解决空冷机组夏季出力受阻问题的措施

徐 静，闫 军

（1.鄂尔多斯职业学院，内蒙古鄂尔多斯 017000；2.内蒙古蓝拓环境科技有限公司，内蒙古鄂尔多斯 017000）

0 引言

风温升高会显著影响空冷散热器的换热性能，使得散热器换热效果下降、换热性能恶化。风温升高，直接空冷机组排汽饱和温度升高，机组运行背压升高。在特殊气象条件下，风温急剧升高会导致汽轮机报警或停机事故。风温升高时直接空冷机组带负荷能力降低，出现出力受阻现象；风温升高时直接空冷机组汽耗率、热耗率、发电标准煤耗率，以及发电成本均增大，直接空冷机组运行经济性降低。

目前，火电厂普遍采用喷雾增湿的方法降低空冷散热器入口空气温度，改善空冷散热器的换热效果，降低机组背压，从而提高机组出力。采用化学除盐水喷雾增湿法的缺点：①必须采用化学除盐水，耗水及费用高；②大量耗水，对高温期长时间调整、优化机组运行参数不适用；③由于水的冰冻问题，在低温季节解决不利风速、风向导致风温升高而引发的机组运行问题不太方便。为避免这些缺点，本文分析研究用液氮替代除盐水的降风温措施，即喷液氮降温法。

喷液氮降温法的特点：①空气中含78%氮气，可采用氮气液化装置制取，取之不竭，用之不完，无环境污染，散热器不会产生污垢或被腐蚀；②不消耗水资源，保持了空冷的节水特点；③氮气液化需消耗能源，但在夜间低温低负荷期间以厂用电制取并储存。白天高温期通常也是高负荷期，喷洒降温以调整、优化运行参数，提高机组的运行经济性和带负荷能力，具有蓄能调峰的意义；④广泛应用空冷技术、富煤缺水的北方地区，昼夜温差大，夏季高温期每日对空冷机组运行参数不利影响时段大约在11:00～15:00，不利高温时段较短，喷液氮量较小，制、储液氮设备费用不会太大；⑤液氮制取、储存、喷洒系统可全天候工作，适合解决任何气温下不利风速、风向导致风温升高而引发的机组运行问题。

1 喷液氮降温法原理

喷液氮降温法就是向空冷岛内喷液氮降温的方法。工作原理：向湿空气中喷液氮的过程其实是湿空气的冷却定湿过程[1]，如图1 所示。此过程中，在湿空气的压力、含湿量均不变的情况下，液氮迅速气化，吸收空气内能，降低空气干球温度。湿空气的冷却定湿过程见图2 中的1→2 过程。此过程特征就是随着冷却量的增加，湿空气的含湿量不变，焓减小，相对湿度增加，致使湿空气温度降低。在焓湿图上，该过程沿定含湿量线向温度降低方向进行。

如果不计湿空气的宏观动能和重力位能。那么含1 kg 干空气的湿空气在过程中的吸热量q 为：

式中 h1——过程初状态湿空气的焓，kJ/kg（DA）

h2——过程终状态湿空气的焓，kJ/kg（DA）

2 喷液氮降温数学模型建立

根据上述分析，建立喷液氮降温法的数学模型，可定量分析喷液氮前空气温度t1、压力p1、相对湿度φ1，以及喷液氮降温后空气温度t2及所需喷液氮量的关系。

图1 向空气中喷液氮过程示意

根据t1、p1及φ1，求出喷液氮前空气含湿量d1后，根据式（2），可计算出h1。在计算出喷液氮前空气含湿量d1、h1的条件下，再根据喷液氮降温法实质是空气的定湿冷却过程，即d1=d2，得出喷液氮降温后空气含湿量d2。然后根据

，可得出喷液氮降温后空气的比焓值h2。

图2 空气冷却定湿过程焓湿图

式中 h——空气比焓值，kJ/kg（DA）

t——空气温度，℃

d——空气含湿量，kg/kg（DA）

由于液氮喷入空冷岛内，能量守恒有

式中 qma——进入空冷岛的空气量，kg/s

h1——进入空冷岛的空气的比焓值，kJ/kg

h2——降温后空气的比焓值，kJ/kg

Q——所喷液氮的冷量，kJ/s

t——喷液氮后空冷岛内空气温度，℃

qm，LN——所喷液氮量，kg/s

将式（4）代入式（3），可得出

当风温升高影响机组经济运行时，可根据上述各式计算出温降为Δt（t1-t2）时所需喷液氮量qm，LN，喷洒降温，调节、控制机组运行参数，使其在最优工况下运行。

3 喷液氮降温法的可行性分析

喷液氮降温法是否可行，关键在于液氮制取、储存工艺等在技术方面是否可行，以及液氮制取费用及喷洒液氮获取的社会效益与经济效益是否可行。因此，需要分析研究喷液氮降温法的技术与经济可行性。

3.1 液氮的制备技术

目前，液氮需求量小的医学领域、食品行业，所用液氮都是以空气作为来源，利用空气分离装置制取。工业生产中需求的大量液氮一般由空气分离装置出来的低压氮气经氮液化装置制取。氮液化装置因氮液化循环的差异分为不同类型。因此，氮液化循环的选择成为制取液氮的关键问题。

一般氮液化循环的方法主要有：①有预冷的节流液化循环法；②有预冷的高压带活塞膨胀机的液化循环法；③中压带透平膨胀机的液化循环法；④两级预冷高压或中压液化循环法；⑤与其他深冷装置结合的液化循环法[2-4]。

表1 是5 种氮液化循环的比较，可知有预冷的高压带活塞膨胀机的液化循环因能耗较大、设备费用高、运转可靠性较差，故使用范围小。节流液化循环的能耗较高，很少被采用。中压带透平膨胀机的液化循环因能耗低、设备费用低，应用于大、中型氮液化装置[5]。

3.2 液氮储存技术

喷液氮降温法使用的液氮一般在夜间用电负荷小时制备，因此液氮需要储存在容器中。在常压下液氮属于低温液体，一般储存在杜瓦容器中（杜瓦容器是多层真空绝热容器的总称）。目前市场上的杜瓦容器种类很多，储存能力5～2000 m3。

液氮储罐采用碳钢或不锈钢材料制成，使用真空粉末绝热或高真空多层缠绕绝热方式设计制造，具有绝热性能好、结构紧凑、操作维修方便等特点。

综上可知，市场上已有成熟的设备用于液氮制取与储存，技术上具有可行性。

3.3 喷液氮降温法的经济性分析

喷液氮降温法消耗液氮，降低空冷散热器进风侧风温，起到改善空冷散热器换热效果的目的，因此制取液氮能耗费用成为分析此方法经济性的关键问题。制取液氮能耗费用的高低主要取决于生产液氮能耗的大小。由表1 可知，液氮产品能耗的大小主要取决于液化循环的选择，不同的液化循环能耗不同。采用与其他深冷装置结合的液化循环，液氮产品能耗可降至0.4 kW·h/kg。

（1）生产1 kg 液氮能耗费用。液氮生产在夜间用电低负荷时段进行，产液氮耗电为厂用电，电价按0.284 9 元/（kW·h）计算，则生产1 kg 液氮能耗费用为0.113 96 元。

（2）喷1 kg 液氮的经济效益。向空冷岛进风侧喷液氮，降低空冷岛进风侧气温，改善空冷散热器换热效果。使得直接空冷机组运行背压降低，机组出力增加。

以某电厂600 MW 直接空冷机组为例进行计算。①夏季气温升高为32 ℃时，机组背压为31.337 kPa，机组排汽比焓为2162 kJ/kg，机组功率为603.13 MW，空冷风机风量428 m3/s，空气密度0.991 kg/m3，风机数量56 台。向空冷岛进风侧1 s 喷入1 kg 液氮后，机组背压降低为31.317 kPa，机组排汽比焓降为2160 kJ/kg，机组功率为604.11 MW；②气温31.98 ℃，机组背压31.317 kPa，机组排汽比焓2160 kJ/kg，机组功率604.11 MW。向空冷岛内1 s 喷入1 kg 液氮可使600 MW 直接空冷机组背压降低0.02 kPa，机组出力增加0.98 MW，折合电量0.272 kW·h。若按上网电价0.417 元/（kW·h）计算，喷1 kg 液氮机组增加出力电量收益为0.113 43 元。

通过气温对锅炉发电标准煤耗率的分析可知，600 MW 直接空冷机组气温高于机组设计温度的情况下，气温降低1 ℃，锅炉发电标准煤耗率减小4.252 g/（kW·h）。同理1 s 喷入1 kg 液氮，气温降低0.02 ℃，锅炉发电标准煤耗率减小0.085 g（/kW·h）。按标煤价格350 元/t 计算可知，喷1 kg 液氮，锅炉发电标准煤耗率降低获得的收益为0.000 03 元。

表1 以氮气为工质的液化循环比较（T1=300 K，p1=101.3 kPa）

（3）喷液氮净能耗费用核算。通过上述分析可知，1 kg 液氮制造能耗与喷洒减温发电增量、节约煤耗相抵后的净能耗费用为0.000 5 元。

因此采用喷液氮降温法，所喷液氮的净能耗费用不大，1 t液氮的净能耗费用仅为0.5 元，经济上具有可行性。

4 结语

选择合理的氮液化循环，恰当降低液氮产品的能耗，从而降低喷液氮降温法的能耗成本。甚至可使生产液氮能耗费用与喷液氮获得发电增量、节约煤耗所得的收益相平衡。同时可有效解决各种因素导致的直接空冷系统进风侧风温升高引发机组运行参数恶化等一系列问题，获得高风温时段调整、优化机组运行参数，提高机组带负荷能力、使机组安全经济运行。因此，采用喷液氮降温法，技术与经济方面均具有可行性，而且具有实际应用价值。