论文部分内容阅读
摘 要 往复式内燃燃气电站（简称燃气电站）属大型清洁高效发电领域。目前燃气发电效率约为30%，而通过热电联产，能源利用率可达70%以上。由于热电联产具有节能减排、低碳绿色等优点，因此我国燃气热电联产具有广阔的发展前景。文章就燃气电站余热利用系统设计进行初步探讨，以期为其设计提供参考。
关键词 燃气电站；余热利用；设计
中图分类号：TK11 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）05-0026-02
20世纪70年代，西方国家曾经面临过一次空前的能源危机，因为石油输出国家的联合禁运，导致北美和西欧出现严重的能源危机，这次能源危机后，西方国家痛定思痛，决定提高能源利用效率，扩大能源供应品种，特别是鼓励开发天然气资源，并制定相关法律推动热电联产。我国政府近年也下发了《关于发展热电联产的规定》，明确国家鼓励发展热电联产、热电冷联产项目的政策。目前，不论是国际上还是国内，利用燃气的首选技术是分布式能源系统，它先利用燃气发电，将发电后的余热用于供热、制冷，再将更低温的废热供应生活热水。世界一些发达国家的热电综合效率已经能达到95%以上，几乎将燃气的所有能量用尽。燃气电站由于其对燃气供应能力的要求低、投产快和投资少等特点，正在大规模建设。目前，我国已建有兆瓦级燃气电站200多座，同时，随着我国逐步建成“三纵、三横”天然气输气工程，天然气非常充足，我国燃气电站热电联产将具有广阔的发展前景。
我国燃气电站余热利用的研究已有多年的历史，但是基于电站的余热利用系统工艺设计、电气设计、安全要求、计量要求等系统的研究至今仍处于起步阶段。最近几年中国石油集团济柴动力总厂与煤炭工业太原设计研究院、青岛依科节能环保设备有限公司等合作，开始加强这一领域的研究。本文就燃气电站余热利用系统设计进行探讨，以期为其设计提供参考，也可为工程建设提供设计计算模式。
1 燃气电站余热利用设计
燃气电站余热利用系统设计主要包括设计原则、余热容量确定、余热设备要求、计量方法等。
1.1 设计原则
1）燃气电站工程建设当中，机组发电应放到首要地位，当用户有余热需求时，可允许一定影响，但影响应在燃气发电机组制造商允许范围内。
2）结合当前国家能源发展法律、法规和部分地方政府鼓励新能源利用补贴政策，燃气电站余热利用系统宜对燃气发电机组缸套水和烟气热量进行联合利用，其燃气冷热电联产总效率应不小于70%。
1.2 余热容量的确定
余热容量的确定是燃气电站余热利用系统设计的基础，它的计算准确度直接决定了整个电站的效率。根据热力学热量基本计算公式Q=CM△T和相关余热设备厂家产品配套特点，以及华北油田电站余热利用工程实践和尼日尔阿加德姆（AGADEM）油田应用特点。总结出如下公式（1）、（2）是相关工程设计中常用的设计方案计算方法。燃气电站余热容量应依据燃气发电机组发电装机容量计算确定，燃气发电机组缸套水余热应按公式（1）计算，烟气余热应按公式（2）计算。
（1）
式中：Qk-单位时间内燃气发电机组缸套水余热总和，单位为千瓦（kW）；
Wk，i-燃气发电机组缸套水流量，单位为立方米每小时（m3/h）；
Ck，i-燃气发电机组缸套水比热，单位为千焦每立方米摄氏度（kJ/（m3·℃）；
Tk1，i-燃气发电机组缸套水出口温度，单位为摄氏度（℃）；
Tk2，i-燃气发电机组缸套水进口温度，单位为摄氏度（℃）。
（2）
式中：Qr-单位时间内燃气发电机组产生的烟气余热总和，单位为千瓦（kW）；
Ei-燃气发电机组烟气流量，单位为立方米每小时（m3/h）；
Cp1，i、Cp2，i-余热利用设备烟气平均定压比热，单位为千焦每立方米摄氏度（kJ/m3℃）；
Tp1，i-余热利用设备烟气进口温度，单位为摄氏度（℃）；
Tp2，i-余热利用设备排气温度，单位为摄氏度（℃）。
1.3 工艺选型和设备要求
根据用户需求和市场特点，当前余热利用系统主要应用为制热余热系统，用来制冷或同时用来制热、制冷的系统由于设备投资较大，产出比不高，目前市场上应用较少。
1.3.1 余热锅炉与烟气系统
制热余热利用系统通常使用热交换器利用燃气发电机组缸套水余热，使用余热锅炉利用烟气余热，用来生产热水或水蒸汽。图1所示为典型燃气电站制热余热余能系统工作原理图，燃气进燃气发动机，燃烧做工带动发电机发电，产生约600℃烟气进入余热锅炉，同时，穿过燃气发动机本体的约90℃的冷却水通过热交换器将热量传递给余热管路。水通过热交换器换热再进入余热锅炉加热，产生高温热水或蒸汽。蒸汽可用作工业生产，热水可用作供暖和生活用热水。在这一工作过程中，可以发电、供热，从而实现热电联产，最终向外界排放的只有低于150℃烟气。当前，国内的燃气发动机技术已经很成熟，比如济柴、淄柴生产的燃气发电机组，应用于电站可实现发电效率30%以上，配套的余热锅炉或制冷机组，可实现约30%的热吸收率，同时通过热交换器可吸收约20%的热量，从而实现整个电站综合能源利用率达到75%以上。
图1
余热锅炉现已是比较成熟的行业，其产品技术条件应符合GB/T 28056的要求。在电站余热利用工程建设中，余热锅炉使用应不影响机组发电，这是电站设计的轻重原则，在不影响电站发电要求的前提下，应满足用户的用热要求。所以，余热锅炉参数的选择应满足用户要求，当设计热负荷和最大热负荷相差较大时宜选用补燃型余热锅炉，选用的余热锅炉其烟气阻力应满足燃气发电机组允许背压的要求。
现有电站工程应用中，余热锅炉使用过程中，水是主要载体，从安全角度出发，烟气管道防水处理和锅炉制热管路防缺水尤为重要，因此，在余热利用烟气系统设计过程中，各段烟道底的设计均应向余热锅炉方向设置一定倾斜度，最低点设置排水口，并对保温结构采取防水措施，每隔一定距离应设置温度补偿装置。余热锅炉前后端烟气系统应符合如下要求。 1）在余热锅炉烟气管道进口端应设置旁通管道，旁通管直径应不小于燃气发电机组排气主管道直径。
2）当使用补燃余热锅炉时，在锅炉出口处应额外设置一条排烟管道，其排烟能力应满足补燃燃料燃烧后的最大排烟要求。
3）在锅炉进气口前烟气管道上应设置防爆阀。
4）在锅炉进气口前与旁通烟道相连处三通管上应设置烟量调节装置，余热利用烟道阀门与旁通烟道阀门应有可靠的连锁。
1.3.2 热交换器
如图1中所示，发动机缸套水余热利用通常利用热交换器换热，在工程应用过程中，根据燃气电站中各设备的主次地位和安全要求，燃气发电机组缸套水余热利用宜采用间接交换系统，热交换器应与燃气发电机组一对一配置，缸套水侧换热系统的阻力应小于燃气发电机组冷却系统允许阻力。热交换器前后应设置温度监控系统，温度监控系统应确保热交换器的使用不影响燃气发电机组的性能。
1.4 能源综合利用率
燃气电站余热利用系统建设的宗旨在于提高能源综合利用率，各地政府的政策引导也集中反映在对效率的计量上，燃气电站冷热电联产能源综合利用率当前比较合适的计算方法如公式（3）。
（3）
式中： -电站热（冷）电联产能源综合利用率，单位为1，以百分数表示；
Pe，i-燃气发电机组的发电功率，单位为千瓦（kW）；
Qy-单位时间内余热利用总量，热水型余热利用系统按公式（4）计算，蒸汽型余热利用系统按公式（5）计算，单位为千瓦（kW）；
Mf，i-燃气发电机组进气口燃气流量，单位为立方米每小时（m3/h）；
Hu，i-燃气发电机组进气口燃气的低热值，单位为千焦每立方米，（kJ/m3）。
（4）
式中：Qy-单位时间内余热利用总量，单位为千瓦（kW）；
Ci、Cj-介质的比热，单位为千焦每立方米每摄氏度（kJ/（m3·℃））；
G’w，i-余热热交换器水流量，单位为立方米每小时（m3/h）；
Tw，i-余热热交换器进出水温差，单位为摄氏度（℃）；
G’r，j-热水型余热锅炉介质流量，单位为立方米每小时（m3/h）；
Tr，j-余热锅炉进出口水温差，单位为摄氏度（℃）。
（5）
式中：Qy-单位时间内余热利用总量，单位为千瓦（kW）；
Ci、Cj-介质的比热，单位为千焦每立方米每摄氏度（kJ/（m3·℃））；
G’w，i-余热热交换器水流量，单位为立方米每小时（m3/h）；
Tw，i-余热热交换器进出水温差，单位为摄氏度（℃）；
Dj-蒸汽产量，单位千克每小时（kg/h）；
Is，j一定压力和温度下蒸汽型余热锅炉出口蒸汽的热焓，单位千焦每千克（kJ/kg）；
Iw，j-蒸汽型余热锅炉进口的水的热焓，单位为千焦每千克（kJ/kg）。
2 结束语
综上所述，燃气发电机组技术发展已非常成熟，产出的缸套水和烟气性质都比较稳定，具有非常好的经济效益和社会效益。余热制热的相关的换热设备已比较成体系，基本都能满足用户的使用要求。而余热制冷的相关技术尚未完全被社会接受，同时相关的工程设计尚存在着许多经验不足。究其主要原因：一是以前没有行业协调机构来制定统一的标准发展规划；二是也无燃气电站余热利用国家标准体系作为行业发展的技术支撑。从而造成燃气电站余热利用技术、相关配套技术研究落后于国外，严重制约了民族燃气电站余热利用设备产业链的发展。目前，相关标委会正在加快具有我国民族知识产权的燃气电站余热利用设备创新技术研究，同时制定相关国家标准，从而满足燃气发电余热利用设备行业快速发展对标准的需求。
参考文献
[1]吴德荣.化工工艺设计手册第四版[M].北京：化学工业出版社，2009.
[2]马鸣.最新热电联产工程设计与生产技术工艺及应用实例指导手册[M].北京：电力科学出版社，2007.
[3]赵钦新.余热锅炉研究与设计[M].北京：中国标准出版社，2010.
关键词 燃气电站；余热利用；设计
中图分类号：TK11 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）05-0026-02
20世纪70年代，西方国家曾经面临过一次空前的能源危机，因为石油输出国家的联合禁运，导致北美和西欧出现严重的能源危机，这次能源危机后，西方国家痛定思痛，决定提高能源利用效率，扩大能源供应品种，特别是鼓励开发天然气资源，并制定相关法律推动热电联产。我国政府近年也下发了《关于发展热电联产的规定》，明确国家鼓励发展热电联产、热电冷联产项目的政策。目前，不论是国际上还是国内，利用燃气的首选技术是分布式能源系统，它先利用燃气发电，将发电后的余热用于供热、制冷，再将更低温的废热供应生活热水。世界一些发达国家的热电综合效率已经能达到95%以上，几乎将燃气的所有能量用尽。燃气电站由于其对燃气供应能力的要求低、投产快和投资少等特点，正在大规模建设。目前，我国已建有兆瓦级燃气电站200多座，同时，随着我国逐步建成“三纵、三横”天然气输气工程，天然气非常充足，我国燃气电站热电联产将具有广阔的发展前景。
我国燃气电站余热利用的研究已有多年的历史，但是基于电站的余热利用系统工艺设计、电气设计、安全要求、计量要求等系统的研究至今仍处于起步阶段。最近几年中国石油集团济柴动力总厂与煤炭工业太原设计研究院、青岛依科节能环保设备有限公司等合作，开始加强这一领域的研究。本文就燃气电站余热利用系统设计进行探讨，以期为其设计提供参考，也可为工程建设提供设计计算模式。
1 燃气电站余热利用设计
燃气电站余热利用系统设计主要包括设计原则、余热容量确定、余热设备要求、计量方法等。
1.1 设计原则
1）燃气电站工程建设当中，机组发电应放到首要地位，当用户有余热需求时，可允许一定影响，但影响应在燃气发电机组制造商允许范围内。
2）结合当前国家能源发展法律、法规和部分地方政府鼓励新能源利用补贴政策，燃气电站余热利用系统宜对燃气发电机组缸套水和烟气热量进行联合利用，其燃气冷热电联产总效率应不小于70%。
1.2 余热容量的确定
余热容量的确定是燃气电站余热利用系统设计的基础，它的计算准确度直接决定了整个电站的效率。根据热力学热量基本计算公式Q=CM△T和相关余热设备厂家产品配套特点，以及华北油田电站余热利用工程实践和尼日尔阿加德姆（AGADEM）油田应用特点。总结出如下公式（1）、（2）是相关工程设计中常用的设计方案计算方法。燃气电站余热容量应依据燃气发电机组发电装机容量计算确定，燃气发电机组缸套水余热应按公式（1）计算，烟气余热应按公式（2）计算。
（1）
式中：Qk-单位时间内燃气发电机组缸套水余热总和，单位为千瓦（kW）；
Wk，i-燃气发电机组缸套水流量，单位为立方米每小时（m3/h）；
Ck，i-燃气发电机组缸套水比热，单位为千焦每立方米摄氏度（kJ/（m3·℃）；
Tk1，i-燃气发电机组缸套水出口温度，单位为摄氏度（℃）；
Tk2，i-燃气发电机组缸套水进口温度，单位为摄氏度（℃）。
（2）
式中：Qr-单位时间内燃气发电机组产生的烟气余热总和，单位为千瓦（kW）；
Ei-燃气发电机组烟气流量，单位为立方米每小时（m3/h）；
Cp1，i、Cp2，i-余热利用设备烟气平均定压比热，单位为千焦每立方米摄氏度（kJ/m3℃）；
Tp1，i-余热利用设备烟气进口温度，单位为摄氏度（℃）；
Tp2，i-余热利用设备排气温度，单位为摄氏度（℃）。
1.3 工艺选型和设备要求
根据用户需求和市场特点，当前余热利用系统主要应用为制热余热系统，用来制冷或同时用来制热、制冷的系统由于设备投资较大，产出比不高，目前市场上应用较少。
1.3.1 余热锅炉与烟气系统
制热余热利用系统通常使用热交换器利用燃气发电机组缸套水余热，使用余热锅炉利用烟气余热，用来生产热水或水蒸汽。图1所示为典型燃气电站制热余热余能系统工作原理图，燃气进燃气发动机，燃烧做工带动发电机发电，产生约600℃烟气进入余热锅炉，同时，穿过燃气发动机本体的约90℃的冷却水通过热交换器将热量传递给余热管路。水通过热交换器换热再进入余热锅炉加热，产生高温热水或蒸汽。蒸汽可用作工业生产，热水可用作供暖和生活用热水。在这一工作过程中，可以发电、供热，从而实现热电联产，最终向外界排放的只有低于150℃烟气。当前，国内的燃气发动机技术已经很成熟，比如济柴、淄柴生产的燃气发电机组，应用于电站可实现发电效率30%以上，配套的余热锅炉或制冷机组，可实现约30%的热吸收率，同时通过热交换器可吸收约20%的热量，从而实现整个电站综合能源利用率达到75%以上。
图1
余热锅炉现已是比较成熟的行业，其产品技术条件应符合GB/T 28056的要求。在电站余热利用工程建设中，余热锅炉使用应不影响机组发电，这是电站设计的轻重原则，在不影响电站发电要求的前提下，应满足用户的用热要求。所以，余热锅炉参数的选择应满足用户要求，当设计热负荷和最大热负荷相差较大时宜选用补燃型余热锅炉，选用的余热锅炉其烟气阻力应满足燃气发电机组允许背压的要求。
现有电站工程应用中，余热锅炉使用过程中，水是主要载体，从安全角度出发，烟气管道防水处理和锅炉制热管路防缺水尤为重要，因此，在余热利用烟气系统设计过程中，各段烟道底的设计均应向余热锅炉方向设置一定倾斜度，最低点设置排水口，并对保温结构采取防水措施，每隔一定距离应设置温度补偿装置。余热锅炉前后端烟气系统应符合如下要求。 1）在余热锅炉烟气管道进口端应设置旁通管道，旁通管直径应不小于燃气发电机组排气主管道直径。
2）当使用补燃余热锅炉时，在锅炉出口处应额外设置一条排烟管道，其排烟能力应满足补燃燃料燃烧后的最大排烟要求。
3）在锅炉进气口前烟气管道上应设置防爆阀。
4）在锅炉进气口前与旁通烟道相连处三通管上应设置烟量调节装置，余热利用烟道阀门与旁通烟道阀门应有可靠的连锁。
1.3.2 热交换器
如图1中所示，发动机缸套水余热利用通常利用热交换器换热，在工程应用过程中，根据燃气电站中各设备的主次地位和安全要求，燃气发电机组缸套水余热利用宜采用间接交换系统，热交换器应与燃气发电机组一对一配置，缸套水侧换热系统的阻力应小于燃气发电机组冷却系统允许阻力。热交换器前后应设置温度监控系统，温度监控系统应确保热交换器的使用不影响燃气发电机组的性能。
1.4 能源综合利用率
燃气电站余热利用系统建设的宗旨在于提高能源综合利用率，各地政府的政策引导也集中反映在对效率的计量上，燃气电站冷热电联产能源综合利用率当前比较合适的计算方法如公式（3）。
（3）
式中： -电站热（冷）电联产能源综合利用率，单位为1，以百分数表示；
Pe，i-燃气发电机组的发电功率，单位为千瓦（kW）；
Qy-单位时间内余热利用总量，热水型余热利用系统按公式（4）计算，蒸汽型余热利用系统按公式（5）计算，单位为千瓦（kW）；
Mf，i-燃气发电机组进气口燃气流量，单位为立方米每小时（m3/h）；
Hu，i-燃气发电机组进气口燃气的低热值，单位为千焦每立方米，（kJ/m3）。
（4）
式中：Qy-单位时间内余热利用总量，单位为千瓦（kW）；
Ci、Cj-介质的比热，单位为千焦每立方米每摄氏度（kJ/（m3·℃））；
G’w，i-余热热交换器水流量，单位为立方米每小时（m3/h）；
Tw，i-余热热交换器进出水温差，单位为摄氏度（℃）；
G’r，j-热水型余热锅炉介质流量，单位为立方米每小时（m3/h）；
Tr，j-余热锅炉进出口水温差，单位为摄氏度（℃）。
（5）
式中：Qy-单位时间内余热利用总量，单位为千瓦（kW）；
Ci、Cj-介质的比热，单位为千焦每立方米每摄氏度（kJ/（m3·℃））；
G’w，i-余热热交换器水流量，单位为立方米每小时（m3/h）；
Tw，i-余热热交换器进出水温差，单位为摄氏度（℃）；
Dj-蒸汽产量，单位千克每小时（kg/h）；
Is，j一定压力和温度下蒸汽型余热锅炉出口蒸汽的热焓，单位千焦每千克（kJ/kg）；
Iw，j-蒸汽型余热锅炉进口的水的热焓，单位为千焦每千克（kJ/kg）。
2 结束语
综上所述，燃气发电机组技术发展已非常成熟，产出的缸套水和烟气性质都比较稳定，具有非常好的经济效益和社会效益。余热制热的相关的换热设备已比较成体系，基本都能满足用户的使用要求。而余热制冷的相关技术尚未完全被社会接受，同时相关的工程设计尚存在着许多经验不足。究其主要原因：一是以前没有行业协调机构来制定统一的标准发展规划；二是也无燃气电站余热利用国家标准体系作为行业发展的技术支撑。从而造成燃气电站余热利用技术、相关配套技术研究落后于国外，严重制约了民族燃气电站余热利用设备产业链的发展。目前，相关标委会正在加快具有我国民族知识产权的燃气电站余热利用设备创新技术研究，同时制定相关国家标准，从而满足燃气发电余热利用设备行业快速发展对标准的需求。
参考文献
[1]吴德荣.化工工艺设计手册第四版[M].北京：化学工业出版社，2009.
[2]马鸣.最新热电联产工程设计与生产技术工艺及应用实例指导手册[M].北京：电力科学出版社，2007.
[3]赵钦新.余热锅炉研究与设计[M].北京：中国标准出版社，2010.