煤層氣公司??王 ?托??徐樂宇

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

關(guān)鍵詞??板式換熱器?煙氣余熱回收裝置??低溫預(yù)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(chǔ)、配系統(tǒng)，2007年開始陸續(xù)又在5個(gè)主要?dú)庠吹V井、10個(gè)瓦斯抽采泵站附近建設(shè)了7座瓦斯發(fā)電站，發(fā)電并入礦區(qū)內(nèi)部電網(wǎng)，對(duì)礦區(qū)用電做了有效補(bǔ)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(zhuǎn)換3度電。瓦斯發(fā)電機(jī)組的能量只有約為35%能被轉(zhuǎn)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(jī)組的冷卻循環(huán)水帶走，還有約10%的能量轉(zhuǎn)換損失。如能將除電能轉(zhuǎn)換以外能量加以利用，大大提高能量轉(zhuǎn)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(jī)運(yùn)行中，余熱利用的方式分為低溫預(yù)熱系統(tǒng)和高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)。低溫預(yù)熱系統(tǒng)是利用機(jī)組的冷卻循環(huán)系統(tǒng)加裝板式換熱器，通過(guò)水-水的熱交換方式，對(duì)供水源進(jìn)行預(yù)加熱后進(jìn)入蓄熱水箱；高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)是利用機(jī)組的尾氣煙道各加裝煙氣余熱回收裝置，通過(guò)氣-水的熱交換方式，通過(guò)熱水泵、循環(huán)加熱管道、蓄熱水箱形成閉式循環(huán)，對(duì)供水源進(jìn)行循環(huán)加熱，使得能量進(jìn)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(shè)于2007年，并于同年投產(chǎn)發(fā)電，裝機(jī)容量為1.5兆瓦。主發(fā)電設(shè)備選用山東勝動(dòng)集團(tuán)生產(chǎn)的500GF1-3RW型瓦斯發(fā)電機(jī)組。2017年容量擴(kuò)建為2.1兆瓦，主發(fā)電設(shè)備選用山東淄博新能源的700GFWd型瓦斯發(fā)電機(jī)組，運(yùn)行方式為三臺(tái)發(fā)電機(jī)組并列運(yùn)行，在每臺(tái)機(jī)組的冷卻循環(huán)系統(tǒng)上各安裝了一臺(tái)板式換熱器和在每臺(tái)機(jī)組的尾氣煙道各安裝了一臺(tái)煙氣余熱回收裝置，通過(guò)低溫預(yù)熱系統(tǒng)不斷地補(bǔ)給來(lái)保持蓄熱水箱的水位；通過(guò)高溫循環(huán)系統(tǒng)循環(huán)加熱來(lái)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(jī)組余熱利用工藝圖

3.1 ?低溫預(yù)熱系統(tǒng)

3.1.1 ?發(fā)電機(jī)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(shù)公司生產(chǎn)的SH0640M16-52型，傳輸介質(zhì)為的水—水的板式換熱器，換熱面積可達(dá)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(guò)半片進(jìn)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(guò)。冷熱流體依次通過(guò)流道，中間有一隔層板片將流體分開，并通過(guò)此板片進(jìn)行換熱。板式換熱器的結(jié)構(gòu)及換熱原理決定了其具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、傳熱效率高、操作靈活、應(yīng)用范圍廣、熱損失小、安裝和清洗方便等特點(diǎn)。低溫預(yù)熱系統(tǒng)工藝圖如圖2所示，板式換熱器實(shí)際安裝如圖3所示。

圖2 ?低溫預(yù)熱系統(tǒng)工藝圖

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???圖3 ?板式換熱器實(shí)際安裝圖

板式換熱器加裝在發(fā)電機(jī)組冷卻循環(huán)系統(tǒng)中，站內(nèi)軟化水通過(guò)換熱器給水泵分別由圖2的11、21、31進(jìn)入三臺(tái)板式換熱器，通過(guò)與機(jī)組循環(huán)冷卻水實(shí)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(yù)加熱管道，進(jìn)入蓄熱水箱。經(jīng)過(guò)低溫預(yù)熱系統(tǒng)，可將站內(nèi)軟化水由10℃提高至30℃以上。

3.1.2 ?低溫預(yù)熱系統(tǒng)熱量計(jì)算

低溫預(yù)熱系統(tǒng)，能收集發(fā)電機(jī)組的冷卻循環(huán)水熱量，發(fā)電機(jī)組冷卻循環(huán)水通過(guò)換熱，由85℃左右降至45℃左右。每小時(shí)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(zhì)量，即每小時(shí)流量，DN100自來(lái)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(jì)算，Q₁=6963MJ/h。

3.2 ?高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)

3.2.1 ?發(fā)電機(jī)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(shè)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(shè)計(jì)的專用高效節(jié)能產(chǎn)品。采用針形管強(qiáng)化傳熱元件擴(kuò)展受熱面，水管煙側(cè)的受熱面可大大增加，同時(shí)煙氣流經(jīng)針形管表面時(shí)形成強(qiáng)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(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、熱效率高、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、安全可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。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(shí)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(shí)際安裝圖

余熱回收裝置加裝在發(fā)電機(jī)組尾氣煙道中，從蓄熱水箱出口通過(guò)熱水泵站分別由圖4的41、51、61進(jìn)入三臺(tái)余熱回收裝置，通過(guò)與煙氣余熱回收裝置實(shí)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(jìn)入蓄熱水箱，對(duì)蓄熱水箱經(jīng)過(guò)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(jì)算

高溫循環(huán)加熱系統(tǒng)，能收集發(fā)電機(jī)組的排煙氣中的熱量，與發(fā)電機(jī)組排煙氣進(jìn)過(guò)換熱，通過(guò)換熱，發(fā)電機(jī)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?xì)獗?5:1計(jì)算，700GFWd燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組正常發(fā)電功率為500kW時(shí)的總耗氣量W：

W=P÷N×（15+1）

式中 ?W——總耗氣量，m³/h；

P——機(jī)組平均功率，取500kWh；

N——發(fā)電比值，取2.5。

經(jīng)計(jì)算，W=3200m³/h(常溫體積)。

燃?xì)馄骄亓堪?/span>1.25kg/m³計(jì)算，排煙總重則為3200×1.25=4000kg/h。每臺(tái)發(fā)電機(jī)組排煙氣溫度由550℃左右降至150℃左右，每小時(shí)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(zhì)量，取4000kg/h；

ΔT₂——溫差，550℃-150℃=400℃；

η——換熱器熱效率，取85%。

經(jīng)計(jì)算，Q₂=367200kcal/h。則三臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組每小時(shí)產(chǎn)生的熱量Q₃=1101600kcal/h。

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4 ?余熱利用產(chǎn)熱水量計(jì)算

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

M=Q₃÷（η×C₃×ΔT₃）

式中 ?Q₃——三臺(tái)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組每小時(shí)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(jì)算，M =23409kg。

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5 ?實(shí)施效果

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大興電站機(jī)組余熱利用項(xiàng)目，每小時(shí)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(yīng)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(jì)效益年可達(dá)180萬(wàn)余元；此外余熱利用項(xiàng)目正式運(yùn)行后，停止了原有大興煤礦夏季熱水洗浴供熱1臺(tái)10T燃煤蒸汽鍋爐的運(yùn)行，年可節(jié)省燃煤2160t以上，減少鍋爐運(yùn)行人力成本，通過(guò)余熱利用項(xiàng)目提高了機(jī)組運(yùn)行冷卻循環(huán)效果，降低了機(jī)組冷卻循環(huán)溫度，提升了機(jī)組運(yùn)行功率，節(jié)約強(qiáng)制風(fēng)扇冷卻循環(huán)用電，降低機(jī)組運(yùn)行自用電率，起到了雙重效果。

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

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