往復式內燃燃氣電站余熱利用系統設計研究

楊賽青+苗魯真+丁天富+蔣玲

摘 要 往復式內燃燃氣電站（簡稱燃氣電站）屬大型清潔高效發電領域。目前燃氣發電效率約為30%，而通過熱電聯產，能源利用率可達70%以上。由于熱電聯產具有節能減排、低碳綠色等優點，因此我國燃氣熱電聯產具有廣闊的發展前景。文章就燃氣電站余熱利用系統設計進行初步探討，以期為其設計提供參考。

關鍵詞 燃氣電站；余熱利用；設計

中圖分類號：TK11 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）05-0026-02

20世紀70年代，西方國家曾經面臨過一次空前的能源危機，因為石油輸出國家的聯合禁運，導致北美和西歐出現嚴重的能源危機，這次能源危機后，西方國家痛定思痛，決定提高能源利用效率，擴大能源供應品種，特別是鼓勵開發天然氣資源，并制定相關法律推動熱電聯產。我國政府近年也下發了《關于發展熱電聯產的規定》，明確國家鼓勵發展熱電聯產、熱電冷聯產項目的政策。目前，不論是國際上還是國內，利用燃氣的首選技術是分布式能源系統，它先利用燃氣發電，將發電后的余熱用于供熱、制冷，再將更低溫的廢熱供應生活熱水。世界一些發達國家的熱電綜合效率已經能達到95%以上，幾乎將燃氣的所有能量用盡。燃氣電站由于其對燃氣供應能力的要求低、投產快和投資少等特點，正在大規模建設。目前，我國已建有兆瓦級燃氣電站200多座，同時，隨著我國逐步建成“三縱、三橫”天然氣輸氣工程，天然氣非常充足，我國燃氣電站熱電聯產將具有廣闊的發展前景。

我國燃氣電站余熱利用的研究已有多年的歷史，但是基于電站的余熱利用系統工藝設計、電氣設計、安全要求、計量要求等系統的研究至今仍處于起步階段。最近幾年中國石油集團濟柴動力總廠與煤炭工業太原設計研究院、青島依科節能環保設備有限公司等合作，開始加強這一領域的研究。本文就燃氣電站余熱利用系統設計進行探討，以期為其設計提供參考，也可為工程建設提供設計計算模式。

1 燃氣電站余熱利用設計

燃氣電站余熱利用系統設計主要包括設計原則、余熱容量確定、余熱設備要求、計量方法等。

1.1 設計原則

1）燃氣電站工程建設當中，機組發電應放到首要地位，當用戶有余熱需求時，可允許一定影響，但影響應在燃氣發電機組制造商允許范圍內。

2）結合當前國家能源發展法律、法規和部分地方政府鼓勵新能源利用補貼政策，燃氣電站余熱利用系統宜對燃氣發電機組缸套水和煙氣熱量進行聯合利用，其燃氣冷熱電聯產總效率應不小于70%。

1.2 余熱容量的確定

余熱容量的確定是燃氣電站余熱利用系統設計的基礎，它的計算準確度直接決定了整個電站的效率。根據熱力學熱量基本計算公式Q=CM△T和相關余熱設備廠家產品配套特點，以及華北油田電站余熱利用工程實踐和尼日爾阿加德姆（AGADEM）油田應用特點。總結出如下公式（1）、（2）是相關工程設計中常用的設計方案計算方法。燃氣電站余熱容量應依據燃氣發電機組發電裝機容量計算確定，燃氣發電機組缸套水余熱應按公式（1）計算，煙氣余熱應按公式（2）計算。

（1）

式中：Qk-單位時間內燃氣發電機組缸套水余熱總和，單位為千瓦（kW）；

Wk，i-燃氣發電機組缸套水流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Ck，i-燃氣發電機組缸套水比熱，單位為千焦每立方米攝氏度（kJ/（m3·℃）；

Tk1，i-燃氣發電機組缸套水出口溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tk2，i-燃氣發電機組缸套水進口溫度，單位為攝氏度（℃）。

（2）

式中：Qr-單位時間內燃氣發電機組產生的煙氣余熱總和，單位為千瓦（kW）；

Ei-燃氣發電機組煙氣流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Cp1，i、Cp2，i-余熱利用設備煙氣平均定壓比熱，單位為千焦每立方米攝氏度（kJ/m3℃）；

Tp1，i-余熱利用設備煙氣進口溫度，單位為攝氏度（℃）；

Tp2，i-余熱利用設備排氣溫度，單位為攝氏度（℃）。

1.3 工藝選型和設備要求

根據用戶需求和市場特點，當前余熱利用系統主要應用為制熱余熱系統，用來制冷或同時用來制熱、制冷的系統由于設備投資較大，產出比不高，目前市場上應用較少。

1.3.1 余熱鍋爐與煙氣系統

制熱余熱利用系統通常使用熱交換器利用燃氣發電機組缸套水余熱，使用余熱鍋爐利用煙氣余熱，用來生產熱水或水蒸汽。圖1所示為典型燃氣電站制熱余熱余能系統工作原理圖，燃氣進燃氣發動機，燃燒做工帶動發電機發電，產生約600℃煙氣進入余熱鍋爐，同時，穿過燃氣發動機本體的約90℃的冷卻水通過熱交換器將熱量傳遞給余熱管路。水通過熱交換器換熱再進入余熱鍋爐加熱，產生高溫熱水或蒸汽。蒸汽可用作工業生產，熱水可用作供暖和生活用熱水。在這一工作過程中，可以發電、供熱，從而實現熱電聯產，最終向外界排放的只有低于150℃煙氣。當前，國內的燃氣發動機技術已經很成熟，比如濟柴、淄柴生產的燃氣發電機組，應用于電站可實現發電效率30%以上，配套的余熱鍋爐或制冷機組，可實現約30%的熱吸收率，同時通過熱交換器可吸收約20%的熱量，從而實現整個電站綜合能源利用率達到75%以上。

圖1

余熱鍋爐現已是比較成熟的行業，其產品技術條件應符合GB/T 28056的要求。在電站余熱利用工程建設中，余熱鍋爐使用應不影響機組發電，這是電站設計的輕重原則，在不影響電站發電要求的前提下，應滿足用戶的用熱要求。所以，余熱鍋爐參數的選擇應滿足用戶要求，當設計熱負荷和最大熱負荷相差較大時宜選用補燃型余熱鍋爐，選用的余熱鍋爐其煙氣阻力應滿足燃氣發電機組允許背壓的要求。

現有電站工程應用中，余熱鍋爐使用過程中，水是主要載體，從安全角度出發，煙氣管道防水處理和鍋爐制熱管路防缺水尤為重要，因此，在余熱利用煙氣系統設計過程中，各段煙道底的設計均應向余熱鍋爐方向設置一定傾斜度，最低點設置排水口，并對保溫結構采取防水措施，每隔一定距離應設置溫度補償裝置。余熱鍋爐前后端煙氣系統應符合如下要求。endprint

1）在余熱鍋爐煙氣管道進口端應設置旁通管道，旁通管直徑應不小于燃氣發電機組排氣主管道直徑。

2）當使用補燃余熱鍋爐時，在鍋爐出口處應額外設置一條排煙管道，其排煙能力應滿足補燃燃料燃燒后的最大排煙要求。

3）在鍋爐進氣口前煙氣管道上應設置防爆閥。

4）在鍋爐進氣口前與旁通煙道相連處三通管上應設置煙量調節裝置，余熱利用煙道閥門與旁通煙道閥門應有可靠的連鎖。

1.3.2 熱交換器

如圖1中所示，發動機缸套水余熱利用通常利用熱交換器換熱，在工程應用過程中，根據燃氣電站中各設備的主次地位和安全要求，燃氣發電機組缸套水余熱利用宜采用間接交換系統，熱交換器應與燃氣發電機組一對一配置，缸套水側換熱系統的阻力應小于燃氣發電機組冷卻系統允許阻力。熱交換器前后應設置溫度監控系統，溫度監控系統應確保熱交換器的使用不影響燃氣發電機組的性能。

1.4 能源綜合利用率

燃氣電站余熱利用系統建設的宗旨在于提高能源綜合利用率，各地政府的政策引導也集中反映在對效率的計量上，燃氣電站冷熱電聯產能源綜合利用率當前比較合適的計算方法如公式（3）。

（3）

式中： -電站熱（冷）電聯產能源綜合利用率，單位為1，以百分數表示；

Pe，i-燃氣發電機組的發電功率，單位為千瓦（kW）；

Qy-單位時間內余熱利用總量，熱水型余熱利用系統按公式（4）計算，蒸汽型余熱利用系統按公式（5）計算，單位為千瓦（kW）；

Mf，i-燃氣發電機組進氣口燃氣流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Hu，i-燃氣發電機組進氣口燃氣的低熱值，單位為千焦每立方米，（kJ/m3）。

（4）

式中：Qy-單位時間內余熱利用總量，單位為千瓦（kW）；

Ci、Cj-介質的比熱，單位為千焦每立方米每攝氏度（kJ/（m3·℃））；

Gw，i-余熱熱交換器水流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Tw，i-余熱熱交換器進出水溫差，單位為攝氏度（℃）；

Gr，j-熱水型余熱鍋爐介質流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Tr，j-余熱鍋爐進出口水溫差，單位為攝氏度（℃）。

（5）

式中：Qy-單位時間內余熱利用總量，單位為千瓦（kW）；

Ci、Cj-介質的比熱，單位為千焦每立方米每攝氏度（kJ/（m3·℃））；

Gw，i-余熱熱交換器水流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Tw，i-余熱熱交換器進出水溫差，單位為攝氏度（℃）；

Dj-蒸汽產量，單位千克每小時（kg/h）；

Is，j一定壓力和溫度下蒸汽型余熱鍋爐出口蒸汽的熱焓，單位千焦每千克（kJ/kg）；

Iw，j-蒸汽型余熱鍋爐進口的水的熱焓，單位為千焦每千克（kJ/kg）。

2 結束語

綜上所述，燃氣發電機組技術發展已非常成熟，產出的缸套水和煙氣性質都比較穩定，具有非常好的經濟效益和社會效益。余熱制熱的相關的換熱設備已比較成體系，基本都能滿足用戶的使用要求。而余熱制冷的相關技術尚未完全被社會接受，同時相關的工程設計尚存在著許多經驗不足。究其主要原因：一是以前沒有行業協調機構來制定統一的標準發展規劃；二是也無燃氣電站余熱利用國家標準體系作為行業發展的技術支撐。從而造成燃氣電站余熱利用技術、相關配套技術研究落后于國外，嚴重制約了民族燃氣電站余熱利用設備產業鏈的發展。目前，相關標委會正在加快具有我國民族知識產權的燃氣電站余熱利用設備創新技術研究，同時制定相關國家標準，從而滿足燃氣發電余熱利用設備行業快速發展對標準的需求。

參考文獻

[1]吳德榮.化工工藝設計手冊第四版[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2]馬鳴.最新熱電聯產工程設計與生產技術工藝及應用實例指導手冊[M].北京：電力科學出版社，2007.

[3]趙欽新.余熱鍋爐研究與設計[M].北京：中國標準出版社，2010.endprint

1）在余熱鍋爐煙氣管道進口端應設置旁通管道，旁通管直徑應不小于燃氣發電機組排氣主管道直徑。

2）當使用補燃余熱鍋爐時，在鍋爐出口處應額外設置一條排煙管道，其排煙能力應滿足補燃燃料燃燒后的最大排煙要求。

3）在鍋爐進氣口前煙氣管道上應設置防爆閥。

4）在鍋爐進氣口前與旁通煙道相連處三通管上應設置煙量調節裝置，余熱利用煙道閥門與旁通煙道閥門應有可靠的連鎖。

1.3.2 熱交換器

如圖1中所示，發動機缸套水余熱利用通常利用熱交換器換熱，在工程應用過程中，根據燃氣電站中各設備的主次地位和安全要求，燃氣發電機組缸套水余熱利用宜采用間接交換系統，熱交換器應與燃氣發電機組一對一配置，缸套水側換熱系統的阻力應小于燃氣發電機組冷卻系統允許阻力。熱交換器前后應設置溫度監控系統，溫度監控系統應確保熱交換器的使用不影響燃氣發電機組的性能。

1.4 能源綜合利用率

燃氣電站余熱利用系統建設的宗旨在于提高能源綜合利用率，各地政府的政策引導也集中反映在對效率的計量上，燃氣電站冷熱電聯產能源綜合利用率當前比較合適的計算方法如公式（3）。

（3）

式中： -電站熱（冷）電聯產能源綜合利用率，單位為1，以百分數表示；

Pe，i-燃氣發電機組的發電功率，單位為千瓦（kW）；

Qy-單位時間內余熱利用總量，熱水型余熱利用系統按公式（4）計算，蒸汽型余熱利用系統按公式（5）計算，單位為千瓦（kW）；

Mf，i-燃氣發電機組進氣口燃氣流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Hu，i-燃氣發電機組進氣口燃氣的低熱值，單位為千焦每立方米，（kJ/m3）。

（4）

式中：Qy-單位時間內余熱利用總量，單位為千瓦（kW）；

Ci、Cj-介質的比熱，單位為千焦每立方米每攝氏度（kJ/（m3·℃））；

Gw，i-余熱熱交換器水流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Tw，i-余熱熱交換器進出水溫差，單位為攝氏度（℃）；

Gr，j-熱水型余熱鍋爐介質流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Tr，j-余熱鍋爐進出口水溫差，單位為攝氏度（℃）。

（5）

式中：Qy-單位時間內余熱利用總量，單位為千瓦（kW）；

Ci、Cj-介質的比熱，單位為千焦每立方米每攝氏度（kJ/（m3·℃））；

Gw，i-余熱熱交換器水流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Tw，i-余熱熱交換器進出水溫差，單位為攝氏度（℃）；

Dj-蒸汽產量，單位千克每小時（kg/h）；

Is，j一定壓力和溫度下蒸汽型余熱鍋爐出口蒸汽的熱焓，單位千焦每千克（kJ/kg）；

Iw，j-蒸汽型余熱鍋爐進口的水的熱焓，單位為千焦每千克（kJ/kg）。

2 結束語

綜上所述，燃氣發電機組技術發展已非常成熟，產出的缸套水和煙氣性質都比較穩定，具有非常好的經濟效益和社會效益。余熱制熱的相關的換熱設備已比較成體系，基本都能滿足用戶的使用要求。而余熱制冷的相關技術尚未完全被社會接受，同時相關的工程設計尚存在著許多經驗不足。究其主要原因：一是以前沒有行業協調機構來制定統一的標準發展規劃；二是也無燃氣電站余熱利用國家標準體系作為行業發展的技術支撐。從而造成燃氣電站余熱利用技術、相關配套技術研究落后于國外，嚴重制約了民族燃氣電站余熱利用設備產業鏈的發展。目前，相關標委會正在加快具有我國民族知識產權的燃氣電站余熱利用設備創新技術研究，同時制定相關國家標準，從而滿足燃氣發電余熱利用設備行業快速發展對標準的需求。

參考文獻

[1]吳德榮.化工工藝設計手冊第四版[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2]馬鳴.最新熱電聯產工程設計與生產技術工藝及應用實例指導手冊[M].北京：電力科學出版社，2007.

[3]趙欽新.余熱鍋爐研究與設計[M].北京：中國標準出版社，2010.endprint

1）在余熱鍋爐煙氣管道進口端應設置旁通管道，旁通管直徑應不小于燃氣發電機組排氣主管道直徑。

2）當使用補燃余熱鍋爐時，在鍋爐出口處應額外設置一條排煙管道，其排煙能力應滿足補燃燃料燃燒后的最大排煙要求。

3）在鍋爐進氣口前煙氣管道上應設置防爆閥。

4）在鍋爐進氣口前與旁通煙道相連處三通管上應設置煙量調節裝置，余熱利用煙道閥門與旁通煙道閥門應有可靠的連鎖。

1.3.2 熱交換器

如圖1中所示，發動機缸套水余熱利用通常利用熱交換器換熱，在工程應用過程中，根據燃氣電站中各設備的主次地位和安全要求，燃氣發電機組缸套水余熱利用宜采用間接交換系統，熱交換器應與燃氣發電機組一對一配置，缸套水側換熱系統的阻力應小于燃氣發電機組冷卻系統允許阻力。熱交換器前后應設置溫度監控系統，溫度監控系統應確保熱交換器的使用不影響燃氣發電機組的性能。

1.4 能源綜合利用率

燃氣電站余熱利用系統建設的宗旨在于提高能源綜合利用率，各地政府的政策引導也集中反映在對效率的計量上，燃氣電站冷熱電聯產能源綜合利用率當前比較合適的計算方法如公式（3）。

（3）

式中： -電站熱（冷）電聯產能源綜合利用率，單位為1，以百分數表示；

Pe，i-燃氣發電機組的發電功率，單位為千瓦（kW）；

Qy-單位時間內余熱利用總量，熱水型余熱利用系統按公式（4）計算，蒸汽型余熱利用系統按公式（5）計算，單位為千瓦（kW）；

Mf，i-燃氣發電機組進氣口燃氣流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Hu，i-燃氣發電機組進氣口燃氣的低熱值，單位為千焦每立方米，（kJ/m3）。

（4）

式中：Qy-單位時間內余熱利用總量，單位為千瓦（kW）；

Ci、Cj-介質的比熱，單位為千焦每立方米每攝氏度（kJ/（m3·℃））；

Gw，i-余熱熱交換器水流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Tw，i-余熱熱交換器進出水溫差，單位為攝氏度（℃）；

Gr，j-熱水型余熱鍋爐介質流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Tr，j-余熱鍋爐進出口水溫差，單位為攝氏度（℃）。

（5）

式中：Qy-單位時間內余熱利用總量，單位為千瓦（kW）；

Ci、Cj-介質的比熱，單位為千焦每立方米每攝氏度（kJ/（m3·℃））；

Gw，i-余熱熱交換器水流量，單位為立方米每小時（m3/h）；

Tw，i-余熱熱交換器進出水溫差，單位為攝氏度（℃）；

Dj-蒸汽產量，單位千克每小時（kg/h）；

Is，j一定壓力和溫度下蒸汽型余熱鍋爐出口蒸汽的熱焓，單位千焦每千克（kJ/kg）；

Iw，j-蒸汽型余熱鍋爐進口的水的熱焓，單位為千焦每千克（kJ/kg）。

2 結束語

綜上所述，燃氣發電機組技術發展已非常成熟，產出的缸套水和煙氣性質都比較穩定，具有非常好的經濟效益和社會效益。余熱制熱的相關的換熱設備已比較成體系，基本都能滿足用戶的使用要求。而余熱制冷的相關技術尚未完全被社會接受，同時相關的工程設計尚存在著許多經驗不足。究其主要原因：一是以前沒有行業協調機構來制定統一的標準發展規劃；二是也無燃氣電站余熱利用國家標準體系作為行業發展的技術支撐。從而造成燃氣電站余熱利用技術、相關配套技術研究落后于國外，嚴重制約了民族燃氣電站余熱利用設備產業鏈的發展。目前，相關標委會正在加快具有我國民族知識產權的燃氣電站余熱利用設備創新技術研究，同時制定相關國家標準，從而滿足燃氣發電余熱利用設備行業快速發展對標準的需求。

參考文獻

[1]吳德榮.化工工藝設計手冊第四版[M].北京：化學工業出版社，2009.

[2]馬鳴.最新熱電聯產工程設計與生產技術工藝及應用實例指導手冊[M].北京：電力科學出版社，2007.

[3]趙欽新.余熱鍋爐研究與設計[M].北京：中國標準出版社，2010.endprint