燃氣發(fā)動機余熱回收改造及分析

王宇鵬

(山西藍焰煤層氣集團有限責任公司，山西 晉城 048204)

1 引言

在煤層氣開發(fā)利用領域，燃氣發(fā)動機作為驅動壓縮機運轉的原動機，使用范圍廣泛。發(fā)動機燃燒燃氣做功時，僅有約一半的能量是有效功率，另外大部分能量隨著發(fā)動機排放高溫煙氣白白散失掉。因此，對發(fā)動機高溫煙氣余熱進行回收利用，可以提高能源利用率，實現(xiàn)節(jié)能降耗，具有極大的發(fā)展前景。

2 改造原因

李莊首站站內(nèi)共有3 臺燃氣發(fā)動機驅動型壓縮機。燃氣發(fā)動機采用美國卡特彼勒G3606 型發(fā)動機，每小時消耗燃氣為300 Nm3，發(fā)動機廢氣通過消音器后直接排入大氣中，出口煙氣溫度高達350～500℃，熱量白白散失掉，造成極大的浪費。另一方面，為確保生活熱水供應和冬季供暖，需要開啟一臺鍋爐。鍋爐夏季供應熱水需要每天45 Nm3的燃氣，冬季供暖情況下每天需要400～450 Nm3的燃氣。為此，決定對首站發(fā)動機煙氣的余熱進行回收，回收的熱量直接供生活熱水和冬季的供暖。這樣不僅節(jié)省燃料消耗，還減少了污染排放。

3 改造方案選擇與實施

燃氣發(fā)動機余熱回收，主要有利用余熱進行發(fā)電、制冷、取暖等，結合增壓站現(xiàn)場運行情況，選擇利用余熱進行取暖和供生活熱水。

3.1 熱量計算

壓縮機組由卡特G3606 發(fā)動機驅動，發(fā)動機的額定功率為1320 kW，額定排量約為127 L，燃料氣為煤層氣。正常運行時發(fā)動機排氣量約3500 m3/h，煙氣溫度在450℃左右，發(fā)動機的排氣損失的熱量大約為25%。

（1）煙氣溫度從450 ℃降到150 ℃，每小時可回收熱量計算如下：

式中：

Q-每小時回收熱量；

L-煙氣流量，3500 Nm3/h；

ρ-煙氣密度，1.295 kg/m3（煙氣的密度采用標況時的數(shù)值）；

Cp-煙氣定壓比熱1.043 kJ /（kg·℃）（煙氣的定壓比熱采用標況時的數(shù)值）；

T進、T出-分別為發(fā)動機煙氣進出回收器的溫度。

（2）取暖面積計算如下:

式中：

S-取暖面積，m2；

Q-每小時回收熱量，kcal/h；

R-北方取暖標準系數(shù)。

（注：每小時回收的熱量有5%的熱損耗）

（3）換熱器補水提升溫度計算：

式中：

△T-水被加熱提升的溫度，℃；

M-換熱器補水量，kg/h；

Q-每小時回收熱量，547 027 kJ/h；

C-水的定壓比熱，4.2 kJ /（kg·℃）。

按照熱損失5%計算，回水溫度50 ℃，通過余熱回收器加熱后，每小時可以將10 t 水溫度提高到80 ℃。

增壓站辦公樓與宿舍樓面積共計2500 m2，根據(jù)計算結果回收的可以滿足供暖需求。

3.2 流程設計

該站共有3 臺機組，計劃改造2 臺，這樣可以采用1 開1 備的運行方式，確保機組檢修時供暖和熱水供應不中斷。新增余熱回收器安裝在發(fā)動機排煙管道消音器的前端，在回收器兩端分別各安裝電動閥門1 臺，同時設計回收器的旁路管線，并在旁路管線上也安裝電動閥門1 臺。設置溫度傳感器，當水箱溫度達到設定值時，打開回收器旁路閥門，關閉回收器的進出口閥門，確保系統(tǒng)運行安全。具體如圖1 所示。

3.3 余熱回收設備選型與改造

余熱回收器主要有殼管式換熱器、板式換熱器、熱管換熱器等形式，其中熱管式換熱器體積小，安裝簡單，更適合現(xiàn)場工況。工作時，高溫煙氣流經(jīng)余熱回收器沖刷熱管換熱器的下端，熱管吸熱后將熱量導至上端，熱管上端放熱生成高溫熱水。熱水達到設定值時，通過電動蝶閥切換煙氣由旁通管線排出，保證安全。新增換熱器和一套給回水系統(tǒng)，用余熱回收設備加熱50 ℃回水，加熱后80℃熱水經(jīng)出口管道進入現(xiàn)場蓄水箱。現(xiàn)場蓄水箱的熱水通過循環(huán)水泵與原有鍋爐房供暖管路和生活熱水管路相連，實現(xiàn)供暖和供熱。

圖1 余熱回收系統(tǒng)流程示意圖

改造工程主要包括鋪設現(xiàn)有鍋爐房到發(fā)動機的供暖管路，安裝熱管余熱回收裝置、溫度傳感器、循環(huán)水箱、循環(huán)水泵、補水泵，安裝電動閥門、控制柜、程序調試等。

4 改造后運行情況

燃氣發(fā)動機余熱回收工程共計改造2 臺機組，改造后，燃氣發(fā)動機運行平穩(wěn)。只開1 臺機組，循環(huán)水箱溫度維持在65～75 ℃之間，供暖進水溫度為70 ℃左右，回水溫度在55 ℃左右。另外，原有鍋爐房鍋爐供水出口加裝了手動閥門，作為供暖的備用系統(tǒng)，防止2 臺機組同時故障時供暖中斷。系統(tǒng)電動閥開啟溫度可以自由調整，對供暖溫度進行設置。

5 結論

改造工作表明，燃氣發(fā)動機余熱回收進行供暖不僅技術上可行，而且經(jīng)濟合理。改造后燃氣發(fā)動機排放的高溫煙氣溫度大幅下降，原有鍋爐停用，起到環(huán)境保護的作用，綜合來說具有良好的社會、經(jīng)濟和環(huán)保效益，具有極大的推廣價值。