王宇鵬

(山西藍(lán)焰煤層氣集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048204)

1 引言

在煤層氣開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的原動(dòng)機(jī)，使用范圍廣泛。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒燃?xì)庾龉r(shí)，僅有約一半的能量是有效功率，另外大部分能量隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放高溫?zé)煔獍装咨⑹У?。因此，?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫?zé)煔庥酂徇M(jìn)行回收利用，可以提高能源利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，具有極大的發(fā)展前景。

2 改造原因

李莊首站站內(nèi)共有3 臺(tái)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)型壓縮機(jī)。燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)采用美國(guó)卡特彼勒G3606 型發(fā)動(dòng)機(jī)，每小時(shí)消耗燃?xì)鉃?00 Nm3，發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣通過(guò)消音器后直接排入大氣中，出口煙氣溫度高達(dá)350～500℃，熱量白白散失掉，造成極大的浪費(fèi)。另一方面，為確保生活熱水供應(yīng)和冬季供暖，需要開(kāi)啟一臺(tái)鍋爐。鍋爐夏季供應(yīng)熱水需要每天45 Nm3的燃?xì)猓竟┡闆r下每天需要400～450 Nm3的燃?xì)?。為此，決定對(duì)首站發(fā)動(dòng)機(jī)煙氣的余熱進(jìn)行回收，回收的熱量直接供生活熱水和冬季的供暖。這樣不僅節(jié)省燃料消耗，還減少了污染排放。

3 改造方案選擇與實(shí)施

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收，主要有利用余熱進(jìn)行發(fā)電、制冷、取暖等，結(jié)合增壓站現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況，選擇利用余熱進(jìn)行取暖和供生活熱水。

3.1 熱量計(jì)算

壓縮機(jī)組由卡特G3606 發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，發(fā)動(dòng)機(jī)的額定功率為1320 kW，額定排量約為127 L，燃料氣為煤層氣。正常運(yùn)行時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣量約3500 m3/h，煙氣溫度在450℃左右，發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣損失的熱量大約為25%。

（1）煙氣溫度從450 ℃降到150 ℃，每小時(shí)可回收熱量計(jì)算如下：

式中：

Q-每小時(shí)回收熱量；

L-煙氣流量，3500 Nm3/h；

ρ-煙氣密度，1.295 kg/m3（煙氣的密度采用標(biāo)況時(shí)的數(shù)值）；

Cp-煙氣定壓比熱1.043 kJ /（kg·℃）（煙氣的定壓比熱采用標(biāo)況時(shí)的數(shù)值）；

T進(jìn)、T出-分別為發(fā)動(dòng)機(jī)煙氣進(jìn)出回收器的溫度。

（2）取暖面積計(jì)算如下:

式中：

S-取暖面積，m2；

Q-每小時(shí)回收熱量，kcal/h；

R-北方取暖標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)。

（注：每小時(shí)回收的熱量有5%的熱損耗）

（3）換熱器補(bǔ)水提升溫度計(jì)算：

式中：

△T-水被加熱提升的溫度，℃；

M-換熱器補(bǔ)水量，kg/h；

Q-每小時(shí)回收熱量，547 027 kJ/h；

C-水的定壓比熱，4.2 kJ /（kg·℃）。

按照熱損失5%計(jì)算，回水溫度50 ℃，通過(guò)余熱回收器加熱后，每小時(shí)可以將10 t 水溫度提高到80 ℃。

增壓站辦公樓與宿舍樓面積共計(jì)2500 m2，根據(jù)計(jì)算結(jié)果回收的可以滿足供暖需求。

3.2 流程設(shè)計(jì)

該站共有3 臺(tái)機(jī)組，計(jì)劃改造2 臺(tái)，這樣可以采用1 開(kāi)1 備的運(yùn)行方式，確保機(jī)組檢修時(shí)供暖和熱水供應(yīng)不中斷。新增余熱回收器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)排煙管道消音器的前端，在回收器兩端分別各安裝電動(dòng)閥門1 臺(tái)，同時(shí)設(shè)計(jì)回收器的旁路管線，并在旁路管線上也安裝電動(dòng)閥門1 臺(tái)。設(shè)置溫度傳感器，當(dāng)水箱溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，打開(kāi)回收器旁路閥門，關(guān)閉回收器的進(jìn)出口閥門，確保系統(tǒng)運(yùn)行安全。具體如圖1 所示。

3.3 余熱回收設(shè)備選型與改造

余熱回收器主要有殼管式換熱器、板式換熱器、熱管換熱器等形式，其中熱管式換熱器體積小，安裝簡(jiǎn)單，更適合現(xiàn)場(chǎng)工況。工作時(shí)，高溫?zé)煔饬鹘?jīng)余熱回收器沖刷熱管換熱器的下端，熱管吸熱后將熱量導(dǎo)至上端，熱管上端放熱生成高溫?zé)崴崴_(dá)到設(shè)定值時(shí)，通過(guò)電動(dòng)蝶閥切換煙氣由旁通管線排出，保證安全。新增換熱器和一套給回水系統(tǒng)，用余熱回收設(shè)備加熱50 ℃回水，加熱后80℃熱水經(jīng)出口管道進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)蓄水箱。現(xiàn)場(chǎng)蓄水箱的熱水通過(guò)循環(huán)水泵與原有鍋爐房供暖管路和生活熱水管路相連，實(shí)現(xiàn)供暖和供熱。

圖1 余熱回收系統(tǒng)流程示意圖

改造工程主要包括鋪設(shè)現(xiàn)有鍋爐房到發(fā)動(dòng)機(jī)的供暖管路，安裝熱管余熱回收裝置、溫度傳感器、循環(huán)水箱、循環(huán)水泵、補(bǔ)水泵，安裝電動(dòng)閥門、控制柜、程序調(diào)試等。

4 改造后運(yùn)行情況

燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收工程共計(jì)改造2 臺(tái)機(jī)組，改造后，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。只開(kāi)1 臺(tái)機(jī)組，循環(huán)水箱溫度維持在65～75 ℃之間，供暖進(jìn)水溫度為70 ℃左右，回水溫度在55 ℃左右。另外，原有鍋爐房鍋爐供水出口加裝了手動(dòng)閥門，作為供暖的備用系統(tǒng)，防止2 臺(tái)機(jī)組同時(shí)故障時(shí)供暖中斷。系統(tǒng)電動(dòng)閥開(kāi)啟溫度可以自由調(diào)整，對(duì)供暖溫度進(jìn)行設(shè)置。

5 結(jié)論

改造工作表明，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)余熱回收進(jìn)行供暖不僅技術(shù)上可行，而且經(jīng)濟(jì)合理。改造后燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)排放的高溫?zé)煔鉁囟却蠓陆?，原有鍋爐停用，起到環(huán)境保護(hù)的作用，綜合來(lái)說(shuō)具有良好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益，具有極大的推廣價(jià)值。