XII燃氣蒸汽聯合循環機組中LNG冷能利用方案設計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u246001.1燃氣蒸汽循環中利用的方案設計 -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計 -2-27880a.循環水直接和冷媒進行換 -2-20510b.循環水間接和冷媒進行換熱 -3-61401.2燃氣蒸汽循環中冷媒利用方案設計時的要素 -8-242741.2.1冷媒系統設置的目的和意義 -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 -9-7164(3)冷媒比選 -10-1.1燃氣蒸汽循環中利用的方案設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，國內外大容量發電機組發電機普遍采用水冷冷卻。水內冷繞組的導體既是導電回路又是通水回路，定子繞組內部的空心導體里通水，水帶走發電機運行過程中產生的熱量，實現冷卻作用。1.1.1定子水冷卻器LNG需求冷量計算以哈電-東芝1000MW汽輪發電機為例。哈電1000MW汽輪發電機采用閉式循環水冷卻。和多數汽輪發電機一樣，定子繞組采用水冷，轉子繞組采用氫冷。定子循環水系統為汽輪發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電機發電效率。除此之外，汽輪機定子循環水系統還負責監控定子循環冷卻水的水質，保證循環冷卻水維持在適合的溫度和壓力。定子冷卻水系統的技術參數冷卻水入口溫度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（℃）。根據定子循環冷卻水定性溫度Tm和冷卻時壓力P查得冷卻水物性參數定壓比熱容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量M:1.1.2定子水冷卻器改造方案設計哈電-東芝1000MW汽輪發電機冷卻水系統的定子水冷卻器為板式冷卻器，其結構和傳熱模式如下圖所示。本節將設計利用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計。循環水直接和冷媒進行換此種方案圖如上圖所示。LNG和冷媒通過換熱設備進行換熱（這里以立式換熱設備為例），LNG和冷媒經過立式換熱設備進行逆流換熱，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備底部排出。降溫后的冷媒通過換熱器直接與定子水循環系統的循環冷卻水進行熱量交換。和定子循環水系統的循環冷卻水交換熱量后的冷媒經過冷媒泵重新打入立式換熱設備頂部，從而實現冷媒循環。此方案換熱效率會比較高。使定子循環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。同時因為設備減少，此方案成本也較上一方案低。但是由于此方案循環水和冷媒直接進行熱交換，對換熱器設備要求很高，需要重點預防冷媒泄露進汽輪機發電機。冷媒一般對金屬會有強腐蝕性，如果冷媒泄露進水冷發電機會銅導線經過冷媒腐蝕后會產生銅離子，銅離子會使冷卻水的導電性能提升，絕緣性能下降，會導致發電效率下降。為了解決這一問題，要對管道進行設計，保證管道的密閉性，防止冷媒泄露。還有應該避免設計過度復雜的管道，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，監測循環冷卻水量，偏離正常值時應該及時檢修，避免發電機銅導線的腐蝕。發電機內冷水水質直接影響了發電機的安全穩定運行，所以冷媒泄漏是此方案的一大缺點。循環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上進行升級改造，水冷發電機循環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。因為水冷發電機循環水并未直接和冷媒直接接觸，循環水通過冷卻水間接和冷媒進行換熱。如果發生冷媒泄露也不會污染到水冷發電機內的循環水。但是因為多了一個換熱設備，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缺點，一般選擇板式換熱器，主要原因分析如下。傳熱系數高管殼式換熱器相較于板式換熱器傳熱系數比較低，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構更加緊湊，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）條件下穩定工作。但冷媒壓力一般穩定在0.4Mpa即可進行合適的熱交換，此外冷媒、循環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計也是需要考慮的重點。除去之前介紹的立式換熱設備（系統如下圖所示），下面會分析兩種一體化換熱設備，它們各有優缺點，需要通過實際情況來進行合理選擇。A型一體化換熱設備A型一體化換熱設備結構如圖所示。A型一體化設備使用兩種冷媒，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，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。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型一體化換熱設備B型一體化換熱設備結構如圖所示。B型換熱設備不采取A型換熱設備的U型槽，而是讓冷媒2和LNG一樣在管道內流動。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換熱設備下部的冷媒2管道，和冷媒2進行換熱。換熱后，冷媒2放熱降溫，冷媒1吸熱升溫變為氣體，再次通過隔板的小孔升到換熱設備的頂部和LNG換熱，這樣完成冷媒1和LNG的換熱循環。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。結合上文分析，兩類新型換熱設備的差異在于換熱設備的結構不同導致冷媒系統、制造難度及系統操作等特點不同?？梢缘贸觯海?）立式換熱設備采用了立式安裝形式，高度比較高，安裝不方便。立式換熱設備只使用一種冷媒，冷媒直接和LNG進行換熱，所以設備結構比較簡單，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，堵塞傳熱設備，使換熱循環中斷。此外，由于冷媒流量大，還需要更大功率的泵來驅動，經濟性也不是很好。（2）A型換熱設備和B型換熱設備使用兩種冷媒。A型和B型換熱設備冷媒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。冷媒1在換熱過程中需要在液態和氣態兩種狀態轉化，液態時依靠重力不需要其他動力下落與乙二醇水溶液換熱，氣態時依靠自身的升力和LNG換熱，不需要其他的動力設備。所以即使增加了一種冷媒，但是并不需要額外的動力設備。但是，A型和B型換熱設備結構更為復雜，成本會較高。其中，B型換熱設備相對來說結構會稍微簡單一點，成本相應也降下來了。1.2燃氣蒸汽循環中冷媒利用方案設計時的要素1.2.1冷媒系統設置的目的和意義借助冷媒系統儲存冷能，可以將供氣高峰期過剩的冷能儲存在冷媒系統。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中獲得，從而確保冷能用戶的變化要求和穩定運行。冷媒循環系統主要由低溫儲罐（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，這四部分構成了連接LNG氣化系統和冷能用戶的橋梁，其主要作用如下：（1）冷媒在釋放冷量的過程并不是穩定，通過設置冷媒系統可以很好地解決這一問題。利用冷媒系統的冷媒常溫儲蓄罐和冷媒低溫儲蓄罐，可以穩定冷媒釋放冷量的過程。當和冷媒進行換熱的冷卻設備需要的冷量波動時，冷媒系統可以根據這個波動隨時調節，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。所以利用冷媒系統的另一大作用就是及時高效地回收冷媒，保證冷媒的正產循環，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，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潛熱大、冷凝壓力低、凝固溫度低、蒸發壓力高、臨界溫度高的物理特性，此外對于氣態冷媒其比容積小，液態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穩定、對環境無污染性、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致冷劑都使用氟利昂。全世界曾經廣泛使用氟利昂12作為制冷劑，尤其在空調制冷上廣泛使用?，F在氟利昂仍然是我國和大多數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，而且不容易被發現。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象。如今雖然國際上已經禁止將氟利昂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水的蒸氣壓會發生改變，在一般范圍內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，所以很容易發生酸堿中和反應從而生成酸性物質，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點。氨的制作工藝經過多年發展已經很成熟了，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。在冷凝器和蒸發器中的壓力適中。尤其以潛熱大、價格低廉及不會破壞環境最為顯著的特性而成為最適合做冷媒物質的一種。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