徐 靜，閆 軍

（1.鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000；2.內(nèi)蒙古藍(lán)拓環(huán)境科技有限公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

0 引言

風(fēng)溫升高會(huì)顯著影響空冷散熱器的換熱性能，使得散熱器換熱效果下降、換熱性能惡化。風(fēng)溫升高，直接空冷機(jī)組排汽飽和溫度升高，機(jī)組運(yùn)行背壓升高。在特殊氣象條件下，風(fēng)溫急劇升高會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)報(bào)警或停機(jī)事故。風(fēng)溫升高時(shí)直接空冷機(jī)組帶負(fù)荷能力降低，出現(xiàn)出力受阻現(xiàn)象；風(fēng)溫升高時(shí)直接空冷機(jī)組汽耗率、熱耗率、發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率，以及發(fā)電成本均增大，直接空冷機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性降低。

目前，火電廠普遍采用噴霧增濕的方法降低空冷散熱器入口空氣溫度，改善空冷散熱器的換熱效果，降低機(jī)組背壓，從而提高機(jī)組出力。采用化學(xué)除鹽水噴霧增濕法的缺點(diǎn)：①必須采用化學(xué)除鹽水，耗水及費(fèi)用高；②大量耗水，對(duì)高溫期長(zhǎng)時(shí)間調(diào)整、優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行參數(shù)不適用；③由于水的冰凍問(wèn)題，在低溫季節(jié)解決不利風(fēng)速、風(fēng)向?qū)е嘛L(fēng)溫升高而引發(fā)的機(jī)組運(yùn)行問(wèn)題不太方便。為避免這些缺點(diǎn)，本文分析研究用液氮替代除鹽水的降風(fēng)溫措施，即噴液氮降溫法。

噴液氮降溫法的特點(diǎn)：①空氣中含78%氮?dú)?，可采用氮?dú)庖夯b置制取，取之不竭，用之不完，無(wú)環(huán)境污染，散熱器不會(huì)產(chǎn)生污垢或被腐蝕；②不消耗水資源，保持了空冷的節(jié)水特點(diǎn)；③氮?dú)庖夯柘哪茉矗谝归g低溫低負(fù)荷期間以廠用電制取并儲(chǔ)存。白天高溫期通常也是高負(fù)荷期，噴灑降溫以調(diào)整、優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，提高機(jī)組的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和帶負(fù)荷能力，具有蓄能調(diào)峰的意義；④廣泛應(yīng)用空冷技術(shù)、富煤缺水的北方地區(qū)，晝夜溫差大，夏季高溫期每日對(duì)空冷機(jī)組運(yùn)行參數(shù)不利影響時(shí)段大約在11:00～15:00，不利高溫時(shí)段較短，噴液氮量較小，制、儲(chǔ)液氮設(shè)備費(fèi)用不會(huì)太大；⑤液氮制取、儲(chǔ)存、噴灑系統(tǒng)可全天候工作，適合解決任何氣溫下不利風(fēng)速、風(fēng)向?qū)е嘛L(fēng)溫升高而引發(fā)的機(jī)組運(yùn)行問(wèn)題。

1 噴液氮降溫法原理

噴液氮降溫法就是向空冷島內(nèi)噴液氮降溫的方法。工作原理：向濕空氣中噴液氮的過(guò)程其實(shí)是濕空氣的冷卻定濕過(guò)程[1]，如圖1 所示。此過(guò)程中，在濕空氣的壓力、含濕量均不變的情況下，液氮迅速氣化，吸收空氣內(nèi)能，降低空氣干球溫度。濕空氣的冷卻定濕過(guò)程見(jiàn)圖2 中的1→2 過(guò)程。此過(guò)程特征就是隨著冷卻量的增加，濕空氣的含濕量不變，焓減小，相對(duì)濕度增加，致使?jié)窨諝鉁囟冉档?。在焓濕圖上，該過(guò)程沿定含濕量線向溫度降低方向進(jìn)行。

如果不計(jì)濕空氣的宏觀動(dòng)能和重力位能。那么含1 kg 干空氣的濕空氣在過(guò)程中的吸熱量q 為：

式中 h1——過(guò)程初狀態(tài)濕空氣的焓，kJ/kg（DA）

h2——過(guò)程終狀態(tài)濕空氣的焓，kJ/kg（DA）

2 噴液氮降溫?cái)?shù)學(xué)模型建立

根據(jù)上述分析，建立噴液氮降溫法的數(shù)學(xué)模型，可定量分析噴液氮前空氣溫度t1、壓力p1、相對(duì)濕度φ1，以及噴液氮降溫后空氣溫度t2及所需噴液氮量的關(guān)系。

圖1 向空氣中噴液氮過(guò)程示意

根據(jù)t1、p1及φ1，求出噴液氮前空氣含濕量d1后，根據(jù)式（2），可計(jì)算出h1。在計(jì)算出噴液氮前空氣含濕量d1、h1的條件下，再根據(jù)噴液氮降溫法實(shí)質(zhì)是空氣的定濕冷卻過(guò)程，即d1=d2，得出噴液氮降溫后空氣含濕量d2。然后根據(jù)

，可得出噴液氮降溫后空氣的比焓值h2。

圖2 空氣冷卻定濕過(guò)程焓濕圖

式中 h——空氣比焓值，kJ/kg（DA）

t——空氣溫度，℃

d——空氣含濕量，kg/kg（DA）

由于液氮噴入空冷島內(nèi)，能量守恒有

式中 qma——進(jìn)入空冷島的空氣量，kg/s

h1——進(jìn)入空冷島的空氣的比焓值，kJ/kg

h2——降溫后空氣的比焓值，kJ/kg

Q——所噴液氮的冷量，kJ/s

t——噴液氮后空冷島內(nèi)空氣溫度，℃

qm，LN——所噴液氮量，kg/s

將式（4）代入式（3），可得出

當(dāng)風(fēng)溫升高影響機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)上述各式計(jì)算出溫降為Δt（t1-t2）時(shí)所需噴液氮量qm，LN，噴灑降溫，調(diào)節(jié)、控制機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，使其在最優(yōu)工況下運(yùn)行。

3 噴液氮降溫法的可行性分析

噴液氮降溫法是否可行，關(guān)鍵在于液氮制取、儲(chǔ)存工藝等在技術(shù)方面是否可行，以及液氮制取費(fèi)用及噴灑液氮獲取的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益是否可行。因此，需要分析研究噴液氮降溫法的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性。

3.1 液氮的制備技術(shù)

目前，液氮需求量小的醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、食品行業(yè)，所用液氮都是以空氣作為來(lái)源，利用空氣分離裝置制取。工業(yè)生產(chǎn)中需求的大量液氮一般由空氣分離裝置出來(lái)的低壓氮?dú)饨?jīng)氮液化裝置制取。氮液化裝置因氮液化循環(huán)的差異分為不同類(lèi)型。因此，氮液化循環(huán)的選擇成為制取液氮的關(guān)鍵問(wèn)題。

一般氮液化循環(huán)的方法主要有：①有預(yù)冷的節(jié)流液化循環(huán)法；②有預(yù)冷的高壓帶活塞膨脹機(jī)的液化循環(huán)法；③中壓帶透平膨脹機(jī)的液化循環(huán)法；④兩級(jí)預(yù)冷高壓或中壓液化循環(huán)法；⑤與其他深冷裝置結(jié)合的液化循環(huán)法[2-4]。

表1 是5 種氮液化循環(huán)的比較，可知有預(yù)冷的高壓帶活塞膨脹機(jī)的液化循環(huán)因能耗較大、設(shè)備費(fèi)用高、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性較差，故使用范圍小。節(jié)流液化循環(huán)的能耗較高，很少被采用。中壓帶透平膨脹機(jī)的液化循環(huán)因能耗低、設(shè)備費(fèi)用低，應(yīng)用于大、中型氮液化裝置[5]。

3.2 液氮儲(chǔ)存技術(shù)

噴液氮降溫法使用的液氮一般在夜間用電負(fù)荷小時(shí)制備，因此液氮需要儲(chǔ)存在容器中。在常壓下液氮屬于低溫液體，一般儲(chǔ)存在杜瓦容器中（杜瓦容器是多層真空絕熱容器的總稱(chēng)）。目前市場(chǎng)上的杜瓦容器種類(lèi)很多，儲(chǔ)存能力5～2000 m3。

液氮儲(chǔ)罐采用碳鋼或不銹鋼材料制成，使用真空粉末絕熱或高真空多層纏繞絕熱方式設(shè)計(jì)制造，具有絕熱性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、操作維修方便等特點(diǎn)。

綜上可知，市場(chǎng)上已有成熟的設(shè)備用于液氮制取與儲(chǔ)存，技術(shù)上具有可行性。

3.3 噴液氮降溫法的經(jīng)濟(jì)性分析

噴液氮降溫法消耗液氮，降低空冷散熱器進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)溫，起到改善空冷散熱器換熱效果的目的，因此制取液氮能耗費(fèi)用成為分析此方法經(jīng)濟(jì)性的關(guān)鍵問(wèn)題。制取液氮能耗費(fèi)用的高低主要取決于生產(chǎn)液氮能耗的大小。由表1 可知，液氮產(chǎn)品能耗的大小主要取決于液化循環(huán)的選擇，不同的液化循環(huán)能耗不同。采用與其他深冷裝置結(jié)合的液化循環(huán)，液氮產(chǎn)品能耗可降至0.4 kW·h/kg。

（1）生產(chǎn)1 kg 液氮能耗費(fèi)用。液氮生產(chǎn)在夜間用電低負(fù)荷時(shí)段進(jìn)行，產(chǎn)液氮耗電為廠用電，電價(jià)按0.284 9 元/（kW·h）計(jì)算，則生產(chǎn)1 kg 液氮能耗費(fèi)用為0.113 96 元。

（2）噴1 kg 液氮的經(jīng)濟(jì)效益。向空冷島進(jìn)風(fēng)側(cè)噴液氮，降低空冷島進(jìn)風(fēng)側(cè)氣溫，改善空冷散熱器換熱效果。使得直接空冷機(jī)組運(yùn)行背壓降低，機(jī)組出力增加。

以某電廠600 MW 直接空冷機(jī)組為例進(jìn)行計(jì)算。①夏季氣溫升高為32 ℃時(shí)，機(jī)組背壓為31.337 kPa，機(jī)組排汽比焓為2162 kJ/kg，機(jī)組功率為603.13 MW，空冷風(fēng)機(jī)風(fēng)量428 m3/s，空氣密度0.991 kg/m3，風(fēng)機(jī)數(shù)量56 臺(tái)。向空冷島進(jìn)風(fēng)側(cè)1 s 噴入1 kg 液氮后，機(jī)組背壓降低為31.317 kPa，機(jī)組排汽比焓降為2160 kJ/kg，機(jī)組功率為604.11 MW；②氣溫31.98 ℃，機(jī)組背壓31.317 kPa，機(jī)組排汽比焓2160 kJ/kg，機(jī)組功率604.11 MW。向空冷島內(nèi)1 s 噴入1 kg 液氮可使600 MW 直接空冷機(jī)組背壓降低0.02 kPa，機(jī)組出力增加0.98 MW，折合電量0.272 kW·h。若按上網(wǎng)電價(jià)0.417 元/（kW·h）計(jì)算，噴1 kg 液氮機(jī)組增加出力電量收益為0.113 43 元。

通過(guò)氣溫對(duì)鍋爐發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率的分析可知，600 MW 直接空冷機(jī)組氣溫高于機(jī)組設(shè)計(jì)溫度的情況下，氣溫降低1 ℃，鍋爐發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率減小4.252 g/（kW·h）。同理1 s 噴入1 kg 液氮，氣溫降低0.02 ℃，鍋爐發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率減小0.085 g（/kW·h）。按標(biāo)煤價(jià)格350 元/t 計(jì)算可知，噴1 kg 液氮，鍋爐發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率降低獲得的收益為0.000 03 元。

表1 以氮?dú)鉃楣べ|(zhì)的液化循環(huán)比較（T1=300 K，p1=101.3 kPa）

（3）噴液氮凈能耗費(fèi)用核算。通過(guò)上述分析可知，1 kg 液氮制造能耗與噴灑減溫發(fā)電增量、節(jié)約煤耗相抵后的凈能耗費(fèi)用為0.000 5 元。

因此采用噴液氮降溫法，所噴液氮的凈能耗費(fèi)用不大，1 t液氮的凈能耗費(fèi)用僅為0.5 元，經(jīng)濟(jì)上具有可行性。

4 結(jié)語(yǔ)

選擇合理的氮液化循環(huán)，恰當(dāng)降低液氮產(chǎn)品的能耗，從而降低噴液氮降溫法的能耗成本。甚至可使生產(chǎn)液氮能耗費(fèi)用與噴液氮獲得發(fā)電增量、節(jié)約煤耗所得的收益相平衡。同時(shí)可有效解決各種因素導(dǎo)致的直接空冷系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)溫升高引發(fā)機(jī)組運(yùn)行參數(shù)惡化等一系列問(wèn)題，獲得高風(fēng)溫時(shí)段調(diào)整、優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行參數(shù)，提高機(jī)組帶負(fù)荷能力、使機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，采用噴液氮降溫法，技術(shù)與經(jīng)濟(jì)方面均具有可行性，而且具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。