余熱利用

發(fā)電站及其余熱利用技術(shù)

  一、前言
 
  隨著我國工業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快及生活水平的提高,能源消耗日益增加,同時(shí)造成的負(fù)面影響是環(huán)境污染的加劇與能源危機(jī)的出現(xiàn),燃燒柴油和汽油造成了石油資源的嚴(yán)重短缺,同時(shí)每年向大氣中排放一氧化碳、碳?xì)浠衔锖偷趸衔锛s1.5億噸,占大氣中同類污染物的55%以上。在石油資源日益短缺的情況下,尋找代用能源成為當(dāng)前的主要任務(wù),目前得到普遍認(rèn)可的代用燃料是以天然氣為主的可燃性氣體燃料。
 
  天然氣是地球上最豐富的燃料之一,國外權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)言,天然氣將在21世紀(jì)取代石油,成為第二大能源。同時(shí),天然氣也是發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)質(zhì)燃料,它對發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油品質(zhì)破壞性小,燃燒更充分,燃燒室內(nèi)沒有積炭和膠質(zhì),因而可延長發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命,降低發(fā)動(dòng)機(jī)的維修費(fèi)用。氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的排放指標(biāo)優(yōu)于汽油機(jī)和柴油機(jī),同時(shí)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)排出廢氣中顆粒排放物極少,對大氣污染程度小,能滿足國內(nèi)的發(fā)動(dòng)機(jī)排放要求,有較好的環(huán)保效果。
 
  二十年來,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)等產(chǎn)品在國外得到了廣泛的應(yīng)用,美國的瓦克夏、庫柏、英國的帕金斯、德國的道依茨、MTU、芬蘭的紐錫蘭等大型發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠紛紛將燃?xì)鈾C(jī)的研制作為主要策略,并有部分產(chǎn)品打入了中國市場。勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械有限公司自1985年研制單缸天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)以來的,目前190系列天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)有五大品種、近20個(gè)機(jī)型,功率范圍25?kW~550?kW;其配套發(fā)電機(jī)組達(dá)20余種機(jī)型,功率范圍24?kW~500?kW,構(gòu)成了較為齊全的190系列天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)及其配套發(fā)電機(jī)組產(chǎn)品。近兩年又相繼開發(fā)研制成功了1000kW、2000kW天然氣發(fā)電機(jī)組及120系列風(fēng)冷燃?xì)鈨?nèi)燃發(fā)電機(jī)組。
 
  目前,我公司的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組已在國內(nèi)組建了三十余個(gè)電站,通過用戶使用表明,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)及其配套發(fā)電機(jī)組可有效地利用天然氣、石油伴生氣等資源,并且排放指標(biāo)優(yōu)于柴油機(jī)和汽油機(jī),因此,天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品在21世紀(jì)將成為內(nèi)燃機(jī)行業(yè)的生產(chǎn)主流。

  二、燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)簡介
 
  燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)以天然氣、井口伴生氣、煤層氣、水煤氣、煉化尾氣、沼氣等可燃性氣體為燃料,主要用于天然氣、煤氣、沼氣資源豐富的地區(qū),如油田、煤礦、焦化廠等部門作為生產(chǎn)動(dòng)力用電或并網(wǎng)發(fā)電。燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組具有啟動(dòng)迅速、操作簡便等特點(diǎn),并設(shè)有自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)、可實(shí)現(xiàn)無人值守,是節(jié)能、環(huán)保型動(dòng)力設(shè)備。1立方米天然氣可發(fā)電力3千瓦時(shí),1立方米煤層氣或煉化尾氣可發(fā)電力2.7千瓦時(shí),經(jīng)濟(jì)效益非常顯著,是石油開采、煤礦、各種泵站、電站、工程機(jī)械等設(shè)備理想的動(dòng)力裝置。?
 
  目前國內(nèi)外開發(fā)的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)多是在汽油機(jī)或柴油機(jī)基礎(chǔ)上研制開發(fā)的,較大的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)基本上都是從柴油機(jī)改制過來的,轉(zhuǎn)速為1000~1500r/min,采用電火花點(diǎn)火方式,壓縮比通常比柴油機(jī)降低25~40%,根據(jù)進(jìn)氣方式的不同,功率降低的程度也有差別,預(yù)混合進(jìn)氣方式通常比原機(jī)功率下降10~25%。與中速柴油機(jī)相比。
 
  目前除少數(shù)高性能的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)外,大部分的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率都比柴油機(jī)小,而冷卻水及排出廢氣帶走的熱量所占的比重卻相對較大,綜合利用這一能量可使發(fā)動(dòng)機(jī)的有效熱效率達(dá)到70%以上,起到較好節(jié)能效果。
 
  三、余熱利用方式
 
  綜合利用燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱能主要從三個(gè)方面著手:即電力供應(yīng)、采暖洗浴等供熱以及夏季空調(diào)制冷。目前國外熱電或冷電兩聯(lián)供的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)綜合應(yīng)用實(shí)例較多,三者集中于整套動(dòng)力設(shè)備的情況較少,國內(nèi)還沒有使用的介紹。從技術(shù)可行性的角度出發(fā),是完全可以達(dá)到的。在綜合利用的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮以下幾方面的因素:
 
  a、利用應(yīng)避免對發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生大的影響,即不影響燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行及功率輸出;
 
  b、排氣總管到熱交換器之間的距離應(yīng)盡可能短,同時(shí)應(yīng)充分考慮排氣管的隔熱保溫,減少從發(fā)動(dòng)機(jī)排氣出口至熱交換器文章的熱量損失;
 
  c、需要考慮燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)給制冷、制熱造成的影響,避免因負(fù)荷變化使制冷(或制熱)過量或能力不足;
 
  d、考慮到整個(gè)流程控制范圍大、項(xiàng)點(diǎn)多、操作難度大等因素,整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)盡可能實(shí)行電氣自動(dòng)化控制和監(jiān)測;
 
  e、整套系統(tǒng)應(yīng)充分考慮維護(hù)操作以及使用的安全性。
 
  3.1 熱電聯(lián)
 
  在燃?xì)獍l(fā)電站中采用熱電聯(lián)供裝置,可在機(jī)組發(fā)出電力的同時(shí),將燃?xì)獍l(fā)動(dòng)?機(jī)排出的熱量充分利用起來,用于冬季取暖以及日常洗浴等生活之用。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素包括熱水量的調(diào)節(jié)、熱水系統(tǒng)的壓力、熱水系統(tǒng)與熱源設(shè)備的配套連接、多余熱水部分的旁通及緊急情況下熱水的切斷等。
 
  采用這種方式時(shí),生活用洗浴熱水取自發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水熱交換器,這部分水的溫度一般在40~50℃,完全能夠滿足使用要求;生活區(qū)取暖用熱水取自排氣部分,燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的排氣溫度一般在450~550℃,加熱后的熱水溫度可達(dá)到80~110℃(壓力在0.2MPa左右),這樣可以保證取暖所需的熱量。
 
  3.2 發(fā)電與制冷、制熱三聯(lián)供  另外一種余熱利用的方式是在滿足機(jī)組發(fā)電的同時(shí),利用冷卻水及排氣的熱量進(jìn)行制冷和制熱,即冷、熱、電三聯(lián)供。供熱我們?nèi)匀徊捎?.1所述方案,而制冷部分我們可使用較成熟的吸收式溴化鋰制冷機(jī),其結(jié)構(gòu)由高發(fā)部分和主體部分組成。
 
  這個(gè)綜合利用方案,考慮到四季變化的因素,在春秋二季很可能不用制冷取暖的功能,因此排氣余熱須直接排入大氣,因此在機(jī)組排氣出口處加裝一自動(dòng)溫度控制閥,以決定機(jī)組排氣的走向。同時(shí)保留生活洗浴,并在夏季利用冷卻塔的水調(diào)配。在該方案中,生活區(qū)洗浴等生活熱水仍然由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻循環(huán)水加熱;在生活區(qū)制冷、取暖方面,將發(fā)動(dòng)機(jī)排氣余熱夏季通過熱水型溴化鋰制冷機(jī)提供制冷,冬季通過煙氣熱交換器制熱,制冷高發(fā)器與煙氣熱交換器可并聯(lián)設(shè)置。采用 此方案,燃?xì)獍l(fā)電站提高了自我供應(yīng)能力、設(shè)備利用系數(shù)和燃料熱效率。
 
  四、應(yīng)用技術(shù)
 
  目前根據(jù)了解的情況,燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的綜合利用主要是熱電、冷電兩聯(lián)供方面,CAT、MTU、Jenbacher等國外大公司在國內(nèi)污水處理、垃圾處理站等處都有實(shí)際使用的實(shí)例。其主要特點(diǎn)是采用了高效實(shí)用的余熱換熱器充分利用排氣余熱,用于制冷或供熱,并能對發(fā)動(dòng)機(jī)、制冷機(jī)、冷熱水管線,燃?xì)夤芫€等的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行跟蹤和遠(yuǎn)程監(jiān)控,做到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù),降低了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。
 
  我國在發(fā)動(dòng)機(jī)余熱利用方面應(yīng)用實(shí)例還不多,而作為全國最大的燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)基地的中石化下屬企業(yè)勝利油田勝利動(dòng)力機(jī)械有限責(zé)任公司已開展了這方面的研究開發(fā)工作,除了在已用的實(shí)例中采用的熱電聯(lián)供外,目前已經(jīng)成功的研制出國內(nèi)第一套冷、熱、電三聯(lián)供系統(tǒng)綜合應(yīng)用裝置。此系統(tǒng)采用大型天然氣發(fā)電機(jī)組作為主動(dòng)力源,由發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水利用機(jī)組開式冷卻裝置中的熱交換器將熱量供給用戶;利用發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣通過熱水型溴化鋰制冷機(jī)提供制冷,目前已經(jīng)取得巨大成功,并開始向社會(huì)進(jìn)行推廣應(yīng)用。
 
  五、結(jié)束語
 
  對于石油行業(yè)來說,采油作業(yè)中最大的一部分成本就是耗電費(fèi)用。利用天然氣發(fā)電大幅度降低了工礦企業(yè)的用電費(fèi)用,充分利用了排空的天然氣或其他可燃性氣體,變廢為寶,節(jié)約了能源,消滅了天然氣排空時(shí)的燃燒火炬,同時(shí)節(jié)約了排空天然氣的燃燒費(fèi)用。因此,利用天然氣發(fā)電取代網(wǎng)電和供電線路的建設(shè),可直接降低油田的采油、采氣和集輸成本。因此,利用天然氣發(fā)電機(jī)組建成發(fā)電站進(jìn)行發(fā)電,是各單位創(chuàng)造高額經(jīng)濟(jì)效益的最佳選擇。
 
  同時(shí),將燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的余熱加以利用,可顯著提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)效益,在發(fā)電上網(wǎng)的同時(shí),減少了生活用熱水的能源消耗,減少了鍋爐加熱及空調(diào)制冷設(shè)備的配置及維護(hù)保養(yǎng),方便了電站的管理,也提高了燃?xì)獍l(fā)電站的自我供應(yīng)能力、設(shè)備利用系數(shù)和燃料熱效率。我公司冷、熱、電三聯(lián)供的成功運(yùn)行,為余熱利用積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn),也將為廣大用戶帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益。