进气冷却及冷凝水回收技术在东非地区的应用

李敏锋， 赵东光， 李继刚， 王志刚， 叶　非， 蒋　昊

(上海电力上坦发电有限公司， 上海 200010)



进气冷却及冷凝水回收技术在东非地区的应用

李敏锋， 赵东光， 李继刚， 王志刚， 叶非， 蒋昊

(上海电力上坦发电有限公司， 上海 200010)

摘要：结合东非地区的气象条件、投资、水源等因素，对燃气轮机进气冷却技术及冷凝水回收技术特点、应用范围等进行了比较；并对冷凝水回收技术在东非地区燃气电厂应用进行了分析。结果表明：东非地区采用进气冷却方式主要受大气环境、总投资及水资源的影响。建议在选用进气冷却技术时可综合考虑冷凝水回收，既可提高燃气轮机效率又节能环保。

关键词：燃气轮机； 进气冷却； 冷凝水回收； 节能

东非地区由于水源不足使市政供水短缺，且海水淡化投资较高，所以大部分燃气电厂采用单循环机组。由于单循环燃气轮机(简称燃机)实际效率不到40%，燃机进气冷却技术因此得到广泛应用。进气冷却技术最早应用在美国密歇根一家电厂[1]，通过降低环境温度提高燃机效率及功率，国内外对此进行了大量的研究[2-9]。以GE公司的9E型燃机为例，当温度由15 ℃上升到35 ℃时，燃机的功率下降到ISO工况的87.5%左右，热耗率增加3%～4%[2]。

采用燃机进气冷却技术不仅可以提高燃机效率，还可冷却空气中的水分作为冷凝水加以处理回收利用[10]，并结合空调冷凝水回收，从而在获得水源的同时也能节能环保。笔者对进气冷却技术在东非地区的应用进行了分析，并综合分析了进气冷却冷凝水回收技术的可行性，为实际工程应用提供参考。

1燃机进气冷却方式及其比较

1.1 进气冷却方式

进气冷却主要有直接和间接接触式冷却。直接接触式冷却主要有喷雾、湿冷蒸发式冷却等。湿冷蒸发式冷却主要利用水在蒸发过程中吸收空气中的潜热来达到降低周围空气温度。Cortes[3]研究表明，湿冷式制冷方法可提高14%的出力，而年运行维护费用为安装费用的3%～5%。Dawoud等[4]对GE 6B机组在OMAN应用实例表明该制冷方式年用水量为14 085 t。因此对于水源紧张地区的燃气电厂采用湿冷制冷方法不太适用。

间接接触式冷却主要有吸收制冷、压缩制冷、冰蓄冷制冷以及LNG冷能利用等方式。Mohanty和Paloso[5]对曼谷某100 MW燃机机组采用双效溴化锂吸收式制冷系统，研究表明进气温度可降至15 ℃，总输出功率增加11%。Al-Bortmany[6]讨论利用燃机排气余热使用氨吸收制冷系统，两台燃机进气温度降低至7 ℃，分别增加输出功率20%和14%。压缩式制冷因系统简单，投资小，可获得较低的制冷温度。冰蓄冷冷却使用机械或电驱动压缩制冷设备，在负荷低谷制冰蓄冷，负荷高峰利用蓄冷冷却进气[2]。Ameri等[7]研究冰蓄冷冷却系统可将环境温度从45 ℃降低至7.2 ℃，增加13.6%的发电量，但是初始投资成本太大。Al-Ibrahim和Varnham[8]认为冰蓄冷冷却系统在水源紧缺区域可很好应用。LNG冷能的利用适用炎热干燥的地区，需要有LNG接受站[9]。LNG气化释放大量冷能，冷能不能直接传递给进口空气，需要通过中间载冷剂经过两级冷却器才能传递[2]。

1.2 进气冷却方式比较

进气冷却方式的选择受多种因素的影响，几种常见的冷却方式的适用范围及优缺点对比见表1。根据表1结合当地气象条件及具体工程，可选择合适的进气冷却方式。东非地区由于年平均温度高，湿度较大，且水源紧缺，总投资有限，常采用单循环机组。大部分单循环机组采用压缩式制冷来提高燃机的效率，蒸发式制冷应用在局部湿度不大且水源充足的地区。

表1　进气冷却方式对比

2冷凝水回收及其应用

2.1 进气冷却冷凝水回收及应用

进气冷却冷凝水率主要受进口空气温度和湿度、出口空气温度和湿度等影响。文献[10]对冷凝水率影响因素的分析表明，进口空气温度对冷凝水率的影响最大，出口空气温度与进口空气湿度对冷凝水率的影响大致相当，明显低于进口空气温度对冷凝水率的影响。

东非某电厂有3台LM6000燃机单循环空冷机组，采用了机械压缩式制冷对进气进行冷却，其系统图见图1。

该厂每台机组的燃机进气冷却系统采用六个水冷柜，将冷却后的闭式循环水引入燃机进气冷却器，产生的冷凝水被收集到20 t冷凝水箱，负责对该厂两个容量分别为120 t原水箱和360 t消防水箱的补水；当地年平均气温26.0 ℃，年平均相对湿度为75.0%，年运行小时数为7 446 h，在当地工况下每台燃机每小时可制水0.5 t，3台机组运行一天可收满36 t。目前该电厂的主要水源为进气冷却系统的冷凝水。该厂燃机进汽冷凝水回收除能满足消防、日常生产、场内清洗、绿化浇灌及生活用水和对水箱进行补水的用途外，尚有大量剩余水白白流入厂区雨水沟直接排放至附近河道。

该厂进气冷却冷凝水回收步骤如下：

(1) 系统正常运行时6台冷水机组同时投入运行，其流程见图2。冷冻水通过循环水泵输送至燃机进口处的冷却盘管冷却空气，并由此得到空气中的凝结水。冷水机组冷冻水出口设计温度为不低于7 ℃，冷冻水经过盘管后最大设计温差为5 K，冷冻水回水设计温度为不高于12 ℃，并送回至冷水机组，再由冷水机组制成设计温度不低于7 ℃的冷冻水。

(2) 系统运行时，室外空气通过冷却盘管后设计温降为10 K。

(3) 燃机进口冷却后空气温度的控制主要靠调节进入冷却盘管的冷冻水流量(冷冻水流量的调节通过盘管入口处的电动分流三通调节阀调节)。

此外还要做到：

(1)在整个冷冻水系统运行过程中，需设置1套定压系统(见图3)来控制水系统的运行压力。

(2) 为防止盐雾腐蚀冷却盘管，采用不锈钢材质，仅在盘管两端连接处采用铜管。

(3) 为保证空气中的凝结水不进入燃烧器，在盘管后增设了离心式气水分离器。

(4) 为保证气流均匀及清洁，在冷却盘管前增设了均流段及过滤器。

2.2 空调冷凝水回收技术

空调冷凝水因流经空调蒸发器或风机盘管的空气表面温度低于露点温度，使空气中的水蒸气冷凝成凝结水[11]。空调冷凝水可作为水资源向冷却塔补水、消防用水及绿化灌溉用水。空调冷凝水温通常在10～15 ℃，如果利用冷凝水的蒸发潜热，设计冷凝水回收系统[12](见图4)不仅可以改善冷凝器的传热效果，降低空调能耗，同时又可以解决空调冷凝水排放对环境造成的污染现象。因此该技术可适用于大型电厂空调长期运行的集控室及办公室。

3燃气电厂应用实例

对于东非地区某拟建9E级单循环机组燃气电厂，厂址所在地区全年气温高且变化不大，采用燃机进气冷却具有一定经济效益，且进气冷却还可回收冷凝水作为单循环机组的主要水源。

3.1 进气冷却方式选择及主要性能分析

该厂位于温度高、相对湿度大、水源缺乏的地区。根据前述的进气冷却方式对比可知，蒸发式制冷因湿度、水源不满足要求；吸收式制冷不适用于简单循环；该地区无LNG站， LNG制冷方式无法实现；冰蓄冷制冷方式因投资占地大也不经济。机械压缩式制冷适用于温度高、湿度大地区，可以获得较低制冷温度，提高出力，因此该厂采用机械制冷系统(见图1)。

在ISO工况下，燃机的总出力为257.3 MW，热耗为10 502 kJ/(kW·h)，燃机的效率为34.3%。当地年平均气温约26 ℃，年平均相对湿度约为75%，根据该条件对9E单循环机组采用进气冷却前后的性能指标分析见表2。

表2　当地工况下采用进气冷却前后的性能指标分析

根据当地的标准购售电协议，年平均利用7 446 h。由表2可知：采用进气冷却后燃机总出力、年发电量增加了3.1%，热耗下降了0.4%，但厂用电率从1.2%增加到3.6%。尽管采用机械压缩式制冷方式后厂用电率大大增加，但由于当地采用的两部制电价模式，并不是发电越多经济效益越好。因此采用机械制冷系统提高燃机出力，同时可回收冷凝水作为单循环机组的主要水源。

3.2 冷凝水回收设计

机械压缩式制冷系统与燃机的对应配置关系可采用一对一或一对多形式，进气经过滤后与载有冷媒(二次冷冻水)的冷却盘管接触后，进气中的水蒸气温度骤降，从而产生冷凝水。其主要模块有制冷站模块(含制冷机、一次冷冻泵及冷凝泵等)、二次冷冻泵模块、散热器、空气过滤器、冷却盘管及控制系统等(见图5)。该系统设计通过机械压缩制冷可以将进气温度降至较低的温度，将大气中的水蒸气冷却成冷凝水回收到冷凝水水箱。

每套单循环燃机机组设计闭式冷却水量为470 t/h；取闭式冷却水补水量为冷却水量的0.2%，即每套单循环闭式冷却水补水量1 t/h，两套燃机机组补水量共计2 t/h。当燃机在当地现场气象条件基本负荷下运行，厂家提供的进气冷却系统最低制水量为3.5 t/h，可满足闭式冷却水补充用水量要求。

考虑将集控室、办公大楼中央空调等空调冷凝水回收，按当地气象条件(室外计算干球温度为33.1 ℃，室外计算湿球温度为28.3 ℃，空气中的含湿量为0.022 8，空气焓值为92 kJ/kg；室内设计温度为26 ℃，室内相对湿度为50%，空气中的含湿量为0.010 62，空气焓值为53.3 kJ/kg)，经过盘管后空气处理点参数：室内设计温度为16.4 ℃，室内相对湿度为90%，空气中的含湿量为0.010 62，空气焓值为43.5 kJ/kg，可得1 kW 的冷负荷所能得到的空调凝结水量为0.4 kg/h，每天空调凝结水最大回收量为3.2 t，全年空调凝结水最大回水量为860 t。

因此，进气冷却冷凝水及空调冷凝水经水处理装置处理后作为单循环机组的主要水源是可行的，可实现电厂的节能环保及水资源的综合利用。

4结语

笔者对燃机进气冷却技术及冷凝水回收技术特点、应用范围进行了对比分析表明：在东非地区，综合考虑气象条件、投资及水源等因素，采用压缩制冷进气冷却方式制水是可行的，并结合冷凝水回收技术，回收冷凝水供冷却塔补充水源、消防、绿化灌溉及清洁用水，从而既能提高燃机效率又能节能环保。

参考文献：

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[10] 郑家衡，胡远涛．燃气轮机进气冷却的影响因素与冷凝水量分析[J]．华东电力，2014，42(6)：1238-1240.

[11] 韩宝琦．制冷空调原理及应用[M]．北京：机械工业出版社，1996.

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Application of Inlet Air Cooling and Condensate Water Recovery Technology in East Africa

Li Minfeng, Zhao Dongguang, Li Jigang, Wang Zhigang, Ye Fei, Jiang Hao

(Shangtan Power Generation Co., Ltd., Shanghai Electric Power Co., Ltd., Shanghai 200010, China)

Abstract：The features of gas turbine inlet air cooling and condensate water recovery technology as well as their application range in East Africa were compared according to the factors of meteorological condition, capital investment and the source of water, etc., while the feasibility of the condensate water recovery technology applied in the gas turbine power plant was studied. Results show that reasonable inlet air cooling technology should be chosen in consideration of variety of factors like meteorological condition, total investment and water source in East Africa. The condensate water recovery technology is recommended when the inlet air cooling technology is adopted, so as to not only improve the gas turbine efficiency, but also achieve the purpose of energy conservation and environmental protection.

Keywords：gas turbine; inlet air cooling; condensate water recovery; energy conservation

中图分类号：TK477

文献标志码：A

文章编号：1671-086X(2016)02-0088-04

作者简介：李敏锋(1983—)，男，工程师，主要从事火电工程技术及管理工作。E-mail: liminfeng001@163.com

收稿日期：2015-08-17