摘要：針對燃氣電廠餘熱利用情況,對電廠的餘熱鍋爐和汽輪機乏汽的深度餘熱利用進行分析,將鍋爐的煙氣餘熱利用系統與汽輪機乏汽餘熱利用系統進行整合優化,提高餘熱的整體利用效率,從而達到節能減排的效果。
0 引言
由於社會智能化的提高，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，造成了供需關係的不平衡，這就要求在對電廠的設計和利用上更加註重能源的回收和高效利用。吳仲華從能量轉化的基本定律出發，闡述總能系統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、餘熱鍋爐、汽輪機等，在現有燃氣電廠設計中雖然已經充分考慮了能源的梯級綜合利用，燃氣輪機高溫煙氣進入餘熱鍋爐產生高溫高壓蒸汽驅動汽輪機發電。但是，從能源的梯級利用來講，餘熱仍然還有很多可以進一步利用的空間，比如汽輪機乏汽的餘熱深度利用、鍋爐煙氣餘熱的深度回收利用等。
1 鍋爐煙氣餘熱的回收利用
天然氣中烴含量較高，在燃燒時會產生大量的水蒸氣，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。一方面是由於天然氣中含有硫，在燃燒後會產生微量硫化物，為防止煙氣中硫化物的析出對鍋爐末級冷卻系統等設備的腐蝕，餘熱鍋爐廠家在設計時一般將排煙溫度控制在90℃左右;另一方面，由於鍋爐回水溫度較高，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，直接排入大氣後冷凝，造成冒白煙現象，導致熱能的浪費，對環境保護和企業收益的增加具有不利影響。目前，國內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的煙氣餘熱對節省能源和減少汙染物排放量都有重要意義。根據燃氣煙氣溫度與比焓的曲線，可以發現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，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。
這裡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，通常設置水冷塔對電廠循環水進行冷卻，在水冷塔頂部設置噴淋裝置，循環水用噴淋的方式進行換熱冷卻後，進入下一個循環。同理，可以在餘熱鍋爐尾部增加直接接觸式換熱塔，在換熱塔內將餘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，採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換熱器的換熱管及其他換熱材料，節省換熱器造價。通過該冷卻，可以將煙氣溫度從90℃左右冷卻到30～35℃，回收大量的煙氣餘熱，同時由於煙氣中有烴類氣體燃燒產生的部分水蒸氣冷凝析出，多餘部分可以進行回收利用，經過處理後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換熱完成後，進入吸收式熱泵進行進一步餘熱回收利用。
吸收式熱泵採用高溫蒸汽或高溫熱水驅動的溴化鋰機組，水做製冷劑，溴化鋰做吸收劑。在換熱塔內與煙氣換熱後的冷卻水經循環水泵加壓後輸送到蒸發器，來自汽輪機或餘熱鍋爐的蒸汽或來自餘熱鍋爐的熱水進入發生器作為驅動熱源，從而在吸收器和冷凝器中產生較高溫度的熱水。
2 汽輪機乏汽餘熱利用
對於燃氣電廠來說，汽輪機乏汽餘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餘熱回收方案進行比較。
2.1 汽輪機低真空運行供熱技術
該技術在理論上能達到比較高的能效。國內外也有較多成功的案例。但是由於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，需要汽機廠在設計時對變工況進行詳細的計算，否者將會對設備安全運行帶來一定的隱患。此方案對於小型機組有一定的可行性，對於大中型機組來講，出於安全性考慮，很少採用此方案。
2.2 壓縮式熱泵餘熱回收
壓縮式熱泵主要包括蒸發器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥或膨脹機。與蒸汽乏熱換熱後的循環水進入熱泵蒸發器，對循環工質進行加熱，循環工質汽化後，經壓縮機加壓升溫，在冷凝器與熱網循環水進行換熱，為熱網水加熱，換熱後的工質經膨脹閥節流降溫後進入下一個循環。該方案在理論上可行，能達到節能的效果，也有運行的案例，但由於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 吸收式熱泵餘熱回收
需要從外界引入高溫的熱源來作為驅動，該方案從技術上可行，經濟效益上較好。
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，一份用於發電，發出的電用於驅動壓縮式熱泵的壓縮機，一份作為吸收式熱泵的驅動熱源，兩臺熱泵制熱性能係數(COP值)相同，由於壓縮式熱泵存在著汽電轉換損失，根據熱力學定律，壓縮式熱泵輸出的熱量低於吸收式熱泵輸出的熱量。所以，一般餘熱利用宜選用吸收式熱泵。
3 煙氣與汽輪機乏汽餘熱綜合回收利用系統
煙氣餘熱與汽輪機乏汽餘熱綜合回收系統將燃氣電廠煙氣餘熱回收系統與汽輪機乏汽回收系統餘熱整合，進行系統能量的綜合利用，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。利用來自汽輪機或餘熱鍋爐的熱源作為部分吸收式熱泵機組的驅動熱源，為部分來自一次管網的熱水製取高溫熱水或蒸汽，作為剩餘吸收式熱泵的驅動熱源。在非供暖期，吸收式熱泵製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，吸收式熱泵製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冷卻水和換熱塔噴淋水。
摘要：針對燃氣電廠餘熱利用情況,對電廠的餘熱鍋爐和汽輪機乏汽的深度餘熱利用進行分析,將鍋爐的煙氣餘熱利用系統與汽輪機乏汽餘熱利用系統進行整合優化,提高餘熱的整體利用效率,從而達到節能減排的效果。
0 引言
由於社會智能化的提高，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，造成了供需關係的不平衡，這就要求在對電廠的設計和利用上更加註重能源的回收和高效利用。吳仲華從能量轉化的基本定律出發，闡述總能系統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、餘熱鍋爐、汽輪機等，在現有燃氣電廠設計中雖然已經充分考慮了能源的梯級綜合利用，燃氣輪機高溫煙氣進入餘熱鍋爐產生高溫高壓蒸汽驅動汽輪機發電。但是，從能源的梯級利用來講，餘熱仍然還有很多可以進一步利用的空間，比如汽輪機乏汽的餘熱深度利用、鍋爐煙氣餘熱的深度回收利用等。
1 鍋爐煙氣餘熱的回收利用
天然氣中烴含量較高，在燃燒時會產生大量的水蒸氣，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。一方面是由於天然氣中含有硫，在燃燒後會產生微量硫化物，為防止煙氣中硫化物的析出對鍋爐末級冷卻系統等設備的腐蝕，餘熱鍋爐廠家在設計時一般將排煙溫度控制在90℃左右;另一方面，由於鍋爐回水溫度較高，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，直接排入大氣後冷凝，造成冒白煙現象，導致熱能的浪費，對環境保護和企業收益的增加具有不利影響。目前，國內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的煙氣餘熱對節省能源和減少汙染物排放量都有重要意義。根據燃氣煙氣溫度與比焓的曲線，可以發現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，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。
這裡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，通常設置水冷塔對電廠循環水進行冷卻，在水冷塔頂部設置噴淋裝置，循環水用噴淋的方式進行換熱冷卻後，進入下一個循環。同理，可以在餘熱鍋爐尾部增加直接接觸式換熱塔，在換熱塔內將餘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，採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換熱器的換熱管及其他換熱材料，節省換熱器造價。通過該冷卻，可以將煙氣溫度從90℃左右冷卻到30～35℃，回收大量的煙氣餘熱，同時由於煙氣中有烴類氣體燃燒產生的部分水蒸氣冷凝析出，多餘部分可以進行回收利用，經過處理後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換熱完成後，進入吸收式熱泵進行進一步餘熱回收利用。
吸收式熱泵採用高溫蒸汽或高溫熱水驅動的溴化鋰機組，水做製冷劑，溴化鋰做吸收劑。在換熱塔內與煙氣換熱後的冷卻水經循環水泵加壓後輸送到蒸發器，來自汽輪機或餘熱鍋爐的蒸汽或來自餘熱鍋爐的熱水進入發生器作為驅動熱源，從而在吸收器和冷凝器中產生較高溫度的熱水。
2 汽輪機乏汽餘熱利用
對於燃氣電廠來說，汽輪機乏汽餘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餘熱回收方案進行比較。
2.1 汽輪機低真空運行供熱技術
該技術在理論上能達到比較高的能效。國內外也有較多成功的案例。但是由於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，需要汽機廠在設計時對變工況進行詳細的計算，否者將會對設備安全運行帶來一定的隱患。此方案對於小型機組有一定的可行性，對於大中型機組來講，出於安全性考慮，很少採用此方案。
2.2 壓縮式熱泵餘熱回收
壓縮式熱泵主要包括蒸發器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥或膨脹機。與蒸汽乏熱換熱後的循環水進入熱泵蒸發器，對循環工質進行加熱，循環工質汽化後，經壓縮機加壓升溫，在冷凝器與熱網循環水進行換熱，為熱網水加熱，換熱後的工質經膨脹閥節流降溫後進入下一個循環。該方案在理論上可行，能達到節能的效果，也有運行的案例，但由於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 吸收式熱泵餘熱回收
需要從外界引入高溫的熱源來作為驅動，該方案從技術上可行，經濟效益上較好。
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，一份用於發電，發出的電用於驅動壓縮式熱泵的壓縮機，一份作為吸收式熱泵的驅動熱源，兩臺熱泵制熱性能係數(COP值)相同，由於壓縮式熱泵存在著汽電轉換損失，根據熱力學定律，壓縮式熱泵輸出的熱量低於吸收式熱泵輸出的熱量。所以，一般餘熱利用宜選用吸收式熱泵。
3 煙氣與汽輪機乏汽餘熱綜合回收利用系統
煙氣餘熱與汽輪機乏汽餘熱綜合回收系統將燃氣電廠煙氣餘熱回收系統與汽輪機乏汽回收系統餘熱整合，進行系統能量的綜合利用，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。利用來自汽輪機或餘熱鍋爐的熱源作為部分吸收式熱泵機組的驅動熱源，為部分來自一次管網的熱水製取高溫熱水或蒸汽，作為剩餘吸收式熱泵的驅動熱源。在非供暖期，吸收式熱泵製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，吸收式熱泵製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冷卻水和換熱塔噴淋水。
4 綜合餘熱回收中的關鍵技術
(1)由於換熱塔內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，為煙氣增壓後進入換熱塔，也可在換熱塔出口增加引風機。由於煙氣量較大，引風機設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、水接觸後發生吸附，對換熱塔內壁具有洗滌淨化作用，但吸附物流入塔底部增加水池的清洗工作量。
(3)煙氣餘熱回收的自動化控制系統複雜。影響煙氣餘熱回收效率效果的因素有很多，如換熱塔的設計、噴淋設備的選型、工藝設計、自動化控制及監測水平等，其中自動化控制及監測水平在系統中起著網絡神經的作用。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節控制;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、循環水pH值的自動調節控制等。因此，要加強系統的智能化自動化控制，進一步保障餘熱回收的效率和穩定性。
5 結論
本文針對燃氣電廠餘熱利用情況，對電廠的餘熱鍋爐和汽輪機乏汽的深度餘熱利用進行分析，將鍋爐的煙氣餘熱利用系統與汽輪機乏汽餘熱利用系統進行整合優化，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，提高餘熱的整體利用效率，從而達到節能減排的效果。
（來源：《華電技術》 作者：王欣）