瓦斯發電機組余熱利用系統的設計與應用

韓國芳

摘要：瓦斯發電機組排煙廢氣帶走的熱量占熱效率的35%

-45%，通過在機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，提高瓦斯發電機組的熱效率，本文通過計算，對整改系統進行了選型設計，可為類似單位提供參考。

關鍵詞：瓦斯發電 余熱利用 選項 計算

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施。瓦斯發電是目前最主流的綜合利用項目。但瓦斯發電機組所使用燃氣發動機的有效熱效率僅為30-40%，而冷卻水與廢氣帶走的熱量高達45-65%。綜合利用這一能量可使瓦斯發電機組的有效熱效率達70%以上，能起到較好的節能效果。

1 項目實施方案設計及選項

安陽鑫龍煤業（集團）紅嶺煤業有限責任公司（下稱“紅嶺礦”）共安裝4臺500GF1-3PW型燃氣發電機組。為充分利用資源，回收利用瓦斯發電機組余熱，經過研究分析及多方論證，確定紅嶺礦瓦斯發電機組余熱利用方案為：利用4臺發電機組排出的尾氣直接引入針形管換熱

器，利用排煙余熱產生0.5MPa的蒸汽加熱負荷。

1.1 余熱利用系統流程

1.2 發電機組排煙余熱回收計算

按每m3純瓦斯可發電3KWh，空燃比15：1計算，500GF1-3PW機組正常工作發電功率為420kW時的總耗氣量為：

420/3×（15+1）=2240m3/h（常溫體積）

平均重量按1.25kg/m3計算，排煙總重：

2240×1.25=2800kg/h

排煙的比熱容按煙道氣體計算：

可利用排煙余熱為：

（550-170）×0.27×2800=28.7萬kcal/h

則一臺發電機組排煙余熱可回收28.7萬kcal/h。

可產生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；補給水按20℃計算，比焓為20kcal/kg。

經計算，每臺發電機組排煙余熱可回收利用28.7萬kcal/h，產蒸汽量429kg/h。則4臺發電機組余熱利用產生蒸汽總量為1716kg/h。

1.3 主要設備選項設計

供氣壓力：0.5MPa；機組排煙溫度：550℃左右。設計范圍：從冷水箱進口到汽水分離器蒸汽出口法蘭的整合

余熱回收系統的所有管線、附件及設備的設計選項和布置。

1.3.1 針形管換熱器

選擇與500GF1-3PW機組配套的KNPT04-500型針形管換熱器，換熱面積60m2，設計壓力1MPa。

1.3.2 循環水泵的選擇

根據鍋爐設計手冊，采用強制水循環的余熱鍋爐系統中，強制循環倍率為5-8倍，取強制循環倍率為8，4臺機組產生蒸汽總量為1716kg/h。則系統循環量為13728kg/h。

根據循環水量及水力計算結果，選用KQWR-G40/

315C-18.5/2型熱水循環泵，流量25m3/h，揚程63m，電機功率為18.5kW。

1.3.3 汽水分離器

根據余熱利用系統的蒸汽產量，選擇KNQF020型汽水分離器，產汽量：2t/h，設計壓力：1.0MPa。臥式安裝，下設排污閥聯至室外排污溝。

1.3.4 余熱系統補水泵

根據汽水分離器的補水量，選用KQDP25-2-8.5×8型余熱系統補水泵，流量2m3/h，揚程68m，電機功率為1.5kW。

1.4 余熱利用系統管徑計算與管材選擇

1.4.1 蒸汽輸送管線管徑

根據產蒸汽量計算管道直徑，以管道內飽和蒸汽流速不超過30m/s為計算依據。

根據質量流量計算管徑：d=594.86×[m/（ρω）]0.5

式中：d——管道內徑（mm）

m——在工作狀態下的質量流量（t/h）

ρ——在工作狀態下的密度（kg/m3），查的為3.111kg/m3

ω——在工作狀態下的流速（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，管內蒸汽實際流速為17m/s。

1.4.2 余熱循環管線管徑

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

針形管換熱器進水管內介質為熱水，可根據體積流量計算管徑：

d=18.8×（V/ω）0.5

式中：d——管道內徑（mm）

V——在工作狀態下的體積流量（m3），根據蒸汽產量，取進水總管內體積流量V=13.76m3/h

ω——在工作狀態下的流速（m/s），取ω=1.5m/s

則d=18.8×（13.76/1.5）0.5=57mm

針形管換熱器進水總管管徑選DN100，管內實際流速為0.43m/s。

針形管換熱器進出水接口為DN80，所以取進出水支管管徑為DN80。

1.4.3 管材選擇

余熱系統管線采用符合《輸送流體用無縫鋼管》

GB/T8163-1999標準生產制造的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標準生產制造的螺旋縫埋弧焊鋼管。

1.5 熱水循環泵的冷卻

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

2 項目效益

紅嶺礦瓦斯發電站4臺余熱鍋爐，單臺產汽量為0.5t/h，四臺鍋爐即2t/h，2T鍋爐每天按耗煤量6噸計算，全年可節約2190噸原煤。

3 結語

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

參考文獻：

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[2]聞其有.瓦斯發電站煙氣余熱利用實踐[J].中國新技術新產品，2012（21）.

[3]張國昌.煤礦瓦斯發電技術綜述[J].車用發動機，2008（05）.