用，煙氣熱能利用率9%，進氣冷卻系統(tǒng)使發(fā)電功率提升了7.8%，全廠凈效率提高了1.52%。進氣冷卻系統(tǒng)使得年售電凈收益增加1194萬元，為此增加的3207萬元投資在第4年初即可收回成本。當含稅電價在1.0元/kWh時，年售電凈收益增加1025萬元，大約在第5年初可收回成本。
4結(jié)束語
單循環(huán)燃機設(shè)置進氣冷卻系統(tǒng)大幅提高了發(fā)電功率，但是凈效率提高幅度小。當進氣冷卻系統(tǒng)應(yīng)用于聯(lián)合循環(huán)機組時，制冷抽走的熱能使汽輪機組功率減小，發(fā)電功率提升幅度遠小于單循環(huán)機組。全廠凈效率會下降，氣溫越高，凈效率下降得越多。因此，進氣冷卻系統(tǒng)適合于應(yīng)用在常年高溫地區(qū)的單循環(huán)機組。對于聯(lián)合循環(huán)機組，若電網(wǎng)允許機組多發(fā)電，才可以考慮設(shè)置進氣冷卻系統(tǒng)。
作者:汪海玲 周武 葉慧蓉 單位:中國電力建設(shè)工程咨詢中南有限公司 中國機械設(shè)備工程股份有限公司