瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

吳學(xué)強(qiáng)

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司華東分院，南京 210049）

Q煤礦位于貴州省黔西縣城以東約14 km處，行政隸屬谷里鎮(zhèn)管轄。該煤礦在生產(chǎn)期擁有豐富且可靠的余熱資源，若采取合理措施加以利用，有助于節(jié)約企業(yè)運(yùn)營成本，改善礦區(qū)環(huán)境，從而獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

Q煤礦現(xiàn)有的各種工業(yè)余熱中，只有一小部分屬于可以直接利用的高質(zhì)高溫?zé)嵩矗ㄈ缤咚拱l(fā)電機(jī)組的煙氣余熱），其余均屬于低質(zhì)低溫?zé)嵩矗ㄈ缤咚拱l(fā)電機(jī)組高溫外循環(huán)冷卻水）[1]，無法直接作為建筑物供暖熱源?？紤]到其品質(zhì)雖低，但余熱量大，且全年運(yùn)行，具有較高的可靠度，人們可以將其作為煤礦聯(lián)合建筑浴池淋浴冷水預(yù)熱熱源[2]。

1 熱負(fù)荷

煤礦熱負(fù)荷分供暖期熱負(fù)荷和非供暖期負(fù)荷，供暖期熱負(fù)荷主要由供暖熱負(fù)荷、洗浴食堂等生活供熱熱負(fù)荷組成，非供暖期熱負(fù)荷只有生活供熱熱負(fù)荷。Q煤礦供暖及供熱熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 熱負(fù)荷統(tǒng)計(jì)

根據(jù)表1可得，Q煤礦供暖期供熱所需總用汽量為6.92 t/h。

2 熱源現(xiàn)狀

Q煤礦鍋爐房原安裝一臺(tái)DZL4-1.25-WⅡ和一臺(tái)DZL4-1.25-WⅢ燃煤蒸汽鍋爐。貴州省政府于2014年5月6日出臺(tái)了《貴州省落實(shí)大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃實(shí)施方案》（黔府發(fā)（2014）13號(hào)），按照《方案》文件要求，到2016年底，13個(gè)設(shè)市城市建成區(qū)淘汰每小時(shí)10蒸噸及以下燃煤鍋爐。因此，Q煤礦原鍋爐房這兩臺(tái)4 t/h的舊鍋爐已不能再繼續(xù)使用，只能淘汰報(bào)廢。

為了更好地利用瓦斯資源，落實(shí)瓦斯的綜合利用工程，達(dá)到節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、安全生產(chǎn)的目的，Q煤礦建設(shè)瓦斯電廠一座，建設(shè)規(guī)模為12×500 kW，配套12臺(tái)余熱蒸汽鍋爐，發(fā)電機(jī)組與余熱蒸汽鍋爐采用一臺(tái)發(fā)電機(jī)組配套一臺(tái)余熱鍋爐，每臺(tái)余熱鍋爐額定換熱功率為375 kW，以替代兩臺(tái)4 t/h的燃煤舊鍋爐，瓦斯發(fā)電機(jī)組基本為全年運(yùn)行。余熱鍋爐型號(hào)及參數(shù)如表2所示。

表2 余熱鍋爐型號(hào)及性能參數(shù)

余熱蒸汽鍋爐的給水由室外自來水管網(wǎng)直接供給，給水系統(tǒng)及出水系統(tǒng)均采用單母管制。余熱鍋爐的運(yùn)行參數(shù)為供汽壓力0.4 MPa，鍋爐產(chǎn)生的飽和蒸汽通過蒸汽母管送至分汽缸（1#），然后通過室外蒸汽管道送至原鍋爐房分汽缸（2#）。

3 余熱資源分析

3.1 瓦斯電廠余熱鍋爐供汽量

為了充分利用瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣余熱，每臺(tái)機(jī)組排煙管后配套安裝了1臺(tái)余熱鍋爐。每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的煙氣量約為2 240 kg/h，若直接排入大氣，不僅浪費(fèi)能源，還會(huì)對(duì)附近環(huán)境造成不良影響。發(fā)電機(jī)組排煙溫度為550℃左右，經(jīng)余熱鍋爐換熱后排煙溫度約為170℃[3]。根據(jù)余熱鍋爐額定換熱功率375 kW，瓦斯發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷率取85%，余熱鍋爐熱效率取90%，故瓦斯發(fā)電廠12臺(tái)余熱鍋爐總供汽量為：

G=12×3.6×[375/（2 748.5-42）]×85%×90%=12×0.38=4.56 t/h

3.2 瓦斯電廠余熱鍋爐供汽量與煤礦用汽量的比較

Q煤礦供暖期供熱所需總用汽量為6.92 t/h，而瓦斯電廠余熱鍋爐的總供汽量為4.56 t/h，還欠缺2.36 t/h，僅靠余熱鍋爐無法滿足礦井生產(chǎn)生活最大熱負(fù)荷需求，因此還需考慮回收瓦斯發(fā)電機(jī)組高溫外循環(huán)冷卻水的余熱作為輔助余熱熱源，以減少余熱鍋爐的負(fù)擔(dān)。

3.3 瓦斯發(fā)電機(jī)組高溫外循環(huán)冷卻水余熱量

瓦斯電廠共安裝12臺(tái)發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組冷卻系統(tǒng)由內(nèi)、外兩個(gè)循環(huán)系統(tǒng)組成。內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)采用軟化水，外循環(huán)又分為高溫和低溫兩個(gè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，均采用普通水。外循環(huán)低溫冷卻水熱品質(zhì)較低，不具備回收的價(jià)值；而高溫冷卻水用于缸蓋冷卻，品質(zhì)高，具有較高的回收價(jià)值。

根據(jù)瓦斯電廠實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，外循環(huán)高溫冷卻水進(jìn)水溫度60℃～65℃，出水溫度65℃～75℃，循環(huán)水量30～50 m3/h·臺(tái)，目前高、低溫冷卻水系統(tǒng)各設(shè)一臺(tái)400 m3/h冷卻塔用于排除熱量。

高溫外循環(huán)冷卻水的余熱量較大，可作為聯(lián)合建筑浴室的冷水的預(yù)熱熱源。單臺(tái)循環(huán)水量取30 m3/h，共12臺(tái)發(fā)電機(jī)組，故總循環(huán)水量為360 m3/h，溫升按5℃計(jì)算，其總余熱量為：

Qy=（360×1/3.6）×5×4.186 8=2 093.4 kW

按0.4 MPa飽和水蒸氣的汽化潛熱2 108.4 kJ/kg折算，高溫外循環(huán)冷卻水的余熱量折合飽和蒸汽量為3.57 t/h。

4 余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，Q煤礦工作實(shí)行三班制，每班8 h，考慮到漏損和其他熱水用量，按每班耗水量為148 m3計(jì)；自來水采用地表水，計(jì)算溫度取5℃?，F(xiàn)以瓦斯發(fā)電機(jī)組高溫外循環(huán)冷卻水作為洗浴用水預(yù)熱熱源，設(shè)計(jì)了兩種典型方案。

4.1 方案一：直供式

自來水經(jīng)過原水加壓泵加壓進(jìn)入瓦斯發(fā)電機(jī)組缸蓋，經(jīng)換熱升溫后，通過室外管網(wǎng)送到聯(lián)合建筑浴池或淋浴水箱。設(shè)冷水溫升為Δt℃，傳熱效率取90%，則根據(jù)傳熱過程熱量平衡，可得：（148×1/3.6）×Δt×4.186 8=2 093.4 kW×0.9得Δt=10.9℃，故5℃冷水流經(jīng)缸蓋換熱后溫度可達(dá)到15.9℃，然后通過室外管網(wǎng)輸送到聯(lián)合建筑浴池或淋浴水箱?？紤]到管網(wǎng)輸送過程等熱量損失，到達(dá)聯(lián)建后溫度降為15℃，再利用飽和蒸汽直接加熱至43℃，其中浴池水加熱時(shí)間按2 h計(jì)，淋浴水加熱時(shí)間按3 h計(jì)。直供式水溫變化如圖1所示。

圖1 直供式水溫變化

在聯(lián)合建筑內(nèi)部將15℃預(yù)熱水加熱到符合池浴要求還需熱負(fù)荷為：

Q1=4.186 8×[57.5/（2×3.6）]×28=945 kW

折合0.3 MPa飽和蒸汽量為1.60 t/h。

將15℃預(yù)熱水加熱到符合淋浴要求還需熱負(fù)荷為：

Q2=4.186 8×[70.4/（3×3.6）]×28=765 kW

折合0.3 MPa飽和蒸汽量為1.29 t/h。

故將15℃預(yù)熱水加熱到符合洗浴要求合計(jì)還需利用蒸汽量為2.89 t/h，比原先直接利用飽和蒸汽將5℃冷水加熱到符合要求少耗蒸汽量1.48 t/h。

方案一熱平衡計(jì)算如下：

（2.13+2.89×1.12+0.42）=5.79 t/h＞4.56 t/h

故缸蓋余熱利用采用直供的方式，尚不能滿足礦井在供暖期時(shí)的最大熱負(fù)荷的需求。

4.2 方案二：設(shè)開式保溫?zé)崴涫?/h3>

自來水經(jīng)過水泵加壓進(jìn)入瓦斯發(fā)電機(jī)組缸蓋，經(jīng)換熱升溫后，送入兩個(gè)80 m3的開式保溫?zé)崴?，? h為單位進(jìn)行交替加熱，并在開式保溫?zé)崴浜屯咚拱l(fā)電機(jī)組之間設(shè)循環(huán)水泵。

根據(jù)方案一計(jì)算，一班的洗浴用水（148 m3）加熱1 h的溫升為10.9℃，考慮到交替加熱等過程散熱損失，兩個(gè)水箱內(nèi)水交替加熱3次后溫度可達(dá)35℃（此溫度值仍低于目前實(shí)際運(yùn)行的冷卻水出水溫度42℃～45℃，不影響瓦斯發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行），然后通過循環(huán)水泵加壓送入室外管網(wǎng)至聯(lián)合建筑浴池或淋浴水箱，再利用飽和蒸汽直接加熱至43℃，其中浴池水加熱時(shí)間按2 h計(jì)，淋浴水加熱時(shí)間按3 h計(jì)。設(shè)開式保溫?zé)崴涫剿疁刈兓鐖D2所示。

圖2 設(shè)開式保溫?zé)崴涫剿疁刈兓?/p>

在聯(lián)合建筑內(nèi)部將35℃預(yù)熱水加熱到符合池浴要求還需熱負(fù)荷為：

Q1=4.186 8×[57.5/（2×3.6）]×8=270 kW

折合0.3 MPa飽和蒸汽量為0.46 t/h。

將35℃預(yù)熱水加熱到符合淋浴要求所需熱負(fù)荷為：

Q2=4.186 8×[70.4/（3×3.6）]×8=219 kW

折合0.3 MPa飽和蒸汽量為0.37 t/h。

通過上述計(jì)算，將35℃預(yù)熱水加熱到符合要求還需利用蒸汽量為0.83 t/h，比方案一少耗蒸汽量3.54 t/h。

方案二熱平衡計(jì)算如下：

（2.13+0.83×1.12+0.42）=3.48 t/h＜4.56 t/h

故該方式下，供熱熱源可完全滿足礦井生產(chǎn)生活熱負(fù)荷需求，且有1.08 t/h的富裕量，可減少聯(lián)合建筑浴室洗浴用熱水的加熱時(shí)間。

根據(jù)聯(lián)合建筑洗浴熱水8 h一班工序排列，設(shè)置了2個(gè)開式保溫?zé)崴渥鳛榫彌_，一班工序中發(fā)電機(jī)組缸蓋余熱利用狀況用了6 h，其余2 h需切換至利用原冷卻塔的循環(huán)冷卻狀態(tài)，因此兩種冷卻方式需設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥及智能控制柜進(jìn)行工況轉(zhuǎn)換及控制。余熱利用工藝系統(tǒng)流程如圖3所示。

4.3 設(shè)備選型及方案對(duì)比

方案一選用兩臺(tái)原水加壓泵，單臺(tái)流量143 m3/h，揚(yáng)程16 m，功率11 kW，一用一備。方案二選用兩臺(tái)熱水加壓泵，單臺(tái)流量143 m3/h，揚(yáng)程16 m，功率11 kW，一用一備，同時(shí)選用兩座80 m3的開式保溫?zé)崴洹?/p>

與方案一相比較，方案二需增設(shè)兩個(gè)80 m3的開式保溫?zé)崴浼安糠峙涮组y門管路；但方案二比方案一節(jié)約高品質(zhì)飽和蒸汽2.06 t/h，節(jié)能效果更明顯。根據(jù)熱平衡計(jì)算，方案一在12臺(tái)余熱鍋爐同時(shí)開啟的情況下，尚不能滿足整個(gè)礦井生產(chǎn)生活最大熱負(fù)荷需求，而方案二只需同時(shí)開啟10臺(tái)即可滿足，尚有2臺(tái)備用，故方案二比方案一具有更高的可靠度。

圖3 余熱利用工藝系統(tǒng)流程

5 結(jié)語

瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱回收系統(tǒng)投運(yùn)以后，替代了該礦原有兩臺(tái)4 t/h燃煤蒸汽鍋爐，減少了污染物排放，取得了較好的環(huán)保效益。余熱回收系統(tǒng)投運(yùn)以后，提高了機(jī)組冷卻系統(tǒng)效果，從而延長了機(jī)組配件的使用壽命，降低了成本。

1 聶建華.瓦斯發(fā)電余熱回收二次深度利用的研究與應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2017，（8）：169-170.

2 任建廣，王國保，李風(fēng)軍.瓦斯發(fā)電站余熱利用技術(shù)[J].科技信息，2008，（31）：45.

3 楊永強(qiáng)，劉士喜，聶海軍.瓦斯發(fā)電機(jī)組煙氣余熱利用實(shí)踐[J].中州煤炭，2008，（3）：95-96.