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    1. 【運行學堂】:LNG 冷能在燃氣蒸汽聯合循環機組中的利用

      發布時間:2018-08-12 22:36              

      燃氣輪機燃用重油時對環境的污染較為嚴重,對環境影響較大,已經不適應當前經濟發展的要求。在燃氣輪機電廠生存形勢日益嚴峻的情況下,廣東液化天然氣(LNG)接收站項目的策劃實施、國家“西氣東輸”二期工程的開工,為這些燃氣輪機電廠的生存與發展提供了新的希望與機遇。

      液化天然氣(LNG)是由低污染天然氣經過脫酸、脫水處理,通過低溫工藝冷凍液化而成低溫(-162℃)的液體混和物,其密度大約增加600 倍,以利于長距離運輸。每生產1tLNG 的動力及公用設施耗電量約為850kWh,而在LNG 接收站,一般又需將LNG 通過汽化器汽化后使用,汽化時放出很大的冷量,其值大約為830~870kJ/kg。這種冷能從能源品位來看,具有較高的利用價值,而其通常在天然氣氣化器中被舍棄了,造成了能源的浪費。為此,通過特定的工藝技術利用LNG 冷能,可以達到節省能源、提高經濟效益的目的。

      在管道氣還未開通的情況下,燃氣聯合循環電廠建設可考慮利用LNG 作為過渡燃料或備用燃料, 若同時考慮合理利用LNG 使用過程中產生的冷能,實現電廠的熱電冷聯供,不僅可實現資源的循環利用并能提高燃氣蒸汽聯合循環發電機組的技術經濟性。

      1 工程背景

      廣東省某燃氣熱電冷多聯供項目, 建設3 套9E 級燃氣-蒸汽聯合循環供熱機組, 電廠燃料采用液化天然氣(LNG),采用廠內LNG 專用儲罐貯存氣化后使用。當配置3 臺PG9171E型燃機時, 總的LNG 耗量約為98715Nm3/h。若將LNG 氣化至5℃,考慮LNG 氣化潛熱和顯熱的總和,則能夠產生的冷量約為20.4GJ/h。若能夠將這部分冷能得到合理利用,則可以實現能源的循環利用并節約能源。

      利用LNG 冷能的過程可分為直接利用和間接利用。前者包括:發電、空氣液化分離、冷凍倉庫、制造液化二氧化碳、海水淡化、空調和低溫養殖、栽培等。后者包括:低溫破碎、水和污染物處理及冷凍食品等。LNG 冷能綜合集成利用產業鏈,涉及下游眾多的行業、部門和企業。實施的關鍵就是接收站與下游各冷能利用項目的早期同步規劃和同步建設,下游必須有接收的用戶。

      由于本工程周邊暫時還沒有直接需要供冷的用戶,所以LNG 冷能的利用只能結合項目自身的特點, 考慮在電廠內循環利用,這樣可以在合理的造價范圍內取得更高的經濟效益。以下就本工程推薦幾種熱力發電廠內部LNG 冷能的利用方式。

      2 LNG 冷能用于燃氣輪機進氣冷卻

      大氣溫度對燃氣輪機的出力及效率影響顯著,中高溫天氣將對燃氣輪機的出力及效率產生負面影響, 一般來說,進氣溫度每上升10℃將導致燃機出力下降1%左右,進氣冷卻技術成為保持燃氣輪機在中高溫天氣條件下高效運行的主要措施。若利用LNG 的這部分冷能來降低燃氣輪機壓氣機的進氣溫度,可以提高燃氣輪機組的出力,改善燃氣蒸汽聯合循環發電機組的技術經濟性。

      由于燃氣輪機的運行方式、年利用小時、接收站的地理位置,接收站和電廠的投資方等條件都會對冷能利用的取舍有一定影響, 因此燃氣輪機對LNG 冷能的利用適用炎熱干燥的地區帶基本負荷運行的電廠,對不同項目,要根據當地條件具體分析。

      根據本項目的氣象條件, 可利用LNG 氣化過程直接制備冷水,并利用換熱器在燃機進口進行冷卻,而不需要多余的電耗去制備冷水。若在夏季利用LNG 冷能將燃機進口溫度降低10℃,則單臺燃機出力將增加5%左右,但是空氣的含濕量增加,同時系統的阻力增加,系統熱耗約將降低0.2%左右。另外,燃機進口溫度有一定的限制,溫度也不能太低,一般要求不能低于15℃,所以一般冬季時進氣冷卻裝置都當停運,此時LNG 冷能無處利用,且會增加燃機進口的阻力,降低冬季工況燃機的出力。同時,若增加燃機進氣冷卻裝置則需要對燃機進行另外的改造,會增加一部分設備費用及日常的運行維護費。故在使用LNG 冷能降低燃機進氣溫度時,對高溫地區比較適合,且使用季節較長,經濟性更好。

      3 LNG 冷能用于冷卻電廠循環水回水

      本工程電廠循環水采用帶機力通風冷卻塔二次循環系統,循環冷卻水量約為29400t/h,可考慮利用LNG 氣化冷量冷卻循環水。利用循環水加熱LNG,既為LNG 氣化找到了方便可靠的加熱源,同時也利用LNG 的冷能冷卻循環水,減少冷卻塔風扇投入的數量, 或者降低汽輪發電機組的背壓,提高其出力,從而提高系統的發電效率。LNG 氣化用水可從循環水回水管引出, 通過設置2 臺100%的增壓泵將熱水送至LNG 氣化區域,通過氣化裝置換__熱,將回水再送回冷卻水池。若設計使用約2000t/h 的水量,則可將循環水溫度降低約6~7℃。但是由于回到冷卻水池后, 整個循環水量較大, 則冷卻水池中的循環水溫降僅為0.5℃,對機力塔的設計影響不大。但是通過循環水溫度的降低,可使單臺抽凝機組的出力提高約50kW左右,則3 臺抽凝機組出力共提高150kW 左右。

      LNG 冷能用于降低循環水溫度, 提高機組出力是一種可行的方法。但是,由于本項目機組容量相對較小,出力提高不明顯,但是若對于大容量機組例如F 級燃機機組則經濟性更為明顯。

      另外,若項目的循環水含鹽度較高,將LNG 冷能用于冷卻循環水時, 其換熱器的材質一般需要采用抗腐蝕的材質,這樣會增加設備的造價。所以綜合以上原因,用LNG 氣化冷能來冷卻循環水的方案對機組容量較大,且循環水水質較好的工程比較合適。

      4 LNG 冷能用于冷卻電廠閉式循環冷卻水

      綜合考慮水質及水量,LNG 氣化加熱介質可利用廠內閉式循環冷卻水系統回水,既能節約能源,提高系統運行的經濟性,又可以降低閉式循環水的運行水溫,對發電機組有關的設備和部件的運行性能與使用壽命均有好處。

      本項目閉式循環水系統分別向燃機島、汽機島、鍋爐島設備提供高品質冷卻水,閉式循環水系統用水量約2410t/h。若按常規設計,冷卻閉式水的開式水用量約為2900t/h。3 臺機組為單元制,即每臺機組一套單獨的系統。閉式循環冷卻水經閉式循環水泵進入閉式循環冷卻水熱交換器冷卻,然后再進入用水設備,系統的二次水源為除鹽水。系統內設2 臺100%容量的閉式循環冷卻水泵,1 臺10m3 膨脹水箱和2 臺閉式循環冷卻水熱交換器。正常運行時,1 臺冷卻水泵和1臺熱交換器運行可滿足整個系統所需的冷卻水量。

      若采用閉式循環水作為LNG 氣化的熱水, 則當機組帶基本負荷時,LNG 氣化過程可將2410t/h 的熱水降低約5.4℃,可以滿足閉式循環水的溫降要求,同時可以使閉式循環水系統進行優化設置。閉式循環水系統可采用全廠公用系統,同時可取消閉式循環冷卻水熱交換器,并且不需要消耗開式水來冷卻閉式水,減少了循環水泵的容量。表1 為常規閉式水方案與利用LNG 冷能后方案的技術經濟對比表。

      由表1 可見,利用LNG 冷能來冷卻閉式水之后,設備的初投資費用節省約305 萬,且節省開式水量約2900t/h。所以此方案有很高的經濟性,且不受季節的影響,同時隨機組的負荷情況,LNG 的冷能波動和閉式水量的變化成同一趨勢,并且是相匹配的,所以可以作為1 種推薦方案。

      LNG 蘊藏著大量的冷能, 在利用過程中可以采取多種方式,可根據機組的不同特點進行對比,選擇合適的冷能利用方式,以回收LNG 冷能,達到節省能源、提高經濟效益的目的。而在燃機聯合循環機組的主廠房設計范圍內利用LNG 氣化過程產生的冷能是經濟、環保、節水、省地、投資小的合理利用方式。

      參考文獻

      1 顧華年,陳洪溪.燃氣輪機電廠LNG 供氣系統典型設計.發電設備,2009(1)

      2 王巍悅,柳建華,陳曦.液化天然氣(LNG)冷能用于發電燃氣輪機進氣冷卻系統初探.中國制冷學會學術年會,創新與發展,2007

      3 王強,厲彥忠,張朝昌.液化天然氣(LNG) 冷能回收及其利用.低溫工程,2002(4)

      注:原文發表于《能源與環境》2013年第1期。

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