瓦斯發電機組余熱回收系統設計研究

吳學強

（中機國際工程設計研究院有限責任公司華東分院，南京 210049）

Q煤礦位于貴州省黔西縣城以東約14 km處，行政隸屬谷里鎮管轄。該煤礦在生產期擁有豐富且可靠的余熱資源，若采取合理措施加以利用，有助于節約企業運營成本，改善礦區環境，從而獲得較好的經濟效益和社會效益。

Q煤礦現有的各種工業余熱中，只有一小部分屬于可以直接利用的高質高溫熱源（如瓦斯發電機組的煙氣余熱），其余均屬于低質低溫熱源（如瓦斯發電機組高溫外循環冷卻水）[1]，無法直接作為建筑物供暖熱源。考慮到其品質雖低，但余熱量大，且全年運行，具有較高的可靠度，人們可以將其作為煤礦聯合建筑浴池淋浴冷水預熱熱源[2]。

1 熱負荷

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

表1 熱負荷統計

根據表1可得，Q煤礦供暖期供熱所需總用汽量為6.92 t/h。

2 熱源現狀

Q煤礦鍋爐房原安裝一臺DZL4-1.25-WⅡ和一臺DZL4-1.25-WⅢ燃煤蒸汽鍋爐。貴州省政府于2014年5月6日出臺了《貴州省落實大氣污染防治行動計劃實施方案》（黔府發（2014）13號），按照《方案》文件要求，到2016年底，13個設市城市建成區淘汰每小時10蒸噸及以下燃煤鍋爐。因此，Q煤礦原鍋爐房這兩臺4 t/h的舊鍋爐已不能再繼續使用，只能淘汰報廢。

為了更好地利用瓦斯資源，落實瓦斯的綜合利用工程，達到節約資源、保護環境、安全生產的目的，Q煤礦建設瓦斯電廠一座，建設規模為12×500 kW，配套12臺余熱蒸汽鍋爐，發電機組與余熱蒸汽鍋爐采用一臺發電機組配套一臺余熱鍋爐，每臺余熱鍋爐額定換熱功率為375 kW，以替代兩臺4 t/h的燃煤舊鍋爐，瓦斯發電機組基本為全年運行。余熱鍋爐型號及參數如表2所示。

表2 余熱鍋爐型號及性能參數

余熱蒸汽鍋爐的給水由室外自來水管網直接供給，給水系統及出水系統均采用單母管制。余熱鍋爐的運行參數為供汽壓力0.4 MPa，鍋爐產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電機組煙氣余熱，每臺機組排煙管后配套安裝了1臺余熱鍋爐。每臺發電機組的煙氣量約為2 240 kg/h，若直接排入大氣，不僅浪費能源，還會對附近環境造成不良影響。發電機組排煙溫度為550℃左右，經余熱鍋爐換熱后排煙溫度約為170℃[3]。根據余熱鍋爐額定換熱功率375 kW，瓦斯發電機組滿負荷率取85%，余熱鍋爐熱效率取90%，故瓦斯發電廠12臺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生活最大熱負荷需求，因此還需考慮回收瓦斯發電機組高溫外循環冷卻水的余熱作為輔助余熱熱源，以減少余熱鍋爐的負擔。

3.3 瓦斯發電機組高溫外循環冷卻水余熱量

瓦斯電廠共安裝12臺發電機組，每臺機組冷卻系統由內、外兩個循環系統組成。內循環系統采用軟化水，外循環又分為高溫和低溫兩個循環冷卻水系統，均采用普通水。外循環低溫冷卻水熱品質較低，不具備回收的價值；而高溫冷卻水用于缸蓋冷卻，品質高，具有較高的回收價值。

根據瓦斯電廠實測數據，外循環高溫冷卻水進水溫度60℃～65℃，出水溫度65℃～75℃，循環水量30～50 m3/h·臺，目前高、低溫冷卻水系統各設一臺400 m3/h冷卻塔用于排除熱量。

高溫外循環冷卻水的余熱量較大，可作為聯合建筑浴室的冷水的預熱熱源。單臺循環水量取30 m3/h，共12臺發電機組，故總循環水量為360 m3/h，溫升按5℃計算，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 余熱利用系統設計

目前，Q煤礦工作實行三班制，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；自來水采用地表水，計算溫度取5℃。現以瓦斯發電機組高溫外循環冷卻水作為洗浴用水預熱熱源，設計了兩種典型方案。

4.1 方案一：直供式

自來水經過原水加壓泵加壓進入瓦斯發電機組缸蓋，經換熱升溫后，通過室外管網送到聯合建筑浴池或淋浴水箱。設冷水溫升為Δt℃，傳熱效率取90%，則根據傳熱過程熱量平衡，可得：（148×1/3.6）×Δt×4.186 8=2 093.4 kW×0.9得Δt=10.9℃，故5℃冷水流經缸蓋換熱后溫度可達到15.9℃，然后通過室外管網輸送到聯合建筑浴池或淋浴水箱。考慮到管網輸送過程等熱量損失，到達聯建后溫度降為15℃，再利用飽和蒸汽直接加熱至43℃，其中浴池水加熱時間按2 h計，淋浴水加熱時間按3 h計。直供式水溫變化如圖1所示。

圖1 直供式水溫變化

在聯合建筑內部將15℃預熱水加熱到符合池浴要求還需熱負荷為：

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℃預熱水加熱到符合淋浴要求還需熱負荷為：

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℃預熱水加熱到符合洗浴要求合計還需利用蒸汽量為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的最大熱負荷的需求。

4.2 方案二：設開式保溫熱水箱式

自來水經過水泵加壓進入瓦斯發電機組缸蓋，經換熱升溫后，送入兩個80 m3的開式保溫熱水箱，按1 h為單位進行交替加熱，并在開式保溫熱水箱和瓦斯發電機組之間設循環水泵。

根據方案一計算，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，兩個水箱內水交替加熱3次后溫度可達35℃（此溫度值仍低于目前實際運行的冷卻水出水溫度42℃～45℃，不影響瓦斯發電機組正常運行），然后通過循環水泵加壓送入室外管網至聯合建筑浴池或淋浴水箱，再利用飽和蒸汽直接加熱至43℃，其中浴池水加熱時間按2 h計，淋浴水加熱時間按3 h計。設開式保溫熱水箱式水溫變化如圖2所示。

圖2 設開式保溫熱水箱式水溫變化

在聯合建筑內部將35℃預熱水加熱到符合池浴要求還需熱負荷為：

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℃預熱水加熱到符合淋浴要求所需熱負荷為：

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。

通過上述計算，將35℃預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生活熱負荷需求，且有1.08 t/h的富裕量，可減少聯合建筑浴室洗浴用熱水的加熱時間。

根據聯合建筑洗浴熱水8 h一班工序排列，設置了2個開式保溫熱水箱作為緩沖，一班工序中發電機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冷卻狀態，因此兩種冷卻方式需設置電動調節閥及智能控制柜進行工況轉換及控制。余熱利用工藝系統流程如圖3所示。

4.3 設備選型及方案對比

方案一選用兩臺原水加壓泵，單臺流量143 m3/h，揚程16 m，功率11 kW，一用一備。方案二選用兩臺熱水加壓泵，單臺流量143 m3/h，揚程16 m，功率11 kW，一用一備，同時選用兩座80 m3的開式保溫熱水箱。

與方案一相比較，方案二需增設兩個80 m3的開式保溫熱水箱及部分配套閥門管路；但方案二比方案一節約高品質飽和蒸汽2.06 t/h，節能效果更明顯。根據熱平衡計算，方案一在12臺余熱鍋爐同時開啟的情況下，尚不能滿足整個礦井生產生活最大熱負荷需求，而方案二只需同時開啟10臺即可滿足，尚有2臺備用，故方案二比方案一具有更高的可靠度。

圖3 余熱利用工藝系統流程

5 結語

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

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

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

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