瓦斯发电机组余热利用系统的设计与应用

韩国芳

摘要：瓦斯发电机组排烟废气带走的热量占热效率的35%

-45%，通过在机组排烟管道上安装针形管换热器可有效回收利用这一热量，提高瓦斯发电机组的热效率，本文通过计算，对整改系统进行了选型设计，可为类似单位提供参考。

关键词：瓦斯发电 余热利用 选项 计算

目前，在高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井中，均建立了煤层瓦斯抽采及综合利用设施。瓦斯发电是目前最主流的综合利用项目。但瓦斯发电机组所使用燃气发动机的有效热效率仅为30-40%，而冷却水与废气带走的热量高达45-65%。综合利用这一能量可使瓦斯发电机组的有效热效率达70%以上，能起到较好的节能效果。

1 项目实施方案设计及选项

安阳鑫龙煤业（集团）红岭煤业有限责任公司（下称“红岭矿”）共安装4台500GF1-3PW型燃气发电机组。为充分利用资源，回收利用瓦斯发电机组余热，经过研究分析及多方论证，确定红岭矿瓦斯发电机组余热利用方案为：利用4台发电机组排出的尾气直接引入针形管换热

器，利用排烟余热产生0.5MPa的蒸汽加热负荷。

1.1 余热利用系统流程

1.2 发电机组排烟余热回收计算

按每m3纯瓦斯可发电3KWh，空燃比15：1计算，500GF1-3PW机组正常工作发电功率为420kW时的总耗气量为：

420/3×（15+1）=2240m3/h（常温体积）

平均重量按1.25kg/m3计算，排烟总重：

2240×1.25=2800kg/h

排烟的比热容按烟道气体计算：

可利用排烟余热为：

（550-170）×0.27×2800=28.7万kcal/h

则一台发电机组排烟余热可回收28.7万kcal/h。

可产生0.5MPa饱和蒸汽量为：

287000×95%/（656-20）=429kg/h。

0.5MPa蒸汽饱和温度151℃，比焓为656kcal/kg；补给水按20℃计算，比焓为20kcal/kg。

经计算，每台发电机组排烟余热可回收利用28.7万kcal/h，产蒸汽量429kg/h。则4台发电机组余热利用产生蒸汽总量为1716kg/h。

1.3 主要设备选项设计

供气压力：0.5MPa；机组排烟温度：550℃左右。设计范围：从冷水箱进口到汽水分离器蒸汽出口法兰的整合

余热回收系统的所有管线、附件及设备的设计选项和布置。

1.3.1 针形管换热器

选择与500GF1-3PW机组配套的KNPT04-500型针形管换热器，换热面积60m2，设计压力1MPa。

1.3.2 循环水泵的选择

根据锅炉设计手册，采用强制水循环的余热锅炉系统中，强制循环倍率为5-8倍，取强制循环倍率为8，4台机组产生蒸汽总量为1716kg/h。则系统循环量为13728kg/h。

根据循环水量及水力计算结果，选用KQWR-G40/

315C-18.5/2型熱水循环泵，流量25m3/h，扬程63m，电机功率为18.5kW。

1.3.3 汽水分离器

根据余热利用系统的蒸汽产量，选择KNQF020型汽水分离器，产汽量：2t/h，设计压力：1.0MPa。卧式安装，下设排污阀联至室外排污沟。

1.3.4 余热系统补水泵

根据汽水分离器的补水量，选用KQDP25-2-8.5×8型余热系统补水泵，流量2m3/h，扬程68m，电机功率为1.5kW。

1.4 余热利用系统管径计算与管材选择

1.4.1 蒸汽输送管线管径

根据产蒸汽量计算管道直径，以管道内饱和蒸汽流速不超过30m/s为计算依据。

根据质量流量计算管径：d=594.86×[m/（ρω）]0.5

式中：d——管道内径（mm）

m——在工作状态下的质量流量（t/h）

ρ——在工作状态下的密度（kg/m3），查的为3.111kg/m3

ω——在工作状态下的流速（m/s），取ω=30m/s

则d=594.86×[1.72/（3.111×30）]0.5=81mm。

因此蒸汽管管径选DN100，管内蒸汽实际流速为17m/s。

1.4.2 余热循环管线管径

针形管换热器出水管内介质为汽水混合物，饱和水蒸汽的干度不确定，可根据蒸汽管线管径取针形管换热器出水总管管径为DN100。

针形管换热器进水管内介质为热水，可根据体积流量计算管径：

d=18.8×（V/ω）0.5

式中：d——管道内径（mm）

V——在工作状态下的体积流量（m3），根据蒸汽产量，取进水总管内体积流量V=13.76m3/h

ω——在工作状态下的流速（m/s），取ω=1.5m/s

则d=18.8×（13.76/1.5）0.5=57mm

针形管换热器进水总管管径选DN100，管内实际流速为0.43m/s。

针形管换热器进出水接口为DN80，所以取进出水支管管径为DN80。

1.4.3 管材选择

余热系统管线采用符合《输送流体用无缝钢管》

GB/T8163-1999标准生产制造的20#钢镀锌无缝钢管；套管采用符合《普通流体输送管道用螺旋缝埋弧焊钢管》

SY/T 5037-2000标准生产制造的螺旋缝埋弧焊钢管。

1.5 热水循环泵的冷却

热水循环泵冷却水供水压力为0.3MPa-0.6MPa，供水量为3-4m3/h，水质为地下水，根据红岭矿实际情况，新建一座冷却水池，冷却水泵从水池中吸水为热水循环泵提供冷却水，冷却后经热水循环泵出水管回到冷却水池，在冷却水池上方的热水循环泵出水管采用喷淋方式与空气接触进行散热。

2 项目效益

红岭矿瓦斯发电站4台余热锅炉，单台产汽量为0.5t/h，四台锅炉即2t/h，2T锅炉每天按耗煤量6吨计算，全年可节约2190吨原煤。

3 结语

通过该项目的实施，有效提高了瓦斯利用率，又降低了原煤消耗，节能减排效果明显，是高瓦斯矿井综合利用瓦斯的有效途径。

参考文献：

[1]任建广，王国保，李风军.瓦斯发电站烟气余热利用技术[J]. 科技信息，2008（31）.

[2]闻其有.瓦斯发电站烟气余热利用实践[J].中国新技术新产品，2012（21）.

[3]张国昌.煤矿瓦斯发电技术综述[J].车用发动机，2008（05）.