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瓦斯发电机组余热回收二次深度利用应用

发布于：2022-12-07 11:17:07 来自：电气工程/风力发电技术 [复制转发]

知识点：发电机组

引言

我国煤与瓦斯突出的矿井基本建立了煤层瓦斯抽采及瓦斯利用系统。瓦斯发电机组是瓦斯抽采利用的主要设备，在瓦斯发电机组工作过程中产生的高温废气和冷却介质余热等，却没有被充分利用，综合利用效能不足。因此，如何解决瓦斯发电机组余热的二次深度利用，问题对提高综合能效非常重要。

1、瓦斯发电机组烟气和循环水余热系统现状

瓦斯发电机组在运行发电过程中产生及排放出大量高温废气，而其自带冷却系统远不能满足机组散热的需求，且大大降低了机组发电运行效率和使用寿命。对于瓦斯发电机组，燃料的能量有约 35 ％被瓦斯发电机组转化为电能，其他约有 30 ％的气体燃料随高温烟气排出， 25 ％被发动机冷却水带走，通过自身散发等其他因素损耗的约占 10 ％，而这其中约一半的能量是可以被二次利用的。根据计算，瓦斯发电机组每提供 100 kW 的电，所排出的尾气余热可满足 2500m³ 的洗浴和采暖用水。由此可见，若将浪费的热能回收加以利用，不仅可提高能源利用率和设备运行效率，降低生产支出成本，还可减少 CO₂ 以及各种有害气体的排放。

2、余热二次深度利用的原理

瓦斯发电机组系统在发电过程中，一方面在瓦斯发电机组烟道口处安装一套余热锅炉，收集机组排出的约 550 ℃高温烟气，软化水依托管网源不断地输送到余热锅炉进行热源交换，另一方面在机组冷却系统循环水系统加装板式换热器，简化中间再热环节，通过“热水—冷水一热水、热气—冷水一热水”的交换方式，经管道泵将余热水源不断地输送到蓄水池和使用地点，使得一次能源在向二次能源转换的过程中，将损耗的能源充分利用，最大限度地提高能源的使用率。

3、余热回收循环系统设计

针对瓦斯发电机组高温废气和机组冷却介质热量较为充足的特点，通过瓦斯发电机组排烟口加装余热锅炉，用于收集高温废气和机组软化循环水。在简化中间再热环节，进行“热水—冷水一热水、热气一冷水一热水”的交换方式，将低温交换软化循环水送到余热回收换热装置，并在不改变原余热利用系统的前提下，将原瓦斯发电机组冷却水池更改为热水蓄水池，通过改造管路将冷水在热水蓄水池与 4 台锅炉之间不断循环，持续给冷水升温至 80 ℃左右，将热水池内热水引至水泵吸水口，通过两台管道泵串联运行增压至各个使用场所；然后通过总回水管路经暖气片热释放后的温水，再回循环至瓦斯发电站热水蓄水池循环加热，使余热回收形成了开式循环系统。如图 1 所示。

4、瓦斯发电机组余热二次深度利用的应用实践

以某煤矿为例作介绍。该矿瓦斯发电站安装 4 台 1000GF 系列瓦斯发电机组，每台瓦斯发电机组的烟道出口处安装了 1 套余热锅炉及机组冷却循环水余热收集装置，通过循环网管不断地循环补给。

1）烟气管道出口余热锅炉能回收的热量。 烟气管道出口烟气温度在 550 ℃左右，经余热锅炉换热后烟气温度在 150 ℃左右，这样，在瓦斯发电机组烟道出口温度由原来的 550 ℃降为 150 ℃时，其余热收集锅炉每小时能够释放出的热量计算为：

Q₁ =CMρ （ T₁-T₂ ）≈ 2780 MJ/h （ 1 ）

式中： Q₁ 为释放热量， MJ/h ； C 为热比 1.076 kJ/(kg ℃ ) ； M 为流量， m³ ； ρ 为密度， Kg/m³ 。 T₁ 为出口温度，℃； T₂ 为换热后温度，℃。

经计算，其余热锅炉换热效率为 95% 左右，则 4 台机组每小时可收集的热量值为：

Q _余 =4Q × 95% ≈ 10570 MJ/h （ 2 ）

2）冷却循环水能够收集回收的能量。 发电机组温度在 80 ℃左右，经换热后温度在 20 ℃左右，其瓦斯发电机组烟道出口由原来的 80 ℃降为 20 ℃ 时，每小时能够释放出的热量计算为：

Q₂ =CMρ （ T₁-T₂ ）≈ 3470 MJ/h （ 3 ）

式中： Q₂ 为释放热量， MJ/h ； C 为热比 1.076 kJ/(kg ℃ ) ； M 为流量， m³ ； ρ 为密度， Kg/m³ 。 T₁ 为出口温度，℃； T₂ 为换热后温度，℃。

经计算，其余热锅炉换热效率为 95% 左右，则 4 台机组每小时可收集的热量值为：

Q₂=4Q × 95% ≈ 13186MJ/h （ 4 ）

3）余热利用效果分析

（ 1 ）余热收集热量用于矿井职工洗浴热水。冷水由原来软化水温度 20 ℃升温至 80 ℃左右，每天可供 8O ℃热水量约 2735 m³ 。。余热收集热量用于矿井职工办公供暖，每平方米所需提供的热量为 300 kJ/m ，这样余热收集回收的热量能够提供的供暖面积为 79186 m² 。

（ 2 ）该瓦斯发电机组总装机容量 4000 kW ，运行方式为 4 台机组同时运行，排气温度在 550 ℃左右，依据瓦斯发电机组热变转换计算，按照每立方瓦斯可发电 3kwh ，空燃比按 15 ： 1 计算， 1000 GF 机组正常总耗气量为 2688 m³/h( 常温体积 ) ，平均质量按 1.25 kg/m³ 计算，排烟总重约 3360 kg/m³ ，排烟的比热容按烟道气体计算，可利用余热热值为 23756 MJ/h ，每台发电机组的余热利用相当于 1 台 2 t 的燃煤热水锅炉， 4 台机组同时运行时，余热可供 7.1 × 10³ m² 面积的职工洗浴和办公场所供暖用水。

4）余热回收利用经济效益。 瓦斯发电机组烟气管道出口余热锅炉及机组冷却循环水余热收集回收的方式，完全取代了矿井燃煤锅炉和瓦斯发电机组冷却循环水塔，初步统计每年可以为矿井节约成本支出约 300 万元，其中，节约人工费用约 45 万元，节约检修维护费用约 27 万元，节约燃煤资金约 235 万元，且不含各类检测、环保治理等费用。

5、结论

1 ）余热系统正常运行后，停止使用原有的 2 台 4 t 燃煤蒸汽压力锅炉，减少了污染物排放，最大限度地提高了矿井能源的使用率，既提升了瓦斯发电机组冷却系统的冷却效果，又延长了设备配件的使用寿命，还降低了瓦斯发电成本。

2 ）该系统经实际应用，完全满足了矿井热源的需求，取代了燃煤锅炉，还极大地提高了瓦斯发电机组本身的运行工效，带来显著的经济效益。

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