煤層氣公司??王 ?托??徐樂宇

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摘??要??瓦斯發(fā)電機組的燃料能源轉換分配率只有約35%的能量轉換為電能，大興電站通過安裝板式換熱器、煙氣余熱回收裝置，利用機組余熱制熱水，不僅提高了能量轉換率，還可向礦方供應熱水或售賣熱水，收到了良好的經(jīng)濟效益。

關鍵詞??板式換熱器?煙氣余熱回收裝置??低溫預加熱系統(tǒng)高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)

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1??引 ?言

鐵法礦區(qū)煤層氣利用廣泛，擁有完善的地面輸、儲、配系統(tǒng)，2007年開始陸續(xù)又在5個主要氣源礦井、10個瓦斯抽采泵站附近建設了7座瓦斯發(fā)電站，發(fā)電并入礦區(qū)內部電網(wǎng)，對礦區(qū)用電做了有效補充。

瓦斯的熱值約為30.44MJ/m³，一度電的熱值約為3.6MJ，理論上一立方米純量瓦斯只能轉換3度電。瓦斯發(fā)電機組的能量只有約為35%能被轉化為電能；其余約30%的能量隨煙氣排入室外；約25%的能量被機組的冷卻循環(huán)水帶走，還有約10%的能量轉換損失。如能將除電能轉換以外能量加以利用，大大提高能量轉化率，將有極大的示范作用。

2 ?余熱利用方式

在瓦斯發(fā)電機運行中，余熱利用的方式分為低溫預熱系統(tǒng)和高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)。低溫預熱系統(tǒng)是利用機組的冷卻循環(huán)系統(tǒng)加裝板式換熱器，通過水-水的熱交換方式，對供水源進行預加熱后進入蓄熱水箱；高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)是利用機組的尾氣煙道各加裝煙氣余熱回收裝置，通過氣-水的熱交換方式，通過熱水泵、循環(huán)加熱管道、蓄熱水箱形成閉式循環(huán)，對供水源進行循環(huán)加熱，使得能量進一步利用，最大限度的提高能源利用率。

3 ?余熱利用改造

以鐵法能源大興電站為例，大興瓦斯發(fā)電站建設于2007年，并于同年投產(chǎn)發(fā)電，裝機容量為1.5兆瓦。主發(fā)電設備選用山東勝動集團生產(chǎn)的500GF1-3RW型瓦斯發(fā)電機組。2017年容量擴建為2.1兆瓦，主發(fā)電設備選用山東淄博新能源的700GFWd型瓦斯發(fā)電機組，運行方式為三臺發(fā)電機組并列運行，在每臺機組的冷卻循環(huán)系統(tǒng)上各安裝了一臺板式換熱器和在每臺機組的尾氣煙道各安裝了一臺煙氣余熱回收裝置，通過低溫預熱系統(tǒng)不斷地補給來保持蓄熱水箱的水位；通過高溫循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)加熱來保持蓄熱水箱的水溫，從而供給礦方熱水或售賣熱水。工藝圖如圖1所示。

圖1 ?大興電站機組余熱利用工藝圖

3.1 ?低溫預熱系統(tǒng)

3.1.1 ?發(fā)電機組冷卻循環(huán)系統(tǒng)加裝板式換熱器

換熱器選用的是睿能太宇能源技術公司生產(chǎn)的SH0640M16-52型，傳輸介質為的水—水的板式換熱器，換熱面積可達12.5㎡，是用薄金屬板壓制成具有一定波紋形狀的換熱板片，然后疊裝，用夾板、螺栓緊固而成的一種換熱器。各種板片之間形成薄矩形通道，通過半片進行熱量交換。工作流體在兩塊板片間形成的窄小而曲折的通道中流過。冷熱流體依次通過流道，中間有一隔層板片將流體分開，并通過此板片進行換熱。板式換熱器的結構及換熱原理決定了其具有結構緊湊、占地面積小、傳熱效率高、操作靈活、應用范圍廣、熱損失小、安裝和清洗方便等特點。低溫預熱系統(tǒng)工藝圖如圖2所示，板式換熱器實際安裝如圖3所示。

圖2 ?低溫預熱系統(tǒng)工藝圖

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???圖3 ?板式換熱器實際安裝圖

板式換熱器加裝在發(fā)電機組冷卻循環(huán)系統(tǒng)中，站內軟化水通過換熱器給水泵分別由圖2的11、21、31進入三臺板式換熱器，通過與機組循環(huán)冷卻水實現(xiàn)“水—水”換熱，換熱后分別由圖2的12、22、32流出匯入低溫預加熱管道，進入蓄熱水箱。經(jīng)過低溫預熱系統(tǒng)，可將站內軟化水由10℃提高至30℃以上。

3.1.2 ?低溫預熱系統(tǒng)熱量計算

低溫預熱系統(tǒng)，能收集發(fā)電機組的冷卻循環(huán)水熱量，發(fā)電機組冷卻循環(huán)水通過換熱，由85℃左右降至45℃左右。每小時能夠回收的熱量為Q₁：

Q₁=C₁?M₁?ΔT₁?η

式中 ?Q₁——熱量，MJ/h；

C₁——水的比熱容，取4.2kJ/kg·℃；

M₁——水的質量，即每小時流量，DN100自來水管道流量取48.76m3/h；

ΔT₁——溫差，85℃-45℃=40℃；

η——換熱器熱效率，取85%。

經(jīng)計算，Q₁=6963MJ/h。

3.2 ?高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)

3.2.1 ?發(fā)電機組尾氣煙道加裝余熱回收裝置

煙氣余熱回收裝置選用的是青島凱能鍋爐設備有效公司生產(chǎn)的KNPT系列針形管余熱回收裝置，是專為煙氣余熱回收而設計的專用高效節(jié)能產(chǎn)品。采用針形管強化傳熱元件擴展受熱面，水管煙側的受熱面可大大增加，同時煙氣流經(jīng)針形管表面時形成強烈的紊流，起到提高傳熱效率和減少煙灰積聚的作用。該余熱回收設備具有結構簡單、熱效率高、運行壽命長、安全可靠、維護方便等優(yōu)點。高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)工藝圖如圖4所示，余熱回收裝置實際安裝如圖5所示。

圖4 ?高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)工藝圖

圖5 ?余熱回收裝置實際安裝圖

余熱回收裝置加裝在發(fā)電機組尾氣煙道中，從蓄熱水箱出口通過熱水泵站分別由圖4的41、51、61進入三臺余熱回收裝置，通過與煙氣余熱回收裝置實現(xiàn)“氣—水”換熱，換熱后分別由圖4的42、52、62流出匯入高溫循環(huán)熱管道，進入蓄熱水箱，對蓄熱水箱經(jīng)過循環(huán)加熱系統(tǒng)，可將蓄熱水箱的水由30℃逐步加溫提高至70℃以上。

3.2.2 ?高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)熱量計算

高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)，能收集發(fā)電機組的排煙氣中的熱量，與發(fā)電機組排煙氣進過換熱，通過換熱，發(fā)電機組排煙氣溫度由550℃左右降至150℃左右。按每立方米純量瓦斯可發(fā)電2.5kWh,空燃氣比15:1計算，700GFWd燃氣發(fā)電機組正常發(fā)電功率為500kW時的總耗氣量W：

W=P÷N×（15+1）

式中 ?W——總耗氣量，m³/h；

P——機組平均功率，取500kWh；

N——發(fā)電比值，取2.5。

經(jīng)計算，W=3200m³/h(常溫體積)。

燃氣平均重量按1.25kg/m³計算，排煙總重則為3200×1.25=4000kg/h。每臺發(fā)電機組排煙氣溫度由550℃左右降至150℃左右，每小時產(chǎn)生的熱量為Q₂：

Q₂=C₂?M₂?ΔT₂?η

式中 ?Q₂——熱量，MJ/h；

C₂——煙氣的比熱容，取0.27kcal/kg；

M₂——煙氣的質量，取4000kg/h；

ΔT₂——溫差，550℃-150℃=400℃；

η——換熱器熱效率，取85%。

經(jīng)計算，Q₂=367200kcal/h。則三臺燃氣發(fā)電機組每小時產(chǎn)生的熱量Q₃=1101600kcal/h。

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4 ?余熱利用產(chǎn)熱水量計算

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大興電站發(fā)6電機組的余熱利用，通過低溫預熱系統(tǒng)和高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)，產(chǎn)生70℃的熱水供應礦方或出售熱水，每小時產(chǎn)熱水量M：

M=Q₃÷（η×C₃×ΔT₃）

式中 ?Q₃——三臺燃氣發(fā)電機組每小時產(chǎn)生的熱量，1101600kcal/h；

C₃——水的比熱容，取1kcal/kg；

ΔT₃——溫差，70℃-30℃=40℃；

η——換熱器熱效率，取85%。

經(jīng)計算，M =23409kg。

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5 ?實施效果

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大興電站機組余熱利用項目，每小時可產(chǎn)生70℃的熱水約為23m³，每天約可產(chǎn)出550m³，除去每天供應大興煤礦職工浴池洗浴熱水230m³外，還可向外售賣熱水約120m³，經(jīng)濟效益年可達180萬余元；此外余熱利用項目正式運行后，停止了原有大興煤礦夏季熱水洗浴供熱1臺10T燃煤蒸汽鍋爐的運行，年可節(jié)省燃煤2160t以上，減少鍋爐運行人力成本，通過余熱利用項目提高了機組運行冷卻循環(huán)效果，降低了機組冷卻循環(huán)溫度，提升了機組運行功率，節(jié)約強制風扇冷卻循環(huán)用電，降低機組運行自用電率，起到了雙重效果。

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第一作者簡介：王 ?托（1978—），男，高級工程師。2001年畢業(yè)于沈陽工程學院電氣工程專業(yè)，現(xiàn)任煤層氣公司瓦斯發(fā)電場主任工程師。聯(lián)系電話：15941006070。

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