瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱利用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

韓國芳

摘要：瓦斯發(fā)電機(jī)組排煙廢氣帶走的熱量占熱效率的35%

-45%，通過在機(jī)組排煙管道上安裝針形管換熱器可有效回收利用這一熱量，提高瓦斯發(fā)電機(jī)組的熱效率，本文通過計(jì)算，對(duì)整改系統(tǒng)進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)，可為類似單位提供參考。

關(guān)鍵詞：瓦斯發(fā)電 余熱利用 選項(xiàng) 計(jì)算

目前，在高瓦斯及煤與瓦斯突出礦井中，均建立了煤層瓦斯抽采及綜合利用設(shè)施。瓦斯發(fā)電是目前最主流的綜合利用項(xiàng)目。但瓦斯發(fā)電機(jī)組所使用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率僅為30-40%，而冷卻水與廢氣帶走的熱量高達(dá)45-65%。綜合利用這一能量可使瓦斯發(fā)電機(jī)組的有效熱效率達(dá)70%以上，能起到較好的節(jié)能效果。

1 項(xiàng)目實(shí)施方案設(shè)計(jì)及選項(xiàng)

安陽鑫龍煤業(yè)（集團(tuán)）紅嶺煤業(yè)有限責(zé)任公司（下稱“紅嶺礦”）共安裝4臺(tái)500GF1-3PW型燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組。為充分利用資源，回收利用瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱，經(jīng)過研究分析及多方論證，確定紅嶺礦瓦斯發(fā)電機(jī)組余熱利用方案為：利用4臺(tái)發(fā)電機(jī)組排出的尾氣直接引入針形管換熱

器，利用排煙余熱產(chǎn)生0.5MPa的蒸汽加熱負(fù)荷。

1.1 余熱利用系統(tǒng)流程

1.2 發(fā)電機(jī)組排煙余熱回收計(jì)算

按每m3純瓦斯可發(fā)電3KWh，空燃比15：1計(jì)算，500GF1-3PW機(jī)組正常工作發(fā)電功率為420kW時(shí)的總耗氣量為：

420/3×（15+1）=2240m3/h（常溫體積）

平均重量按1.25kg/m3計(jì)算，排煙總重：

2240×1.25=2800kg/h

排煙的比熱容按煙道氣體計(jì)算：

可利用排煙余熱為：

（550-170）×0.27×2800=28.7萬kcal/h

則一臺(tái)發(fā)電機(jī)組排煙余熱可回收28.7萬kcal/h。

可產(chǎn)生0.5MPa飽和蒸汽量為：

287000×95%/（656-20）=429kg/h。

0.5MPa蒸汽飽和溫度151℃，比焓為656kcal/kg；補(bǔ)給水按20℃計(jì)算，比焓為20kcal/kg。

經(jīng)計(jì)算，每臺(tái)發(fā)電機(jī)組排煙余熱可回收利用28.7萬kcal/h，產(chǎn)蒸汽量429kg/h。則4臺(tái)發(fā)電機(jī)組余熱利用產(chǎn)生蒸汽總量為1716kg/h。

1.3 主要設(shè)備選項(xiàng)設(shè)計(jì)

供氣壓力：0.5MPa；機(jī)組排煙溫度：550℃左右。設(shè)計(jì)范圍：從冷水箱進(jìn)口到汽水分離器蒸汽出口法蘭的整合

余熱回收系統(tǒng)的所有管線、附件及設(shè)備的設(shè)計(jì)選項(xiàng)和布置。

1.3.1 針形管換熱器

選擇與500GF1-3PW機(jī)組配套的KNPT04-500型針形管換熱器，換熱面積60m2，設(shè)計(jì)壓力1MPa。

1.3.2 循環(huán)水泵的選擇

根據(jù)鍋爐設(shè)計(jì)手冊(cè)，采用強(qiáng)制水循環(huán)的余熱鍋爐系統(tǒng)中，強(qiáng)制循環(huán)倍率為5-8倍，取強(qiáng)制循環(huán)倍率為8，4臺(tái)機(jī)組產(chǎn)生蒸汽總量為1716kg/h。則系統(tǒng)循環(huán)量為13728kg/h。

根據(jù)循環(huán)水量及水力計(jì)算結(jié)果，選用KQWR-G40/

315C-18.5/2型熱水循環(huán)泵，流量25m3/h，揚(yáng)程63m，電機(jī)功率為18.5kW。

1.3.3 汽水分離器

根據(jù)余熱利用系統(tǒng)的蒸汽產(chǎn)量，選擇KNQF020型汽水分離器，產(chǎn)汽量：2t/h，設(shè)計(jì)壓力：1.0MPa。臥式安裝，下設(shè)排污閥聯(lián)至室外排污溝。

1.3.4 余熱系統(tǒng)補(bǔ)水泵

根據(jù)汽水分離器的補(bǔ)水量，選用KQDP25-2-8.5×8型余熱系統(tǒng)補(bǔ)水泵，流量2m3/h，揚(yáng)程68m，電機(jī)功率為1.5kW。

1.4 余熱利用系統(tǒng)管徑計(jì)算與管材選擇

1.4.1 蒸汽輸送管線管徑

根據(jù)產(chǎn)蒸汽量計(jì)算管道直徑，以管道內(nèi)飽和蒸汽流速不超過30m/s為計(jì)算依據(jù)。

根據(jù)質(zhì)量流量計(jì)算管徑：d=594.86×[m/（ρω）]0.5

式中：d——管道內(nèi)徑（mm）

m——在工作狀態(tài)下的質(zhì)量流量（t/h）

ρ——在工作狀態(tài)下的密度（kg/m3），查的為3.111kg/m3

ω——在工作狀態(tài)下的流速（m/s），取ω=30m/s

則d=594.86×[1.72/（3.111×30）]0.5=81mm。

因此蒸汽管管徑選DN100，管內(nèi)蒸汽實(shí)際流速為17m/s。

1.4.2 余熱循環(huán)管線管徑

針形管換熱器出水管內(nèi)介質(zhì)為汽水混合物，飽和水蒸汽的干度不確定，可根據(jù)蒸汽管線管徑取針形管換熱器出水總管管徑為DN100。

針形管換熱器進(jìn)水管內(nèi)介質(zhì)為熱水，可根據(jù)體積流量計(jì)算管徑：

d=18.8×（V/ω）0.5

式中：d——管道內(nèi)徑（mm）

V——在工作狀態(tài)下的體積流量（m3），根據(jù)蒸汽產(chǎn)量，取進(jìn)水總管內(nèi)體積流量V=13.76m3/h

ω——在工作狀態(tài)下的流速（m/s），取ω=1.5m/s

則d=18.8×（13.76/1.5）0.5=57mm

針形管換熱器進(jìn)水總管管徑選DN100，管內(nèi)實(shí)際流速為0.43m/s。

針形管換熱器進(jìn)出水接口為DN80，所以取進(jìn)出水支管管徑為DN80。

1.4.3 管材選擇

余熱系統(tǒng)管線采用符合《輸送流體用無縫鋼管》

GB/T8163-1999標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)制造的20#鋼鍍鋅無縫鋼管；套管采用符合《普通流體輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》

SY/T 5037-2000標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)制造的螺旋縫埋弧焊鋼管。

1.5 熱水循環(huán)泵的冷卻

熱水循環(huán)泵冷卻水供水壓力為0.3MPa-0.6MPa，供水量為3-4m3/h，水質(zhì)為地下水，根據(jù)紅嶺礦實(shí)際情況，新建一座冷卻水池，冷卻水泵從水池中吸水為熱水循環(huán)泵提供冷卻水，冷卻后經(jīng)熱水循環(huán)泵出水管回到冷卻水池，在冷卻水池上方的熱水循環(huán)泵出水管采用噴淋方式與空氣接觸進(jìn)行散熱。

2 項(xiàng)目效益

紅嶺礦瓦斯發(fā)電站4臺(tái)余熱鍋爐，單臺(tái)產(chǎn)汽量為0.5t/h，四臺(tái)鍋爐即2t/h，2T鍋爐每天按耗煤量6噸計(jì)算，全年可節(jié)約2190噸原煤。

3 結(jié)語

通過該項(xiàng)目的實(shí)施，有效提高了瓦斯利用率，又降低了原煤消耗，節(jié)能減排效果明顯，是高瓦斯礦井綜合利用瓦斯的有效途徑。

參考文獻(xiàn)：

[1]任建廣，王國保，李風(fēng)軍.瓦斯發(fā)電站煙氣余熱利用技術(shù)[J]. 科技信息，2008（31）.

[2]聞其有.瓦斯發(fā)電站煙氣余熱利用實(shí)踐[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（21）.

[3]張國昌.煤礦瓦斯發(fā)電技術(shù)綜述[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī)，2008（05）.