【运行学堂】:LNG 冷能在燃气蒸汽联合循环机组中的利用

发布时间:2018-08-12 22:36              

燃气轮机燃用重油时对环境的污染较为严重,对环境影响较大,已经不适应当前经济发展的要求。在燃气轮机电厂生存形势日益严峻的情况下,广东液化天然气(LNG)接收站项目的策划实施、国家“西气东输”二期工程的开工,为这些燃气轮机电厂的生存与发展提供了新的希望与机遇。

液化天然气(LNG)是由低污染天然气经过脱酸、脱水处理,通过低温工艺冷冻液化而成低温(-162℃)的液体混和物,其密度大约增加600 倍,以利于长距离运输。每生产1tLNG 的动力及公用设施耗电量约为850kWh,而在LNG 接收站,一般又需将LNG 通过汽化器汽化后使用,汽化时放出很大的冷量,其值大约为830~870kJ/kg。这种冷能从能源品位来看,具有较高的利用价值,而其通常在天然气气化器中被舍弃了,造成了能源的浪费。为此,通过特定的工艺技术利用LNG 冷能,可以达到节省能源、提高经济效益的目的。

在管道气还未开通的情况下,燃气联合循环电厂建设可考虑利用LNG 作为过渡燃料或备用燃料, 若同时考虑合理利用LNG 使用过程中产生的冷能,实现电厂的热电冷联供,不仅可实现资源的循环利用并能提高燃气蒸汽联合循环发电机组的技术经济性。

1 工程背景

广东省某燃气热电冷多联供项目, 建设3 套9E 级燃气-蒸汽联合循环供热机组, 电厂燃料采用液化天然气(LNG),采用厂内LNG 专用储罐贮存气化后使用。当配置3 台PG9171E型燃机时, 总的LNG 耗量约为98715Nm3/h。若将LNG 气化至5℃,考虑LNG 气化潜热和显热的总和,则能够产生的冷量约为20.4GJ/h。若能够将这部分冷能得到合理利用,则可以实现能源的循环利用并节约能源。

利用LNG 冷能的过程可分为直接利用和间接利用。前者包括:发电、空气液化分离、冷冻仓库、制造液化二氧化碳、海水淡化、空调和低温养殖、栽培等。后者包括:低温破碎、水和污染物处理及冷冻食品等。LNG 冷能综合集成利用产业链,涉及下游众多的行业、部门和企业。实施的关键就是接收站与下游各冷能利用项目的早期同步规划和同步建设,下游必须有接收的用户。

由于本工程周边暂时还没有直接需要供冷的用户,所以LNG 冷能的利用只能结合项目自身的特点, 考虑在电厂内循环利用,这样可以在合理的造价范围内取得更高的经济效益。以下就本工程推荐几种热力发电厂内部LNG 冷能的利用方式。

2 LNG 冷能用于燃气轮机进气冷却

大气温度对燃气轮机的出力及效率影响显著,中高温天气将对燃气轮机的出力及效率产生负面影响, 一般来说,进气温度每上升10℃将导致燃机出力下降1%左右,进气冷却技术成为保持燃气轮机在中高温天气条件下高效运行的主要措施。若利用LNG 的这部分冷能来降低燃气轮机压气机的进气温度,可以提高燃气轮机组的出力,改善燃气蒸汽联合循环发电机组的技术经济性。

由于燃气轮机的运行方式、年利用小时、接收站的地理位置,接收站和电厂的投资方等条件都会对冷能利用的取舍有一定影响, 因此燃气轮机对LNG 冷能的利用适用炎热干燥的地区带基本负荷运行的电厂,对不同项目,要根据当地条件具体分析。

根据本项目的气象条件, 可利用LNG 气化过程直接制备冷水,并利用换热器在燃机进口进行冷却,而不需要多余的电耗去制备冷水。若在夏季利用LNG 冷能将燃机进口温度降低10℃,则单台燃机出力将增加5%左右,但是空气的含湿量增加,同时系统的阻力增加,系统热耗约将降低0.2%左右。另外,燃机进口温度有一定的限制,温度也不能太低,一般要求不能低于15℃,所以一般冬季时进气冷却装置都当停运,此时LNG 冷能无处利用,且会增加燃机进口的阻力,降低冬季工况燃机的出力。同时,若增加燃机进气冷却装置则需要对燃机进行另外的改造,会增加一部分设备费用及日常的运行维护费。故在使用LNG 冷能降低燃机进气温度时,对高温地区比较适合,且使用季节较长,经济性更好。

3 LNG 冷能用于冷却电厂循环水回水

本工程电厂循环水采用带机力通风冷却塔二次循环系统,循环冷却水量约为29400t/h,可考虑利用LNG 气化冷量冷却循环水。利用循环水加热LNG,既为LNG 气化找到了方便可靠的加热源,同时也利用LNG 的冷能冷却循环水,减少冷却塔风扇投入的数量, 或者降低汽轮发电机组的背压,提高其出力,从而提高系统的发电效率。LNG 气化用水可从循环水回水管引出, 通过设置2 台100%的增压泵将热水送至LNG 气化区域,通过气化装置换__热,将回水再送回冷却水池。若设计使用约2000t/h 的水量,则可将循环水温度降低约6~7℃。但是由于回到冷却水池后, 整个循环水量较大, 则冷却水池中的循环水温降仅为0.5℃,对机力塔的设计影响不大。但是通过循环水温度的降低,可使单台抽凝机组的出力提高约50kW左右,则3 台抽凝机组出力共提高150kW 左右。

LNG 冷能用于降低循环水温度, 提高机组出力是一种可行的方法。但是,由于本项目机组容量相对较小,出力提高不明显,但是若对于大容量机组例如F 级燃机机组则经济性更为明显。

另外,若项目的循环水含盐度较高,将LNG 冷能用于冷却循环水时, 其换热器的材质一般需要采用抗腐蚀的材质,这样会增加设备的造价。所以综合以上原因,用LNG 气化冷能来冷却循环水的方案对机组容量较大,且循环水水质较好的工程比较合适。

4 LNG 冷能用于冷却电厂闭式循环冷却水

综合考虑水质及水量,LNG 气化加热介质可利用厂内闭式循环冷却水系统回水,既能节约能源,提高系统运行的经济性,又可以降低闭式循环水的运行水温,对发电机组有关的设备和部件的运行性能与使用寿命均有好处。

本项目闭式循环水系统分别向燃机岛、汽机岛、锅炉岛设备提供高品质冷却水,闭式循环水系统用水量约2410t/h。若按常规设计,冷却闭式水的开式水用量约为2900t/h。3 台机组为单元制,即每台机组一套单独的系统。闭式循环冷却水经闭式循环水泵进入闭式循环冷却水热交换器冷却,然后再进入用水设备,系统的二次水源为除盐水。系统内设2 台100%容量的闭式循环冷却水泵,1 台10m3 膨胀水箱和2 台闭式循环冷却水热交换器。正常运行时,1 台冷却水泵和1台热交换器运行可满足整个系统所需的冷却水量。

若采用闭式循环水作为LNG 气化的热水, 则当机组带基本负荷时,LNG 气化过程可将2410t/h 的热水降低约5.4℃,可以满足闭式循环水的温降要求,同时可以使闭式循环水系统进行优化设置。闭式循环水系统可采用全厂公用系统,同时可取消闭式循环冷却水热交换器,并且不需要消耗开式水来冷却闭式水,减少了循环水泵的容量。表1 为常规闭式水方案与利用LNG 冷能后方案的技术经济对比表。

由表1 可见,利用LNG 冷能来冷却闭式水之后,设备的初投资费用节省约305 万,且节省开式水量约2900t/h。所以此方案有很高的经济性,且不受季节的影响,同时随机组的负荷情况,LNG 的冷能波动和闭式水量的变化成同一趋势,并且是相匹配的,所以可以作为1 种推荐方案。

LNG 蕴藏着大量的冷能, 在利用过程中可以采取多种方式,可根据机组的不同特点进行对比,选择合适的冷能利用方式,以回收LNG 冷能,达到节省能源、提高经济效益的目的。而在燃机联合循环机组的主厂房设计范围内利用LNG 气化过程产生的冷能是经济、环保、节水、省地、投资小的合理利用方式。

参考文献

1 顾华年,陈洪溪.燃气轮机电厂LNG 供气系统典型设计.发电设备,2009(1)

2 王巍悦,柳建华,陈曦.液化天然气(LNG)冷能用于发电燃气轮机进气冷却系统初探.中国制冷学会学术年会,创新与发展,2007

3 王强,厉彦忠,张朝昌.液化天然气(LNG) 冷能回收及其利用.低温工程,2002(4)

注:原文发表于《能源与环境》2013年第1期。

爱学习,爱生活,学习之路共精彩!

Copyright © 2018 武汉流光设备有限公司 鄂ICP备18016868号