平舒礦區(qū)低濃度瓦斯發(fā)電余熱利用技術的應用

李 斌

(晉中市陽煤揚德煤層氣發(fā)電有限公司，山西 045400)

1 平舒礦區(qū)瓦斯發(fā)電及余熱情況簡介

平舒礦區(qū)瓦斯發(fā)電項目位于山西省晉中市，是利用瓦斯為燃料進行發(fā)電的新型發(fā)電廠，共有30臺500kW瓦斯發(fā)電機組，型號為500GF9-WD，氣缸數量12，缸徑190mm，活塞行程210mm，活塞總排量71.5L，氣缸排列V型，夾角60°，標定轉速1000r/min，最大功率500kW，持續(xù)運行功率415kW。發(fā)電機組溫度傳感器顯示氣缸內溫度通常在600℃上下浮動。機組效率為每立方米純瓦斯發(fā)電3千瓦時，正常運行時消耗空氣與燃氣比例約15比1，按額定運行符合415kW計算，一小時耗氣量為：

415/3×(15+1)=2213m3

煙氣密度按1.25kg/m3計算，則一小時排煙重量為：

2213×1.25=2766kg

煙氣在100℃～600℃平均比熱容大約是0.27kcal/kg·℃，則每臺煤層氣發(fā)電機正常工作一小時可供利用的熱量為：

(500-165)×0.27×2766=325000kcal

2 平舒礦區(qū)瓦斯發(fā)電余熱利用形式

目前我電廠余熱利用有余熱鍋爐和缸套水板式換熱器系統兩種形式。

2.1 余熱鍋爐

余熱鍋爐是一種通過吸收發(fā)電機煙氣熱量，將水氣化成水蒸氣給生產生活提供熱量的裝置，由“鍋”和“爐”組成，“鍋”主要包含省煤器管組、蒸發(fā)器管組、過熱器管組、汽包以及其他換熱元件、列管、熱管、上升管和下降管爐墻、閥系和儀表組成。“爐”主要包含煙箱、煙氣通道和鋼架組成，如圖1所示。該余熱鍋爐為小型低壓蒸汽鍋爐，主要滿足日常熱水供應和冬季供暖需求。

圖1 余熱鍋爐

多臺瓦斯發(fā)電機組排出煙氣后在煙道匯合，煙氣→過熱器→蒸發(fā)器→省煤器→過濾器后排向大氣，此時煙氣溫度降為100℃～220℃。余熱鍋爐換熱器換熱效率為90%，飽和蒸汽溫度150℃，蒸汽比焓656kcal/kg，進水比焓20kcal/kg，則1臺發(fā)電機每小時余熱可產生的蒸汽量為：

325000×90%÷(656-20)=459kg

我廠30臺發(fā)電機一天余熱可產生的蒸汽量為459×30×24=330480kg。

2.2 缸套水板式換熱器系統

發(fā)動機活塞在氣缸中做功使氣缸產生高溫高熱，為了使氣缸溫度保持在合理范圍內，在氣缸外圍裝設循環(huán)水系統用以冷卻氣缸，我們把這種冷卻水叫缸套水，也叫高溫循環(huán)水。500GF9-WD機組正常工作時，缸套水出水溫度在(80±5℃)，回水溫度低于出水溫度7～10℃。循環(huán)水泵流量60m3/h,揚程20m，轉速2863r/min,軸功率5.1kW，重量21kg。按溫度降低9℃計算：

Q釋放=4.2×103J/(kg·℃)×60×1000kg×9℃

=54.2萬kcal/h

可得出一臺500kW煤層氣發(fā)電機組一小時缸套水可釋放熱量約54.2萬千卡，熱量加以利用，不僅可以方便生產生活，還可以減少之前風機散熱所消耗的電能。

水-水熱交換板式換熱器是由規(guī)定數量的波紋狀金屬片疊加而成，各金屬片之間形成薄矩形通道進行熱交換，如圖2所示。采用HBB板式換熱器,設計壓力1.0MPa,設計溫度150℃，換熱面積19.2m2，配套給水泵功率7.5kW，流量25m3，揚程50m。該設備換熱效率高，熱損失小，體積小，清洗維護方便，使用壽命長。由于冷熱水之間是逆流流動，熱交換效率相當高，可以使冷熱水最小溫差達1℃。大大減少了熱量損失。

3 關于瓦斯發(fā)電機組余熱利用的設想

3.1 發(fā)電機組循環(huán)冷卻水余熱為周邊村莊供暖

圖2 缸套水板式換熱器系統

周邊村莊沒有集中供暖系統，取暖措施主要靠燃煤鍋爐取暖，近年來為了改善空氣質量，山西頒布了“禁煤令”，禁止所有散煤燃燒，要求實施煤改電，但是村莊居民擔心電費昂貴，增加經濟負擔，冬季取暖問題尚未得到妥善解決。因此，可利用瓦斯發(fā)電機組余熱給周邊住戶取暖，安裝供暖系統后，在加壓泵上鏈接高溫循環(huán)管線，讓循環(huán)水進入用戶的供暖系統后供暖，通過調節(jié)塔門來控制水溫。這樣既可以避免余熱浪費，又創(chuàng)造了經濟效益。

3.2 發(fā)電機組循環(huán)冷卻水余熱為農戶大棚供熱

發(fā)電機組循環(huán)冷卻水連接板式換熱器后進入大棚地暖管道，對土壤進行加熱，通過提高土壤溫度讓農作物提前萌芽。進入大棚管道前安裝溫控功能，實現對大棚內溫度的按需調控，精確控溫。農戶大棚建設較集中，相對于為村莊供暖可減少發(fā)電機組循環(huán)冷卻水在運輸途中的熱能損耗。該種供熱方式經濟環(huán)保，對農作物無污染，給蔬菜、花卉等農作物提供最理想的生長環(huán)境。

3.3 煙氣余熱為周邊村莊供暖

目前我廠區(qū)所用余熱鍋爐為小型低壓蒸汽鍋爐，主要滿足廠區(qū)日常熱水供應和冬季供暖需求。可進一步擴大供暖面積，但是也需要先在村莊安裝供暖管道后，使用熱網循環(huán)泵將余熱鍋爐內的暖水輸送給住戶。

3.4 余熱回收后向風井送熱風暖井

將瓦斯發(fā)電機組產生的煙氣余熱經過空氣換熱裝置將冷空氣加熱后輸送到煤礦風井，替代了熱風爐暖井，可以節(jié)約電能。