瓦斯发电机组余热回收系统设计研究

2018-01-21吴学强

中国资源综合利用 2017年12期

吴学强

（中机国际工程设计研究院有限责任公司华东分院，南京 210049）

Q煤矿位于贵州省黔西县城以东约14 km处，行政隶属谷里镇管辖。该煤矿在生产期拥有丰富且可靠的余热资源，若采取合理措施加以利用，有助于节约企业运营成本，改善矿区环境，从而获得较好的经济效益和社会效益。

Q煤矿现有的各种工业余热中，只有一小部分属于可以直接利用的高质高温热源（如瓦斯发电机组的烟气余热），其余均属于低质低温热源（如瓦斯发电机组高温外循环冷却水）[1]，无法直接作为建筑物供暖热源。考虑到其品质虽低，但余热量大，且全年运行，具有较高的可靠度，人们可以将其作为煤矿联合建筑浴池淋浴冷水预热热源[2]。

1 热负荷

煤矿热负荷分供暖期热负荷和非供暖期负荷，供暖期热负荷主要由供暖热负荷、洗浴食堂等生活供热热负荷组成，非供暖期热负荷只有生活供热热负荷。Q煤矿供暖及供热热负荷统计如表1所示。

表1 热负荷统计

根据表1可得，Q煤矿供暖期供热所需总用汽量为6.92 t/h。

2 热源现状

Q煤矿锅炉房原安装一台DZL4-1.25-WⅡ和一台DZL4-1.25-WⅢ燃煤蒸汽锅炉。贵州省政府于2014年5月6日出台了《贵州省落实大气污染防治行动计划实施方案》（黔府发（2014）13号），按照《方案》文件要求，到2016年底，13个设市城市建成区淘汰每小时10蒸吨及以下燃煤锅炉。因此，Q煤矿原锅炉房这两台4 t/h的旧锅炉已不能再继续使用，只能淘汰报废。

为了更好地利用瓦斯资源，落实瓦斯的综合利用工程，达到节约资源、保护环境、安全生产的目的，Q煤矿建设瓦斯电厂一座，建设规模为12×500 kW，配套12台余热蒸汽锅炉，发电机组与余热蒸汽锅炉采用一台发电机组配套一台余热锅炉，每台余热锅炉额定换热功率为375 kW，以替代两台4 t/h的燃煤旧锅炉，瓦斯发电机组基本为全年运行。余热锅炉型号及参数如表2所示。

表2 余热锅炉型号及性能参数

余热蒸汽锅炉的给水由室外自来水管网直接供给，给水系统及出水系统均采用单母管制。余热锅炉的运行参数为供汽压力0.4 MPa，锅炉产生的饱和蒸汽通过蒸汽母管送至分汽缸（1#），然后通过室外蒸汽管道送至原锅炉房分汽缸（2#）。

3 余热资源分析

3.1 瓦斯电厂余热锅炉供汽量

为了充分利用瓦斯发电机组烟气余热，每台机组排烟管后配套安装了1台余热锅炉。每台发电机组的烟气量约为2 240 kg/h，若直接排入大气，不仅浪费能源，还会对附近环境造成不良影响。发电机组排烟温度为550℃左右，经余热锅炉换热后排烟温度约为170℃[3]。根据余热锅炉额定换热功率375 kW，瓦斯发电机组满负荷率取85%，余热锅炉热效率取90%，故瓦斯发电厂12台余热锅炉总供汽量为：

G=12×3.6×[375/（2 748.5-42）]×85%×90%=12×0.38=4.56 t/h

3.2 瓦斯电厂余热锅炉供汽量与煤矿用汽量的比较

Q煤矿供暖期供热所需总用汽量为6.92 t/h，而瓦斯电厂余热锅炉的总供汽量为4.56 t/h，还欠缺2.36 t/h，仅靠余热锅炉无法满足矿井生产生活最大热负荷需求，因此还需考虑回收瓦斯发电机组高温外循环冷却水的余热作为辅助余热热源，以减少余热锅炉的负担。

3.3 瓦斯发电机组高温外循环冷却水余热量

瓦斯电厂共安装12台发电机组，每台机组冷却系统由内、外两个循环系统组成。内循环系统采用软化水，外循环又分为高温和低温两个循环冷却水系统，均采用普通水。外循环低温冷却水热品质较低，不具备回收的价值；而高温冷却水用于缸盖冷却，品质高，具有较高的回收价值。

根据瓦斯电厂实测数据，外循环高温冷却水进水温度60℃～65℃，出水温度65℃～75℃，循环水量30～50 m3/h·台，目前高、低温冷却水系统各设一台400 m3/h冷却塔用于排除热量。

高温外循环冷却水的余热量较大，可作为联合建筑浴室的冷水的预热热源。单台循环水量取30 m3/h，共12台发电机组，故总循环水量为360 m3/h，温升按5℃计算，其总余热量为：

Qy=（360×1/3.6）×5×4.186 8=2 093.4 kW

按0.4 MPa饱和水蒸气的汽化潜热2 108.4 kJ/kg折算，高温外循环冷却水的余热量折合饱和蒸汽量为3.57 t/h。

4 余热利用系统设计

目前，Q煤矿工作实行三班制，每班8 h，考虑到漏损和其他热水用量，按每班耗水量为148 m3计；自来水采用地表水，计算温度取5℃。现以瓦斯发电机组高温外循环冷却水作为洗浴用水预热热源，设计了两种典型方案。

4.1 方案一：直供式

自来水经过原水加压泵加压进入瓦斯发电机组缸盖，经换热升温后，通过室外管网送到联合建筑浴池或淋浴水箱。设冷水温升为Δt℃，传热效率取90%，则根据传热过程热量平衡，可得：（148×1/3.6）×Δt×4.186 8=2 093.4 kW×0.9得Δt=10.9℃，故5℃冷水流经缸盖换热后温度可达到15.9℃，然后通过室外管网输送到联合建筑浴池或淋浴水箱。考虑到管网输送过程等热量损失，到达联建后温度降为15℃，再利用饱和蒸汽直接加热至43℃，其中浴池水加热时间按2 h计，淋浴水加热时间按3 h计。直供式水温变化如图1所示。

图1 直供式水温变化

在联合建筑内部将15℃预热水加热到符合池浴要求还需热负荷为：

Q1=4.186 8×[57.5/（2×3.6）]×28=945 kW

折合0.3 MPa饱和蒸汽量为1.60 t/h。

将15℃预热水加热到符合淋浴要求还需热负荷为：

Q2=4.186 8×[70.4/（3×3.6）]×28=765 kW

折合0.3 MPa饱和蒸汽量为1.29 t/h。

故将15℃预热水加热到符合洗浴要求合计还需利用蒸汽量为2.89 t/h，比原先直接利用饱和蒸汽将5℃冷水加热到符合要求少耗蒸汽量1.48 t/h。

方案一热平衡计算如下：

（2.13+2.89×1.12+0.42）=5.79 t/h＞4.56 t/h

故缸盖余热利用采用直供的方式，尚不能满足矿井在供暖期时的最大热负荷的需求。

4.2 方案二：设开式保温热水箱式

自来水经过水泵加压进入瓦斯发电机组缸盖，经换热升温后，送入两个80 m3的开式保温热水箱，按1 h为单位进行交替加热，并在开式保温热水箱和瓦斯发电机组之间设循环水泵。

根据方案一计算，一班的洗浴用水（148 m3）加热1 h的温升为10.9℃，考虑到交替加热等过程散热损失，两个水箱内水交替加热3次后温度可达35℃（此温度值仍低于目前实际运行的冷却水出水温度42℃～45℃，不影响瓦斯发电机组正常运行），然后通过循环水泵加压送入室外管网至联合建筑浴池或淋浴水箱，再利用饱和蒸汽直接加热至43℃，其中浴池水加热时间按2 h计，淋浴水加热时间按3 h计。设开式保温热水箱式水温变化如图2所示。

图2 设开式保温热水箱式水温变化

在联合建筑内部将35℃预热水加热到符合池浴要求还需热负荷为：

Q1=4.186 8×[57.5/（2×3.6）]×8=270 kW

折合0.3 MPa饱和蒸汽量为0.46 t/h。

将35℃预热水加热到符合淋浴要求所需热负荷为：

Q2=4.186 8×[70.4/（3×3.6）]×8=219 kW

折合0.3 MPa饱和蒸汽量为0.37 t/h。

通过上述计算，将35℃预热水加热到符合要求还需利用蒸汽量为0.83 t/h，比方案一少耗蒸汽量3.54 t/h。

方案二热平衡计算如下：

（2.13+0.83×1.12+0.42）=3.48 t/h＜4.56 t/h

故该方式下，供热热源可完全满足矿井生产生活热负荷需求，且有1.08 t/h的富裕量，可减少联合建筑浴室洗浴用热水的加热时间。

根据联合建筑洗浴热水8 h一班工序排列，设置了2个开式保温热水箱作为缓冲，一班工序中发电机组缸盖余热利用状况用了6 h，其余2 h需切换至利用原冷却塔的循环冷却状态，因此两种冷却方式需设置电动调节阀及智能控制柜进行工况转换及控制。余热利用工艺系统流程如图3所示。

4.3 设备选型及方案对比

方案一选用两台原水加压泵，单台流量143 m3/h，扬程16 m，功率11 kW，一用一备。方案二选用两台热水加压泵，单台流量143 m3/h，扬程16 m，功率11 kW，一用一备，同时选用两座80 m3的开式保温热水箱。

与方案一相比较，方案二需增设两个80 m3的开式保温热水箱及部分配套阀门管路；但方案二比方案一节约高品质饱和蒸汽2.06 t/h，节能效果更明显。根据热平衡计算，方案一在12台余热锅炉同时开启的情况下，尚不能满足整个矿井生产生活最大热负荷需求，而方案二只需同时开启10台即可满足，尚有2台备用，故方案二比方案一具有更高的可靠度。