燃機廠房水噴霧蒸發(fā)冷卻通風設計淺析

李　唯　王海波　吳國華

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司,　四川　成都　6100412.中國石油吉林油田公司松原采氣廠，　吉林　松原　138000

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燃機廠房水噴霧蒸發(fā)冷卻通風設計淺析

李唯1王海波1吳國華2

1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司,四川成都6100412.中國石油吉林油田公司松原采氣廠，吉林松原138000

摘要：水噴霧蒸發(fā)冷卻降溫技術在干熱地區(qū)具有明顯技術優(yōu)勢,利用干熱地區(qū)空氣濕球溫度低的顯著特點,在對空氣加濕的同時將空氣溫度降至接近濕球溫度,以滿足工藝設備的低溫要求。以某燃氣電站燃機廠房水噴霧蒸發(fā)冷卻通風設計為實例,分析在干熱地區(qū)燃機廠房通風系統(tǒng)設計需要注意的問題,提出在干熱地區(qū)夏季有效降低燃機進氣溫度、提高燃機效率的方法及適用條件,為燃機廠房及其他廠房設計與建造提供參考。

關鍵詞：干熱地區(qū)；夏季通風；水噴霧蒸發(fā)冷卻;設計

0前言

環(huán)境溫度對燃氣發(fā)電機組的工作特性有很大影響[1],機組空氣進氣溫度越高,燃機效率越低。中國西北部分地區(qū)新建天然氣處理廠由于沒有外電,需同步建設自備燃氣電站。但由于氣候干熱,夏季工況時燃機發(fā)電效率很低,不得不選配更大一級機組,造成設備投資和能源浪費。如何降低燃機空氣進氣溫度、提高燃機效率是干熱地區(qū)自備燃氣電站亟待解決的問題，本文以某燃氣電站燃機廠房水噴霧蒸發(fā)冷卻通風設計為實例進行了分析。

1燃氣電站基本情況

某燃氣電站地處新疆塔里木盆地塔克拉瑪干沙漠中心,是某處理廠的自備電站。該電站采用往復式內(nèi)燃天然氣發(fā)電機組,燃機型號為TCG 2032 V 16型。燃氣發(fā)動機為四沖程十六缸活塞機,V型布置,發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 000 r/min,壓縮比12∶1,機組長9.43 m,寬2.68 m,高4.29 m。發(fā)電機組及主要配件由德國公司成套提供,散裝進口。燃機廠房長28.8 m,寬25.5 m,高10.5 m,輕鋼結構。電站裝機容量3×4 000 kW,二用一備,標準工況總供電負荷8 000 kW,現(xiàn)場工況最大供電負荷7 600 kW,2010年9月投入運行。

2設計參數(shù)

2.1室外氣象參數(shù)

塔中地區(qū)屬典型的溫帶大陸性氣候,冬季嚴寒,夏季炎熱,室外氣象參數(shù)[2]見表1。

表1塔中地區(qū)室外氣象參數(shù)

氣象參數(shù)數(shù)據(jù)氣象要素數(shù)據(jù)年平均氣溫/℃10.2年平均地溫/℃12.4最高氣溫/℃45.6極端最高地溫/℃72.2月平均最高溫度/℃38.3年平均大氣壓值/Pa89400年平均蒸發(fā)量/mm2563.8海拔高度/m1075最熱月平均相對濕度/(%)10

2.2天然氣發(fā)電機組設計參數(shù)

德國公司提供的數(shù)據(jù)顯示,單臺發(fā)電機組發(fā)動機的室內(nèi)散熱量240 kW,發(fā)電機室內(nèi)散熱量83 kW,室內(nèi)總散熱量323 kW；單臺燃機助燃空氣量20 000 kg/h,通風量195 000 kg/h。燃氣發(fā)電機組的運行方式二用一備,則機組散發(fā)至燃機廠房室內(nèi)的總熱量646 kW,總助燃空氣量40 000 kg/h,總通風量390 000 kg/h。

基于塔中地區(qū)夏季氣溫高的室外氣象條件,德國公司要求在發(fā)電機組正常運行條件下,夏季極端高溫(室外溫度45.6 ℃)時燃機廠房室內(nèi)溫度必須低于54 ℃,冬季極端低溫(室外溫度-26.4 ℃)時不低于5 ℃；發(fā)電機組停運條件下,燃機廠房室內(nèi)溫度不低于0 ℃。

2.3不同工況條件下的燃機出力

無論是透平式燃氣輪機還是往復式內(nèi)燃機,燃機的現(xiàn)場環(huán)境條件對燃機出力影響很大[3]。為使燃機在高溫季節(jié)取得增加出力、降低能耗的效果,國內(nèi)外燃機廠商或用戶采取了多種空氣降溫辦法對燃機進氣降溫,取得了不同的使用效果[4-5]。

燃機的額定出力通常是指在ISO工況條件(海拔0 m,環(huán)境溫度15 ℃)下的正常出力。隨著燃機海拔和環(huán)境溫度升高,燃機出力會顯著下降。環(huán)境溫度的影響主要表現(xiàn)在對燃機進氣溫度的影響,即在相同海拔條件下,燃機進氣溫度越高,燃機出力越小。TCG 2032 V 16型往復式內(nèi)燃天然氣發(fā)電機組在不同工況條件下的出力見表2。

表2TCG 2032 V 16型往復式內(nèi)燃天然氣發(fā)電機組在不同工況條件下的出力

kW

按照德國公司提出的夏季極端高溫工況條件下,當室內(nèi)溫度達到54 ℃時,意味著燃機吸氣溫度(即環(huán)境溫度)為54 ℃,燃機出力將進一步下降。

3通風系統(tǒng)設計

通風設計的目的是為了確保天然氣發(fā)電機組及附屬設備長期穩(wěn)定運行,保證設備最大出力。根據(jù)德國公司提供的技術參數(shù)及相關要求,在夏季極端高溫工況條件下,廠房通風量巨大(按照燃機廠房全體積計算,換氣次數(shù)達到46次/h),同時單臺發(fā)電機組出力也會大大降低。燃機廠房54 ℃的室內(nèi)溫度既不符合工業(yè)企業(yè)衛(wèi)生標準的要求,也無法保證維護人員對備用機組的檢修維護,更無法確保發(fā)電機組現(xiàn)場儀器儀表的長期穩(wěn)定運行。

根據(jù)塔中地區(qū)夏季炎熱干燥的獨特氣象條件,利用干熱地區(qū)空氣濕球溫度低的特點,在對空氣加濕的同時將空氣溫度降至接近濕球溫度[6],空氣溫度降低,本質(zhì)上空氣所攜帶的熱量并沒有變化[7]。設計中引入水噴霧蒸發(fā)冷卻通風的理念,大幅降低燃機進氣溫度,徹底解決燃機廠房夏季室內(nèi)溫度過高問題,將燃機廠房室內(nèi)溫度降低至35 ℃以下,使發(fā)電機組在夏季極端高溫工況條件下達到最大出力。

3.1空氣處理過程

水噴霧蒸發(fā)冷卻通風系統(tǒng)空氣處理過程見圖1。

圖1　水噴霧蒸發(fā)冷卻通風系統(tǒng)空氣處理過程

3.2通風量計算及校核

燃機廠房通風量計算公式[11]如下：

表3不同氣象條件下的空氣噴霧蒸發(fā)冷卻后的參數(shù)

相對濕度/(%)室外空氣干球溫度/℃室外空氣熱焓/(kJ·kg-1)相對濕度88%后空氣溫度/℃104882.3923.1145.675.2221.524064.2618.852048107.5327.9945.696.6426.004080.5622.723048133.3232.0945.6118.5429.834097.1226.10

假定燃機廠房室內(nèi)溫度維持在35 ℃,為消除燃機廠房天然氣發(fā)電機組646 kW余熱,則需在不同室外氣象條件下計算燃機廠房通風量,見表4。

表4不同室外氣象條件下的送風參數(shù)及通風量

室外氣象參數(shù)送風參數(shù)溫度/℃相對濕度/(%)溫度/℃相對濕度/(%)燃機廠房余熱/kW通風量/(kg·h-1)45.61021.528864617115340.01018.858864614285745.62026.008864625634940.02022.728864618787845.63029.838864644625640.03026.1088646259229

表4數(shù)據(jù)表明,在相同干球溫度條件下,隨著室外空氣相對濕度的增加,燃機廠房所需通風量也急劇增加。

2套自潔式空氣過濾器+水噴霧蒸發(fā)冷卻空氣處理機組全開時通風量達240 000 m3/h。在夏季極端高溫工況條件下,2臺天然氣發(fā)電機組滿負荷運轉(zhuǎn)時,燃機廠房內(nèi)溫度不高于33 ℃,單臺發(fā)電機組滿負荷運轉(zhuǎn)時,燃機廠房室內(nèi)溫度不高于28 ℃。為節(jié)約能源,避免燃機廠房室內(nèi)溫度降得過低,送風機采用變頻控制,在保證提供給發(fā)電機組必要的燃燒空氣前提下,風機轉(zhuǎn)速可以根據(jù)燃機廠房室內(nèi)溫度自動調(diào)節(jié)。

某燃機廠房通風設備布置平面見圖3。

圖3　燃機廠房通風系統(tǒng)平面

4結論

水噴霧蒸發(fā)冷卻通風方式利用空氣干濕球溫差,將空氣顯熱轉(zhuǎn)變?yōu)闈摕?空氣溫度降低,濕度增加,但本質(zhì)上空氣所攜帶的熱量并沒有變化。在空氣潮濕、干濕球溫差較小的南方地區(qū),空氣加濕方式對降低空氣溫度效果不大,不宜采用。另外,即使是在北方干熱地區(qū),當設備對室內(nèi)空氣有嚴格低濕度要求時,水噴霧蒸發(fā)冷卻通風方式也不宜采用。

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收稿日期：2015-10-29

基金項目：中國石油天然氣集團公司工程項目“塔中I 號氣田開發(fā)試驗區(qū)10×108 m3/a試采地面建設工程”(S 2007-43 E)

作者簡介：李唯(1969-),男,重慶巴縣人,高級工程師,國家注冊公用設備工程師(動力),學士,現(xiàn)主要從事油氣儲運、暖通及熱工專業(yè)設計及管理工作。

DOI:10.3969/j.issn.1006-5539.2016.03.019