煤层气公司  王  托  徐乐宇

摘  要  瓦斯发电机组的燃料能源转换分配率只有约35%的能量转换为电能，大兴电站通过安装板式换热器、烟气余热回收装置，利用机组余热制热水，不仅提高了能量转换率，还可向矿方供应热水或售卖热水，收到了良好的经济效益。

关键词  板式换热器 烟气余热回收装置  低温预加热系统高温循环加热系统

1  引  言

铁法矿区煤层气利用广泛，拥有完善的地面输、储、配系统，2007年开始陆续又在5个主要气源矿井、10个瓦斯抽采泵站附近建设了7座瓦斯发电站，发电并入矿区内部电网，对矿区用电做了有效补充。

瓦斯的热值约为30.44MJ/m³，一度电的热值约为3.6MJ，理论上一立方米纯量瓦斯只能转换3度电。瓦斯发电机组的能量只有约为35%能被转化为电能；其余约30%的能量随烟气排入室外；约25%的能量被机组的冷却循环水带走，还有约10%的能量转换损失。如能将除电能转换以外能量加以利用，大大提高能量转化率，将有极大的示范作用。

2  余热利用方式

在瓦斯发电机运行中，余热利用的方式分为低温预热系统和高温循环加热系统。低温预热系统是利用机组的冷却循环系统加装板式换热器，通过水-水的热交换方式，对供水源进行预加热后进入蓄热水箱；高温循环加热系统是利用机组的尾气烟道各加装烟气余热回收装置，通过气-水的热交换方式，通过热水泵、循环加热管道、蓄热水箱形成闭式循环，对供水源进行循环加热，使得能量进一步利用，最大限度的提高能源利用率。

3  余热利用改造

以铁法能源大兴电站为例，大兴瓦斯发电站建设于2007年，并于同年投产发电，装机容量为1.5兆瓦。主发电设备选用山东胜动集团生产的500GF1-3RW型瓦斯发电机组。2017年容量扩建为2.1兆瓦，主发电设备选用山东淄博新能源的700GFWd型瓦斯发电机组，运行方式为三台发电机组并列运行，在每台机组的冷却循环系统上各安装了一台板式换热器和在每台机组的尾气烟道各安装了一台烟气余热回收装置，通过低温预热系统不断地补给来保持蓄热水箱的水位；通过高温循环系统循环加热来保持蓄热水箱的水温，从而供给矿方热水或售卖热水。工艺图如图1所示。

图1  大兴电站机组余热利用工艺图

3.1  低温预热系统

3.1.1  发电机组冷却循环系统加装板式换热器

换热器选用的是睿能太宇能源技术公司生产的SH0640M16-52型，传输介质为的水—水的板式换热器，换热面积可达12.5㎡，是用薄金属板压制成具有一定波纹形状的换热板片，然后叠装，用夹板、螺栓紧固而成的一种换热器。各种板片之间形成薄矩形通道，通过半片进行热量交换。工作流体在两块板片间形成的窄小而曲折的通道中流过。冷热流体依次通过流道，中间有一隔层板片将流体分开，并通过此板片进行换热。板式换热器的结构及换热原理决定了其具有结构紧凑、占地面积小、传热效率高、操作灵活、应用范围广、热损失小、安装和清洗方便等特点。低温预热系统工艺图如图2所示，板式换热器实际安装如图3所示。

图2  低温预热系统工艺图

                           图3  板式换热器实际安装图

板式换热器加装在发电机组冷却循环系统中，站内软化水通过换热器给水泵分别由图2的11、21、31进入三台板式换热器，通过与机组循环冷却水实现“水—水”换热，换热后分别由图2的12、22、32流出汇入低温预加热管道，进入蓄热水箱。经过低温预热系统，可将站内软化水由10℃提高至30℃以上。

3.1.2  低温预热系统热量计算

低温预热系统，能收集发电机组的冷却循环水热量，发电机组冷却循环水通过换热，由85℃左右降至45℃左右。每小时能够回收的热量为Q₁：

Q₁=C₁•M₁•ΔT₁•η

式中  Q₁——热量，MJ/h；

C₁——水的比热容，取4.2kJ/kg·℃；

M₁——水的质量，即每小时流量，DN100自来水管道流量取48.76m³/h；

ΔT₁——温差，85℃-45℃=40℃；

η——换热器热效率，取85%。

经计算，Q₁=6963MJ/h。

3.2  高温循环加热系统

3.2.1  发电机组尾气烟道加装余热回收装置

烟气余热回收装置选用的是青岛凯能锅炉设备有效公司生产的KNPT系列针形管余热回收装置，是专为烟气余热回收而设计的专用高效节能产品。采用针形管强化传热元件扩展受热面，水管烟侧的受热面可大大增加，同时烟气流经针形管表面时形成强烈的紊流，起到提高传热效率和减少烟灰积聚的作用。该余热回收设备具有结构简单、热效率高、运行寿命长、安全可靠、维护方便等优点。高温循环加热系统工艺图如图4所示，余热回收装置实际安装如图5所示。

图4  高温循环加热系统工艺图

图5  余热回收装置实际安装图

余热回收装置加装在发电机组尾气烟道中，从蓄热水箱出口通过热水泵站分别由图4的41、51、61进入三台余热回收装置，通过与烟气余热回收装置实现“气—水”换热，换热后分别由图4的42、52、62流出汇入高温循环热管道，进入蓄热水箱，对蓄热水箱经过循环加热系统，可将蓄热水箱的水由30℃逐步加温提高至70℃以上。

3.2.2  高温循环加热系统热量计算

高温循环加热系统，能收集发电机组的排烟气中的热量，与发电机组排烟气进过换热，通过换热，发电机组排烟气温度由550℃左右降至150℃左右。按每立方米纯量瓦斯可发电2.5kWh,空燃气比15:1计算，700GFWd燃气发电机组正常发电功率为500kW时的总耗气量W：

W=P÷N×（15+1）

式中  W——总耗气量，m³/h；

P——机组平均功率，取500kWh；

N——发电比值，取2.5。

经计算，W=3200m³/h(常温体积)。

燃气平均重量按1.25kg/m³计算，排烟总重则为3200×1.25=4000kg/h。每台发电机组排烟气温度由550℃左右降至150℃左右，每小时产生的热量为Q₂：

Q₂=C₂•M₂•ΔT₂•η

式中  Q₂——热量，MJ/h；

C₂——烟气的比热容，取0.27kcal/kg；

M₂——烟气的质量，取4000kg/h；

ΔT₂——温差，550℃-150℃=400℃；

η——换热器热效率，取85%。

经计算，Q₂=367200kcal/h。则三台燃气发电机组每小时产生的热量Q₃=1101600kcal/h。

4  余热利用产热水量计算

大兴电站发6电机组的余热利用，通过低温预热系统和高温循环加热系统，产生70℃的热水供应矿方或出售热水，每小时产热水量M：

M=Q₃÷（η×C₃×ΔT₃）

式中  Q₃——三台燃气发电机组每小时产生的热量，1101600kcal/h；

C₃——水的比热容，取1kcal/kg；

ΔT₃——温差，70℃-30℃=40℃；

η——换热器热效率，取85%。

经计算，M =23409kg。

5  实施效果

大兴电站机组余热利用项目，每小时可产生70℃的热水约为23m³，每天约可产出550m³，除去每天供应大兴煤矿职工浴池洗浴热水230m³外，还可向外售卖热水约120m³，经济效益年可达180万余元；此外余热利用项目正式运行后，停止了原有大兴煤矿夏季热水洗浴供热1台10T燃煤蒸汽锅炉的运行，年可节省燃煤2160t以上，减少锅炉运行人力成本，通过余热利用项目提高了机组运行冷却循环效果，降低了机组冷却循环温度，提升了机组运行功率，节约强制风扇冷却循环用电，降低机组运行自用电率，起到了双重效果。

第一作者简介：王  托（1978—），男，高级工程师。2001年毕业于沈阳工程学院电气工程专业，现任煤层气公司瓦斯发电场主任工程师。联系电话：15941006070。