燃氣電廠深度余熱回收利用分析

摘要：針對燃氣電廠余熱利用情況,對電廠的余熱鍋爐和汽輪機乏汽的深度余熱利用進行分析,將鍋爐的煙氣余熱利用系統(tǒng)與汽輪機乏汽余熱利用系統(tǒng)進行整合優(yōu)化,提高余熱的整體利用效率,從而達到節(jié)能減排的效果。

0 引言

由于社會智能化的提高，人們對能源需求和依賴程度也逐漸增加。我國作為一個能源消耗大國，人均能源儲量較低，造成了供需關(guān)系的不平衡，這就要求在對電廠的設(shè)計和利用上更加注重能源的回收和高效利用。吳仲華從能量轉(zhuǎn)化的基本定律出發(fā)，闡述總能系統(tǒng)中能的綜合梯級利用與品位概念，提出了著名的“分配得當、各得其所、溫度對口、梯級利用”原理。燃氣電廠機組包括燃氣輪機、余熱鍋爐、汽輪機等，在現(xiàn)有燃氣電廠設(shè)計中雖然已經(jīng)充分考慮了能源的梯級綜合利用，燃氣輪機高溫煙氣進入余熱鍋爐產(chǎn)生高溫高壓蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電。但是，從能源的梯級利用來講，余熱仍然還有很多可以進一步利用的空間，比如汽輪機乏汽的余熱深度利用、鍋爐煙氣余熱的深度回收利用等。

1 鍋爐煙氣余熱的回收利用

天然氣中烴含量較高，在燃燒時會產(chǎn)生大量的水蒸氣，水蒸氣中含有大量的氣化潛熱，這部分熱量能達到天然氣低熱值的10% ～11%，目前很難得到充分利用。一方面是由于天然氣中含有硫，在燃燒后會產(chǎn)生微量硫化物，為防止煙氣中硫化物的析出對鍋爐末級冷卻系統(tǒng)等設(shè)備的腐蝕，余熱鍋爐廠家在設(shè)計時一般將排煙溫度控制在90℃左右;另一方面，由于鍋爐回水溫度較高，鍋爐排煙溫度很難降低，這部分熱量基本上沒有得到有效利用，直接排入大氣后冷凝，造成冒白煙現(xiàn)象，導致熱能的浪費，對環(huán)境保護和企業(yè)收益的增加具有不利影響。目前，國內(nèi)外不少學者也對這部分能量的深度回收進行了研究。水蒸氣氣化潛熱在內(nèi)的煙氣余熱對節(jié)省能源和減少污染物排放量都有重要意義。根據(jù)燃氣煙氣溫度與比焓的曲線，可以發(fā)現(xiàn)煙氣溫度在露點溫度以上時，煙氣的比焓變化比較緩慢，當煙氣溫度在露點溫度以下時，煙氣中的水蒸氣開始凝結(jié)，釋放大量的熱，使得煙氣的比焓變化較為快速。如果對這部分熱量進行進一步有效利用，對電廠的能源利用效率會有較大的提高。

這里介紹一種能有效利用露點溫度以下的煙氣焓值方法。在火電廠中，通常設(shè)置水冷塔對電廠循環(huán)水進行冷卻，在水冷塔頂部設(shè)置噴淋裝置，循環(huán)水用噴淋的方式進行換熱冷卻后，進入下一個循環(huán)。同理，可以在余熱鍋爐尾部增加直接接觸式換熱塔，在換熱塔內(nèi)將余熱鍋爐的高溫排煙與塔頂噴淋的冷卻水進行直接接觸換熱，采用水與煙氣直接接觸換熱，可以使煙氣和水在較小溫差下進行熱交換，直接接觸式換熱可以省去常規(guī)換熱器的換熱管及其他換熱材料，節(jié)省換熱器造價。通過該冷卻，可以將煙氣溫度從90℃左右冷卻到30～35℃，回收大量的煙氣余熱，同時由于煙氣中有烴類氣體燃燒產(chǎn)生的部分水蒸氣冷凝析出，多余部分可以進行回收利用，經(jīng)過處理后作為廠用水的補給水使用，減少電廠耗水量。冷卻水在直接接觸式換熱塔內(nèi)換熱完成后，進入吸收式熱泵進行進一步余熱回收利用。

吸收式熱泵采用高溫蒸汽或高溫熱水驅(qū)動的溴化鋰機組，水做制冷劑，溴化鋰做吸收劑。在換熱塔內(nèi)與煙氣換熱后的冷卻水經(jīng)循環(huán)水泵加壓后輸送到蒸發(fā)器，來自汽輪機或余熱鍋爐的蒸汽或來自余熱鍋爐的熱水進入發(fā)生器作為驅(qū)動熱源，從而在吸收器和冷凝器中產(chǎn)生較高溫度的熱水。

2 汽輪機乏汽余熱利用

對于燃氣電廠來說，汽輪機乏汽余熱回收同樣也是不可輕視的。已有不少單位對汽機的乏熱回收進行了研究和分析。本文從不同的方面對汽輪機乏汽冷凝余熱回收方案進行比較。

2.1 汽輪機低真空運行供熱技術(shù)

該技術(shù)在理論上能達到比較高的能效。國內(nèi)外也有較多成功的案例。但是由于此汽輪機通常有燃機廠進行配套，如果汽輪機變更為此工況下運行，需要汽機廠在設(shè)計時對變工況進行詳細的計算，否者將會對設(shè)備安全運行帶來一定的隱患。此方案對于小型機組有一定的可行性，對于大中型機組來講，出于安全性考慮，很少采用此方案。

2.2 壓縮式熱泵余熱回收

壓縮式熱泵主要包括蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥或膨脹機。與蒸汽乏熱換熱后的循環(huán)水進入熱泵蒸發(fā)器，對循環(huán)工質(zhì)進行加熱，循環(huán)工質(zhì)汽化后，經(jīng)壓縮機加壓升溫，在冷凝器與熱網(wǎng)循環(huán)水進行換熱，為熱網(wǎng)水加熱，換熱后的工質(zhì)經(jīng)膨脹閥節(jié)流降溫后進入下一個循環(huán)。該方案在理論上可行，能達到節(jié)能的效果，也有運行的案例，但由于壓縮機需要消耗一定的電能，會造成廠用電的升高。也可考慮用膨脹機代替膨脹閥，回收一部分的能量，但是會增加前期投入成本。

2.3 吸收式熱泵余熱回收

需要從外界引入高溫的熱源來作為驅(qū)動，該方案從技術(shù)上可行，經(jīng)濟效益上較好。

從能源利用的效率對壓縮式熱泵和吸收式熱泵進行對比分析，取相同的兩份蒸汽，一份用于發(fā)電，發(fā)出的電用于驅(qū)動壓縮式熱泵的壓縮機，一份作為吸收式熱泵的驅(qū)動熱源，兩臺熱泵制熱性能系數(shù)(COP值)相同，由于壓縮式熱泵存在著汽電轉(zhuǎn)換損失，根據(jù)熱力學定律，壓縮式熱泵輸出的熱量低于吸收式熱泵輸出的熱量。所以，一般余熱利用宜選用吸收式熱泵。

3 煙氣與汽輪機乏汽余熱綜合回收利用系統(tǒng)

煙氣余熱與汽輪機乏汽余熱綜合回收系統(tǒng)將燃氣電廠煙氣余熱回收系統(tǒng)與汽輪機乏汽回收系統(tǒng)余熱整合，進行系統(tǒng)能量的綜合利用，如圖1所示。受單臺吸收式熱泵容量的控制，電廠通常需要配置多臺吸收式熱泵。利用來自汽輪機或余熱鍋爐的熱源作為部分吸收式熱泵機組的驅(qū)動熱源，為部分來自一次管網(wǎng)的熱水制取高溫熱水或蒸汽，作為剩余吸收式熱泵的驅(qū)動熱源。在非供暖期，吸收式熱泵制取的熱水通過給水泵送入鍋爐以提高汽輪機的出力;在供暖期，吸收式熱泵制取的熱水送往熱用戶。通過換熱塔凝出的煙氣中的水蒸氣，通過補水泵補送給循環(huán)冷卻水和換熱塔噴淋水。

4 綜合余熱回收中的關(guān)鍵技術(shù)

(1)由于換熱塔內(nèi)煙氣與噴淋冷卻水是直接接觸進行換熱的，在換熱過程中會增加煙氣的阻力，從而對鍋爐運行造成一定的影響。在鍋爐煙氣進入換熱塔前增加引風機，為煙氣增壓后進入換熱塔，也可在換熱塔出口增加引風機。由于煙氣量較大，引風機設(shè)計和選型時難度較大。

(2)在噴淋水與煙氣的換熱過程中，兩者間同時存在著潛熱和顯熱的交換，煙氣中的部分顆粒與氣體、水接觸后發(fā)生吸附，對換熱塔內(nèi)壁具有洗滌凈化作用，但吸附物流入塔底部增加水池的清洗工作量。

(3)煙氣余熱回收的自動化控制系統(tǒng)復雜。影響煙氣余熱回收效率效果的因素有很多，如換熱塔的設(shè)計、噴淋設(shè)備的選型、工藝設(shè)計、自動化控制及監(jiān)測水平等，其中自動化控制及監(jiān)測水平在系統(tǒng)中起著網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)的作用。第一，鍋爐排煙溫度和壓力的精確控制;第二，冷水噴淋量與排煙溫度與排煙流量直接的精確調(diào)節(jié)控制;第三，供給吸收式熱泵的高溫熱水或蒸汽的熱量的精確控制;第四，換熱塔加藥裝置、煙氣、循環(huán)水pH值的自動調(diào)節(jié)控制等。因此，要加強系統(tǒng)的智能化自動化控制，進一步保障余熱回收的效率和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文針對燃氣電廠余熱利用情況，對電廠的余熱鍋爐和汽輪機乏汽的深度余熱利用進行分析，將鍋爐的煙氣余熱利用系統(tǒng)與汽輪機乏汽余熱利用系統(tǒng)進行整合優(yōu)化，提高引入加熱部分排氣冷凝與煙氣換熱的低溫噴淋水溫度，同時將煙氣中的水蒸氣溫度降低到露點以下，提高余熱的整體利用效率，從而達到節(jié)能減排的效果。