燃机厂房水喷雾蒸发冷却通风设计浅析

李　唯　王海波　吴国华

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司,　四川　成都　6100412.中国石油吉林油田公司松原采气厂，　吉林　松原　138000



燃机厂房水喷雾蒸发冷却通风设计浅析

李唯1王海波1吴国华2

1.中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司,四川成都6100412.中国石油吉林油田公司松原采气厂，吉林松原138000

摘要：水喷雾蒸发冷却降温技术在干热地区具有明显技术优势,利用干热地区空气湿球温度低的显著特点,在对空气加湿的同时将空气温度降至接近湿球温度,以满足工艺设备的低温要求。以某燃气电站燃机厂房水喷雾蒸发冷却通风设计为实例,分析在干热地区燃机厂房通风系统设计需要注意的问题,提出在干热地区夏季有效降低燃机进气温度、提高燃机效率的方法及适用条件,为燃机厂房及其他厂房设计与建造提供参考。

关键词：干热地区；夏季通风；水喷雾蒸发冷却;设计

0前言

环境温度对燃气发电机组的工作特性有很大影响[1],机组空气进气温度越高,燃机效率越低。中国西北部分地区新建天然气处理厂由于没有外电,需同步建设自备燃气电站。但由于气候干热,夏季工况时燃机发电效率很低,不得不选配更大一级机组,造成设备投资和能源浪费。如何降低燃机空气进气温度、提高燃机效率是干热地区自备燃气电站亟待解决的问题，本文以某燃气电站燃机厂房水喷雾蒸发冷却通风设计为实例进行了分析。

1燃气电站基本情况

某燃气电站地处新疆塔里木盆地塔克拉玛干沙漠中心,是某处理厂的自备电站。该电站采用往复式内燃天然气发电机组,燃机型号为TCG 2032 V 16型。燃气发动机为四冲程十六缸活塞机,V型布置,发动机转速1 000 r/min,压缩比12∶1,机组长9.43 m,宽2.68 m,高4.29 m。发电机组及主要配件由德国公司成套提供,散装进口。燃机厂房长28.8 m,宽25.5 m,高10.5 m,轻钢结构。电站装机容量3×4 000 kW,二用一备,标准工况总供电负荷8 000 kW,现场工况最大供电负荷7 600 kW,2010年9月投入运行。

2设计参数

2.1室外气象参数

塔中地区属典型的温带大陆性气候,冬季严寒,夏季炎热,室外气象参数[2]见表1。

表1塔中地区室外气象参数

气象参数数据气象要素数据年平均气温/℃10.2年平均地温/℃12.4最高气温/℃45.6极端最高地温/℃72.2月平均最高温度/℃38.3年平均大气压值/Pa89400年平均蒸发量/mm2563.8海拔高度/m1075最热月平均相对湿度/(%)10

2.2天然气发电机组设计参数

德国公司提供的数据显示,单台发电机组发动机的室内散热量240 kW,发电机室内散热量83 kW,室内总散热量323 kW；单台燃机助燃空气量20 000 kg/h,通风量195 000 kg/h。燃气发电机组的运行方式二用一备,则机组散发至燃机厂房室内的总热量646 kW,总助燃空气量40 000 kg/h,总通风量390 000 kg/h。

基于塔中地区夏季气温高的室外气象条件,德国公司要求在发电机组正常运行条件下,夏季极端高温(室外温度45.6 ℃)时燃机厂房室内温度必须低于54 ℃,冬季极端低温(室外温度-26.4 ℃)时不低于5 ℃；发电机组停运条件下,燃机厂房室内温度不低于0 ℃。

2.3不同工况条件下的燃机出力

无论是透平式燃气轮机还是往复式内燃机,燃机的现场环境条件对燃机出力影响很大[3]。为使燃机在高温季节取得增加出力、降低能耗的效果,国内外燃机厂商或用户采取了多种空气降温办法对燃机进气降温,取得了不同的使用效果[4-5]。

燃机的额定出力通常是指在ISO工况条件(海拔0 m,环境温度15 ℃)下的正常出力。随着燃机海拔和环境温度升高,燃机出力会显著下降。环境温度的影响主要表现在对燃机进气温度的影响,即在相同海拔条件下,燃机进气温度越高,燃机出力越小。TCG 2032 V 16型往复式内燃天然气发电机组在不同工况条件下的出力见表2。

表2TCG 2032 V 16型往复式内燃天然气发电机组在不同工况条件下的出力

kW

按照德国公司提出的夏季极端高温工况条件下,当室内温度达到54 ℃时,意味着燃机吸气温度(即环境温度)为54 ℃,燃机出力将进一步下降。

3通风系统设计

通风设计的目的是为了确保天然气发电机组及附属设备长期稳定运行,保证设备最大出力。根据德国公司提供的技术参数及相关要求,在夏季极端高温工况条件下,厂房通风量巨大(按照燃机厂房全体积计算,换气次数达到46次/h),同时单台发电机组出力也会大大降低。燃机厂房54 ℃的室内温度既不符合工业企业卫生标准的要求,也无法保证维护人员对备用机组的检修维护,更无法确保发电机组现场仪器仪表的长期稳定运行。

根据塔中地区夏季炎热干燥的独特气象条件,利用干热地区空气湿球温度低的特点,在对空气加湿的同时将空气温度降至接近湿球温度[6],空气温度降低,本质上空气所携带的热量并没有变化[7]。设计中引入水喷雾蒸发冷却通风的理念,大幅降低燃机进气温度,彻底解决燃机厂房夏季室内温度过高问题,将燃机厂房室内温度降低至35 ℃以下,使发电机组在夏季极端高温工况条件下达到最大出力。

3.1空气处理过程

水喷雾蒸发冷却通风系统空气处理过程见图1。

图1　水喷雾蒸发冷却通风系统空气处理过程

3.2通风量计算及校核

燃机厂房通风量计算公式[11]如下：

表3不同气象条件下的空气喷雾蒸发冷却后的参数

相对湿度/(%)室外空气干球温度/℃室外空气热焓/(kJ·kg-1)相对湿度88%后空气温度/℃104882.3923.1145.675.2221.524064.2618.852048107.5327.9945.696.6426.004080.5622.723048133.3232.0945.6118.5429.834097.1226.10

假定燃机厂房室内温度维持在35 ℃,为消除燃机厂房天然气发电机组646 kW余热,则需在不同室外气象条件下计算燃机厂房通风量,见表4。

表4不同室外气象条件下的送风参数及通风量

室外气象参数送风参数温度/℃相对湿度/(%)温度/℃相对湿度/(%)燃机厂房余热/kW通风量/(kg·h-1)45.61021.528864617115340.01018.858864614285745.62026.008864625634940.02022.728864618787845.63029.838864644625640.03026.1088646259229

表4数据表明,在相同干球温度条件下,随着室外空气相对湿度的增加,燃机厂房所需通风量也急剧增加。

2套自洁式空气过滤器+水喷雾蒸发冷却空气处理机组全开时通风量达240 000 m3/h。在夏季极端高温工况条件下,2台天然气发电机组满负荷运转时,燃机厂房内温度不高于33 ℃,单台发电机组满负荷运转时,燃机厂房室内温度不高于28 ℃。为节约能源,避免燃机厂房室内温度降得过低,送风机采用变频控制,在保证提供给发电机组必要的燃烧空气前提下,风机转速可以根据燃机厂房室内温度自动调节。

某燃机厂房通风设备布置平面见图3。

图3　燃机厂房通风系统平面

4结论

水喷雾蒸发冷却通风方式利用空气干湿球温差,将空气显热转变为潜热,空气温度降低,湿度增加,但本质上空气所携带的热量并没有变化。在空气潮湿、干湿球温差较小的南方地区,空气加湿方式对降低空气温度效果不大,不宜采用。另外,即使是在北方干热地区,当设备对室内空气有严格低湿度要求时,水喷雾蒸发冷却通风方式也不宜采用。

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收稿日期：2015-10-29

基金项目：中国石油天然气集团公司工程项目“塔中I 号气田开发试验区10×108 m3/a试采地面建设工程”(S 2007-43 E)

作者简介：李唯(1969-),男,重庆巴县人,高级工程师,国家注册公用设备工程师(动力),学士,现主要从事油气储运、暖通及热工专业设计及管理工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.019