预处理冷却系统及发电机组散热器改造

程 宏

(西山煤电集团 发电公司， 山西 太原 030206)

夏季高温常使瓦斯电厂机组气源温度过高，预处理系统降温效果不佳，发电机组冷却回水温度居高不下，发电机组长期保持在75%负载运行，导致发电产量无法进一步提高。此前国内多采用增加机组散热器，增加冷水机组，定期更换冷水机组氟利昂等方式，但成本高，且部分效果甚微[1]. 屯兰瓦斯发电厂为最大限度地节约成本，对预处理冷却系统及发电机组散热器进行改造。

1 预处理冷却循环系统改造

瓦斯电厂对气源温度要求较为严格，经过气体预处理后气体温度需控制在40 ℃以下，屯兰瓦斯电厂自建厂以来，每到夏季预处理气体出口温度都随环境温度影响较大，导致发电机组负载无法继续提高，这一方面与冷水机组自身制冷能力不足有关，另一方面与水气换热器的换热面积过小有关。预处理系统具有除尘、除水、增压、稳压的作用[2]，考虑到集装箱内部空间已趋于饱和，而增加预处理冷水机组的成本较高，采用增加水气换热器的换热面积。

1.1 模型建立

屯兰瓦斯电厂气源预处理集装箱系统布置见图1. 将初滤集装箱与精滤集装箱联通处的瓦斯管路改造为与集装箱内同样或相近的水气管式换热器，通过同一套冷却系统对瓦斯管路上的瓦斯气体进一步冷却，达到增大换热面积，降低瓦斯气体出口温度的目的。管式换热器内部结构见图2.

1.2 改造实施

改造后的管式换热器与原系统共用同一套冷却循环系统，利用冷却循环水泵带动冷却液循环，经冷水机组内压缩机压缩氟利昂后，将冷却液由10 ℃左右降至3 ℃(管路中使用冷却液为道达尔防冻液，其冰点为-37 ℃)，经过改造后得到新的布置图，见图3. 其中增加的部分即为改造方案。

1.3 设备选型

根据换热器换热量计算公式：

A=Q/K(Tr-Δt)

(1)

式中：

A—换热面积，m2；

Q—总换热量,W；

K—导热系数，W/(m2·K)；

Tr—较热介质的平均温度，℃；

Δt—次热介质的平均温度，℃.

采用防冻液为次热冷却介质Δt≈7 ℃(即280.16 K，冷水机组出水口温度约为3 ℃，入水口温度为10 ℃)，换热管材选取钛合金管K约为15.24 W/(m2·K)，将瓦斯气体换热至34 ℃(气源入口温度最高可达42 ℃)，Tr≈38 ℃(即308.16 K)，增加管式换热器后为使总换热量Q达到1 000 W；由此得到换热面积约为2.2 m2.大多数厂家的换热器换热面积大于2.2 m2，可以满足条件。

左侧框内区域—初滤集装箱 右侧框内区域—精滤集装箱 —气动调节阀 —蝶阀 —球阀 —水汽管式换热器 PI—压力表 TI—温度表 PT—压力变送器 TT—温度变送器 MT—湿度变送器 FT—流量测量仪 PdlT—压差变送器图1 屯兰瓦斯电厂预处理集装箱布置图

图2 管式换热器内部结构图

左侧—初滤集装箱 右侧—精滤集装箱 —气动调节阀 —蝶阀 —球阀 —水汽换热器 PI—压力表 TI—温度表 PT—压力变送器 TT—温度变送器 MT—湿度变送器 FT—流量测量仪 PdlT—压差变送器图3 预处理集装箱增加水气换热器后的布置图

1.4 安装定位和使用

截除原管路改为管式换热器，将改造后的冷却水管路并接至原冷却系统中，采用同一套冷却水循环系统进行冷却，夏季环境温度升高时，将相应球阀打开，即可实现对瓦斯气体的降温处理；冬季环境温度降低后，将相应球阀关闭。

2 发电机组散热器改造

绝大部分燃气发电机组冷却水系统采用的是露天板式散热器，长时间使用后，散热器内部会结垢，散热片夹层中会积累尘土、杂物，导致散热能力下降，散热效果不良。为了提高散热效率：1) 可以通过改造系统内部电路，更换内部通风电机，提高通风量，提高热对流和换热效率。2) 可以人力冲洗散热片夹层及散热管道。3) 增加散热器散热面积[3]. 为了节约成本，且不影响发电机组原有性能，通过增加散热面积的方法，改良散热器的冷却能力。

2.1 改造方案

目前，屯兰瓦斯电厂1#、2#发电机组流经散热器的热水系统回水温度普遍较高，当夏季外部环境温度达到40 ℃时，机组满载后热水回水最高温升可达80 ℃，这对安全生产造成安全隐患。因此，在原有的散热器底部两侧增加散热水帘，采用冷却自来水为换热介质，提高换热效率。散热水帘见图4. 水帘共计两组4片，目的是对散热器的冷媒介质空气提前降温，根据供水系统进出水位置的尺寸标注，在对应位置的大框架上开上、下进出水口。一般为单点、二点、四点3种方式[4]. 上、下框架出水孔径一般为40 mm、65 mm. 该改造采用四点进水方式，水帘的安装与布置示意图见图5. 安装后使用的循环水应采用软化水，可以最大限度地减少水帘运行后产生结垢，另外循环水泵采用≤5.5 kW即可，控制电源与发电机组内部控制电源分离，便于单独控制。

图4 采用四点进水方式水帘示意图

图5 水帘的安装与布置示意图

2.2 技术参数

采用外部软化水为次热冷却介质，其平均温度Δt≈20 ℃(即293.16 K)，换热叶片选取镀锌合金K约为28 W/(m2·K)，当环境温度40 ℃时，将空气换热至(30 ℃左右)，即空气平均温度Tr≈35 ℃(即308.16 K)，为了达到等效换热量3 500 W，根据式(1)得出换热面积A=8.33 m2.

散热器长4.5 m,距离集装箱顶部高度1.2 m,为保证空气充分流经水帘，选取水帘单侧长约4.5 m,高约1.2 m，厚度约为0.2 m,水帘换热面积满足条件需要。

2.3 效果监测

2015年5月—2015年7月(安装前)与2016年5月—2016年7月(安装后)分别对2#燃气发电机组散热器中热水系统管路(入水→出水)等距各点进行了定时、定点跟踪测温,分别选取6个测点，各点测试时间为当日13：00. 2015年未增加水帘装置时，散热系统热水管路(入水→出水)各点测温柱状图见图6，机组负载2 300 kW时，环境温度25 ℃～33 ℃. 2016年增加水帘装置后散热系统热水管路(入水→出水)各点测温柱图见图7，机组负载3 000 kW时，环境温度25 ℃～33 ℃.

图6 2015年散热系统热水管路各点测温注状图

由图6，7可知，2015年由于发电机组散热能力差，随着外部环境温度上升，发电机组只能维持在2 300 kW负载运行，且热水系统换热梯度明显较小，天气炎热后，出水侧回水温度各个测试日期均超过了70 ℃. 2016年对发电机组顶部散热器进行改造，增加了水帘后，利用外部循环水系统，实现了散热器风冷、水冷联合工作，机组负载实现了满载3 000 kW运行，达到了预期效果。该装置运行后使得屯兰瓦斯电厂实现单机提高负载700 kW/h，夏季4个月实现增产85万kWh.

图7 2016年散热系统热水管路各点测温柱状图

3 结 语

换热器和水帘生产成本低，安装改造周期短，通过增大换热面积，解决了夏季环境高温对设备冷却系统的影响，为发电机组安全稳定运行提供了可靠保障。但是随着发电机组运行时间的增加，机组冷却性能逐渐老化，未来冷却性能的提升仍是研究的重点。