XII燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)機組中LNG冷能利用方案設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u246001.1燃氣蒸汽循環(huán)中利用的方案設(shè)計 -1-291391.1.1定子水冷卻器LNG需求冷量計算 -1-60761.1.2定子水冷卻器改造方案設(shè)計 -2-27880a.循環(huán)水直接和冷媒進行換 -2-20510b.循環(huán)水間接和冷媒進行換熱 -3-61401.2燃氣蒸汽循環(huán)中冷媒利用方案設(shè)計時的要素 -8-242741.2.1冷媒系統(tǒng)設(shè)置的目的和意義 -8-56791.2.2冷媒比選 -9-22249(1)理想冷媒特性分析 -9-249(2)主要冷媒及其性質(zhì) -9-7164(3)冷媒比選 -10-1.1燃氣蒸汽循環(huán)中利用的方案設(shè)計以定子水冷卻器為例進行實例分析。由于水冷的冷卻效果是氫冷的50倍，國內(nèi)外大容量發(fā)電機組發(fā)電機普遍采用水冷冷卻。水內(nèi)冷繞組的導體既是導電回路又是通水回路，定子繞組內(nèi)部的空心導體里通水，水帶走發(fā)電機運行過程中產(chǎn)生的熱量，實現(xiàn)冷卻作用。1.1.1定子水冷卻器LNG需求冷量計算以哈電-東芝1000MW汽輪發(fā)電機為例。哈電1000MW汽輪發(fā)電機采用閉式循環(huán)水冷卻。和多數(shù)汽輪發(fā)電機一樣，定子繞組采用水冷，轉(zhuǎn)子繞組采用氫冷。定子循環(huán)水系統(tǒng)為汽輪發(fā)電機定子繞組提供冷卻水，保證定子繞組不會超溫從而影響發(fā)電機發(fā)電效率。除此之外，汽輪機定子循環(huán)水系統(tǒng)還負責監(jiān)控定子循環(huán)冷卻水的水質(zhì)，保證循環(huán)冷卻水維持在適合的溫度和壓力。定子冷卻水系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)冷卻水入口溫度T1冷取水出口溫T2冷卻水壓力P冷卻水流量Qv46℃75℃0.33Mpa1960L/min定子循環(huán)冷卻水定性溫度Tm為：℃T1為冷卻水入口溫度（℃）；T2為冷卻水出口溫度（℃）。根據(jù)定子循環(huán)冷卻水定性溫度Tm和冷卻時壓力P查得冷卻水物性參數(shù)定壓比熱容cp=1.18467kJ/(kg?k)。定子水冷卻器每分鐘和定子繞組交換冷量為：根據(jù)第二章LNG冷能冷量計算可知LNG蘊含最大冷量理論值Q為811.2kJ/kg,可以計算得出使用LNG冷能進行冷卻每分鐘所需要的理論質(zhì)量M:1.1.2定子水冷卻器改造方案設(shè)計哈電-東芝1000MW汽輪發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)的定子水冷卻器為板式冷卻器，其結(jié)構(gòu)和傳熱模式如下圖所示。本節(jié)將設(shè)計利用LNG冷能的換熱方案。通過查閱文獻提供了以下幾種可供利用的方案設(shè)計。循環(huán)水直接和冷媒進行換此種方案圖如上圖所示。LNG和冷媒通過換熱設(shè)備進行換熱（這里以立式換熱設(shè)備為例），LNG和冷媒經(jīng)過立式換熱設(shè)備進行逆流換熱，LNG吸熱降溫，冷媒放熱降溫。LNG從立式換熱設(shè)備的底部進入，和冷媒換熱后依靠重力自然回落至立式換熱設(shè)備底部排出。降溫后的冷媒通過換熱器直接與定子水循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)冷卻水進行熱量交換。和定子循環(huán)水系統(tǒng)的循環(huán)冷卻水交換熱量后的冷媒經(jīng)過冷媒泵重新打入立式換熱設(shè)備頂部，從而實現(xiàn)冷媒循環(huán)。此方案換熱效率會比較高。使定子循環(huán)冷卻水直接和冷媒進行熱量交換，這樣可以顯著提高換熱效率。同時因為設(shè)備減少，此方案成本也較上一方案低。但是由于此方案循環(huán)水和冷媒直接進行熱交換，對換熱器設(shè)備要求很高，需要重點預防冷媒泄露進汽輪機發(fā)電機。冷媒一般對金屬會有強腐蝕性，如果冷媒泄露進水冷發(fā)電機會銅導線經(jīng)過冷媒腐蝕后會產(chǎn)生銅離子，銅離子會使冷卻水的導電性能提升，絕緣性能下降，會導致發(fā)電效率下降。為了解決這一問題，要對管道進行設(shè)計，保證管道的密閉性，防止冷媒泄露。還有應該避免設(shè)計過度復雜的管道，冷媒管道應該便于檢修而且耐冷媒腐蝕。除此之外，還要求工人定期檢修，監(jiān)測循環(huán)冷卻水量，偏離正常值時應該及時檢修，避免發(fā)電機銅導線的腐蝕。發(fā)電機內(nèi)冷水水質(zhì)直接影響了發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行，所以冷媒泄漏是此方案的一大缺點。循環(huán)水間接和冷媒進行換熱此種方案圖如上圖所示。此方案相比上一方案是在定子水冷卻器的基礎(chǔ)上進行升級改造，水冷發(fā)電機循環(huán)水通過板式冷卻器和冷卻水進行熱量交換。此方案可以很好的解決上一方案冷媒泄露的問題。因為水冷發(fā)電機循環(huán)水并未直接和冷媒直接接觸，循環(huán)水通過冷卻水間接和冷媒進行換熱。如果發(fā)生冷媒泄露也不會污染到水冷發(fā)電機內(nèi)的循環(huán)水。但是因為多了一個換熱設(shè)備，此方案效率較上一方案會比較低。下面將討論上述方案設(shè)計圖中與冷媒進行熱量交換的換熱器類型選擇。如今常見的換熱器類型有管殼式換熱器和板式換熱器。通過比較管殼式換熱器和板式換熱器優(yōu)缺點，一般選擇板式換熱器，主要原因分析如下。傳熱系數(shù)高管殼式換熱器相較于板式換熱器傳熱系數(shù)比較低，所以換熱強度不高，主要是因為比起板式換熱器，管殼式換熱器換熱面積更小。由傳熱學的知識可知，換熱面積小，換熱量會小。占地面積小板式換熱器結(jié)構(gòu)更加緊湊，同時換熱面積也大于管殼式換熱器，在換熱量相同時，板式換熱器占地面積要比殼式換熱器小很多。價格低廉板式換熱器價格普遍比管殼式換熱器價格更低。板式換熱器也有許多缺點，比如不能在高壓（2.5Mpa以上）、高溫（250℃以上）條件下穩(wěn)定工作。但冷媒壓力一般穩(wěn)定在0.4Mpa即可進行合適的熱交換，此外冷媒、循環(huán)水及冷卻水溫度遠遠達不到250℃，所以板式換熱器是最佳選擇。LNG和冷媒進行熱交換的換熱器設(shè)計也是需要考慮的重點。除去之前介紹的立式換熱設(shè)備（系統(tǒng)如下圖所示），下面會分析兩種一體化換熱設(shè)備，它們各有優(yōu)缺點，需要通過實際情況來進行合理選擇。A型一體化換熱設(shè)備A型一體化換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖所示。A型一體化設(shè)備使用兩種冷媒，LNG先與冷媒1進行換熱，冷媒1吸熱液化依靠重力作用落入U型槽。在U型槽內(nèi)，冷媒1和冷媒2進行換熱。冷媒1換熱升溫氣化，上升到換熱設(shè)備頂部再次和LNG換熱，以此完成冷媒1和LNG的熱量交換循環(huán)。冷媒2和冷媒1換熱后降溫。至此，LNG冷能傳遞至冷媒2，由冷媒2將冷量提供給冷能用戶。（2）B型一體化換熱設(shè)備B型一體化換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖所示。B型換熱設(shè)備不采取A型換熱設(shè)備的U型槽，而是讓冷媒2和LNG一樣在管道內(nèi)流動。通過隔板將LNG管道和冷媒2管道隔開。隔板上有小孔以便于冷媒1的流動，和LNG換熱降溫液化后通過小孔和冷媒2換熱。LNG進入換熱設(shè)備和冷媒1進行換熱。換熱后，冷媒1降溫液化，通過隔板的小孔流經(jīng)換熱設(shè)備下部的冷媒2管道，和冷媒2進行換熱。換熱后，冷媒2放熱降溫，冷媒1吸熱升溫變?yōu)闅怏w，再次通過隔板的小孔升到換熱設(shè)備的頂部和LNG換熱，這樣完成冷媒1和LNG的換熱循環(huán)。至此，LNG冷能傳遞至冷媒2，由冷媒2將冷能傳遞給冷能用戶。結(jié)合上文分析，兩類新型換熱設(shè)備的差異在于換熱設(shè)備的結(jié)構(gòu)不同導致冷媒系統(tǒng)、制造難度及系統(tǒng)操作等特點不同。可以得出：（1）立式換熱設(shè)備采用了立式安裝形式，高度比較高，安裝不方便。立式換熱設(shè)備只使用一種冷媒，冷媒直接和LNG進行換熱，所以設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡單，造價成本低，也減輕了運行費用。但是由于使用乙二醇水溶液為冷媒，乙二醇水溶液和LNG溫差很大，可能會是冷媒降溫到凝固，堵塞傳熱設(shè)備，使換熱循環(huán)中斷。此外，由于冷媒流量大，還需要更大功率的泵來驅(qū)動，經(jīng)濟性也不是很好。（2）A型換熱設(shè)備和B型換熱設(shè)備使用兩種冷媒。A型和B型換熱設(shè)備冷媒2一般也會選取乙二醇水溶液。冷媒1作為LNG和乙二醇水溶液的換熱介質(zhì)。冷媒1在換熱過程中需要在液態(tài)和氣態(tài)兩種狀態(tài)轉(zhuǎn)化，液態(tài)時依靠重力不需要其他動力下落與乙二醇水溶液換熱，氣態(tài)時依靠自身的升力和LNG換熱，不需要其他的動力設(shè)備。所以即使增加了一種冷媒，但是并不需要額外的動力設(shè)備。但是，A型和B型換熱設(shè)備結(jié)構(gòu)更為復雜，成本會較高。其中，B型換熱設(shè)備相對來說結(jié)構(gòu)會稍微簡單一點，成本相應也降下來了。1.2燃氣蒸汽循環(huán)中冷媒利用方案設(shè)計時的要素1.2.1冷媒系統(tǒng)設(shè)置的目的和意義借助冷媒系統(tǒng)儲存冷能，可以將供氣高峰期過剩的冷能儲存在冷媒系統(tǒng)。當供氣量不足使得LNG的氣化量降低時，冷用戶急需的冷能可以從儲存的冷媒系統(tǒng)中獲得，從而確保冷能用戶的變化要求和穩(wěn)定運行。冷媒循環(huán)系統(tǒng)主要由低溫儲罐（包含相變儲能材料）、高溫儲罐、冷媒與天然氣換熱器、低溫冷媒與高溫冷媒換熱器等四部分組成，這四部分構(gòu)成了連接LNG氣化系統(tǒng)和冷能用戶的橋梁，其主要作用如下：（1）冷媒在釋放冷量的過程并不是穩(wěn)定，通過設(shè)置冷媒系統(tǒng)可以很好地解決這一問題。利用冷媒系統(tǒng)的冷媒常溫儲蓄罐和冷媒低溫儲蓄罐，可以穩(wěn)定冷媒釋放冷量的過程。當和冷媒進行換熱的冷卻設(shè)備需要的冷量波動時，冷媒系統(tǒng)可以根據(jù)這個波動隨時調(diào)節(jié)，在任何時候使用最適量的冷媒來進行冷量交換；（2）冷媒換熱要考慮兩件事。首先是冷媒的冷能利用，保證冷媒可以滿足冷能用戶的需求。另一件需要考慮的事是提供冷能給冷能用戶后，如何回收冷媒。冷媒不是一次性的，如果不考慮回收冷能，就會增加冷媒冷能交換的成本。所以利用冷媒系統(tǒng)的另一大作用就是及時高效地回收冷媒，保證冷媒的正產(chǎn)循環(huán)，更好的減低運營成本。此外，還能保證LNG的氣化過程和冷能回收過程可以依照下游用戶的需求而隨時改變；（3）LNG直接和冷能用戶進行熱量交換具有很高的效率，但是LNG和冷能用戶必須在高壓的條件下才可以進行高效地熱量交換。引入冷媒作為換熱媒介可以減低換熱條件，LNG不需要再很高的壓力下才能釋放足夠的冷能。LNG先和冷媒進行換熱，然后通過冷媒和冷能用戶進行換熱。這樣可以極大地減少成本，管線運輸材料也有了更多經(jīng)濟的選擇；(4)所接收LNG冷能的冷能用戶并不單一,LNG冷能可以應用在很多地方。就比如上一章所提到的對汽輪機的排汽進行冷卻還可以進行冷能發(fā)電。不同冷能用戶所需要的冷能水平標準是不一樣的，建立冷媒系統(tǒng)，可以更好地分級利用LNG冷能。從而最大化利用LNG冷能；(5)方便冷能價值計量。1.2.2冷媒比選(1)理想冷媒特性分析理想冷媒應該滿足蒸發(fā)潛熱大、冷凝壓力低、凝固溫度低、蒸發(fā)壓力高、臨界溫度高的物理特性，此外對于氣態(tài)冷媒其比容積小，液態(tài)冷媒其密度要高并且可以溶于冷凍油等特點。理想冷媒應該滿足化學性質(zhì)穩(wěn)定、對環(huán)境無污染性、沒有腐蝕性、沒有毒性的化學特性。除了上訴物理特性和化學特性的要求外，近年來對環(huán)境是否有污染性、全球變暖潛等新指標也值得引起重視。(2)主要冷媒及其性質(zhì)a.氟利昂氟利昂是一種無色，無味、無毒、無腐蝕性的氣體。它已有60多年的使用歷史。氟利昂因為其液化特性很好，所以是目前市面上絕多大數(shù)致冷劑都使用氟利昂。全世界曾經(jīng)廣泛使用氟利昂12作為制冷劑，尤其在空調(diào)制冷上廣泛使用?，F(xiàn)在氟利昂仍然是我國和大多數(shù)國家在制冷劑選取上的首選。然而氟利昂也有諸多缺點。氟利昂11和氟利昂12尤甚，它們都具有很強的滲透能力，非常容易泄露，而且不容易被發(fā)現(xiàn)。氟利昂氣體遇到明火，可能會迅速地分解為帶有毒性的氟化氫和氯化氫，并且隨之釋放出有毒性的光氣。更嚴重的問題就是這種氣體逸散到環(huán)境中對于臭氧層具有很強大的破壞性，造成臭氧層的空洞現(xiàn)象。如今雖然國際上已經(jīng)禁止將氟利昂11和氟利昂12作為致冷劑來使用，但并未禁止使用氟利昂22作為制冷劑。b.乙二醇水溶液乙二醇是一種沒有顏色沒有臭味有一點粘度的液體，沸點為197.4℃，冰點是-11.6℃。乙二醇可以與水以任意比例摻混?；旌虾罄鋮s水的蒸氣壓會發(fā)生改變，在一般范圍內(nèi)其降低程度隨著乙二醇的含量增加而降低，并且凝固點也會明顯降低，當乙二醇的含量值是72％時，冰點溫度可以降低到-72℃。如果超出這個臨界值，冰點不會按預期中下降反而會上升。但是乙二醇水溶液的比熱容比較低而且相對密度比較高，傳熱性能不如水，所以需要更大的換熱面積。在使用過程中，乙二醇水溶液具有很好的氧化性，所以很容易發(fā)生酸堿中和反應從而生成酸性物質(zhì)，所以要避免乙二醇溶液和金屬接觸，以免腐蝕金屬。c.氨冷媒氨冷媒幾乎完全具有冷媒必要的優(yōu)點。氨的制作工藝經(jīng)過多年發(fā)展已經(jīng)很成熟了，所以制備氨很容易。而且氨不會破壞臭氧層，所以不會導致溫室效應。在冷凝器和蒸發(fā)器中的壓力適中。尤其以潛熱大、價格低廉及不會破壞環(huán)境最為顯著的特性而成為最適合做冷媒物質(zhì)的一種。但也有諸多缺點。氨制冷劑易燃、有毒性，遇水后對青銅合金、銅和鋅具有強腐蝕