余热利用实现冷热电联供工艺流程探讨及应用

余热利用实现冷热电联供工艺流程探讨及应用

石勇王硕

中石化石油工程设计有限公司石勇

北京交通大学王硕

摘要本文通过一工程设计实例，介绍了利用燃气发电机组余热实现冷热电联供的工艺流程及工作原理，并对该工艺流程的适用性、经济性以及废热的利用率进行了分析和探讨。

关键词：燃气发电机组；冷水机组；制冷量；余热；烟气焓

一、问题的提出

胜利油田地处黄河三角洲，油田内部的各个站场设置分散距离集中供热管网相隔较远，相对独立，站场内设有值班、办公室、生活及辅助用房等建筑，站内均有供电、供暖、供冷需求。

目前，站内电力供应主要采用直接接入油田电力网及自行配备发电机组两种形式；冬季供暖方式通常是由小型燃气（油无压热水锅炉提供的热水作为热媒、热水采暖或站场内有蒸汽管网的蒸汽采暖形式；夏季办公室等房间的空调，通常采用分体空调器。使用油田电网虽然方便快捷，初投资较小，但站内电力供应受到油田电网的制约，且运行费用较高，因此，使用自备发电机组已成为相对独立站场的首选。

胜利油田自行研制的燃气发电机组，已在国内各大油田中广泛使用。该机组在发电过程中，除了排除大量的热烟气外，还要用一套冷却水系统对发电机组进行冷却，通常情况下，这部分烟气排放到大气中，冷却水排至地下，这样既对环境也造成了一定的污染，又白白浪费了能源。因此，通过一套合理的工艺实现冷、热联供，将这部分废气、余热加以利用，来满足建筑物内供暖供冷的需要，就成为本文探讨的主要问题。

二、余热量分析及工艺流程

1工程简介

动力机械厂余热利用空调工程是为其办公大楼内空调系统配套的制冷制热机房。动力机械厂办公大楼的建筑面积24800米，室内采用风机盘管空调系统，所需夏季空调负荷为400kW冬季负荷为380kW。为满足办公大楼以及周遍建筑物的用电需要，选用了一台400kW燃气发电机组为办公楼提供电力。为了充分利用发电机组在运行过程中产生的余热，进行了相应的工艺流程设计。

2余热量分析及热回收措施

2.1烟气余热

该发电机组产生的烟气量为50公斤/分，温度为550C。设计中选用了一台烟气——水换热器，换出出水温度为135C回水温度为115C的热水。夏季将这部分热水作为高温水型溴化锂制冷机的动力输送到冷水机组中，生产出7-12C的冷水送入办公楼风机盘管系统中，满足办公楼夏季空调的需要，该冷水机组制冷量为387kw；基本能够满足办公楼空调负荷。冬季利用一台水-水换热器，将135-115C的热水作为一次热源，生o产出60-50C的热水送入办公楼风机盘管空调系统中，作为冬季空调负荷的辅助热源。当发电机组满负荷运转时，换热量能达到480kw。

2.2冷却水余热

3需要通过冷却塔冷却的水量约为50m/h，出水温度约为60C。由于冷却水出水温度与风机盘管系统冬季供水温度值基本吻合，因此使用了将冷却水系统直接接入办公楼风机盘管空调系统中的工艺流程，这样，冷却水的余热可以作为办公楼空调系统冬季负荷的主要热源。这部分可利用热量约为400kW。

3工艺流程

1溴化锂冷水机组：热源热水温度135-115C机组出水7-12C；2冷却水泵（用于冷水机组）；3冷冻水泵；4落地膨胀水箱；5冷却水泵（用于发电机组）；6全自动软水器；7软化水泵；8软化水箱；9自来水箱；10冷却水池；11冷却塔（用于冷水机组）；12冷却塔（用于发电机组）；13电子水处理器；14循环水泵（用于高温水）；15除污器；16浮动盘管水-水换热器；17发电机组；18烟气-水换热器；19补水定压水箱；该工艺流程主要由四个水循环系统、一个烟气系统组成。

3.1空调水循环系统

该系统主要由冷冻水泵、冷水机组蒸发器（换热系统）定压装置、软化水装置组成。办公大楼的回水经过滤器过滤，经冷冻水泵（3）加压后，分冬、夏两个支路。夏季运行时流经V5阀进入冷水机组（1）蒸发器，置备出7C冷水送入室内空调供水管；冬季运行时流经V6阀后又分为两路，一是进入换热器（16），置备出60C热水；另一路是进入发电机组冷却器（17）中，出水温度约为60C，两路出水混合后，送入室内空调系统供水管。该系统的定压及补水由落地膨胀水箱（4）来完成，软化水制备系统由6、7、8、9共同完成。

3.2冷水机组冷却水循环系统

该系统主要由冷却水泵、冷水机组冷凝器、冷却塔组成。冷却塔（11）的出水经除污器（15）除污，经冷却水泵（2）加压后，流经电子水处理器（13）进入冷水机组（1）冷凝器，冷凝器的出水接入冷却塔，完成冷却水系统的循环。

3.3发电机组冷却水系统

对于发电机的冷却，分为冬夏两个不同的循环。

1）夏季循环系统：该系统主要由冷却水泵、发电机组（17）冷却器、冷却塔、冷却水池组成。冷却塔（12）的出水进入冷却水池（10）、经除污器（15）除污后，经冷却水泵（5）加压，进入发电机组（17）的冷却器，冷却器的出水接入冷却塔，完成冷却水系统的循环。

2）冬季循环系统：冬季冷却器的放热量全部用于办公大楼的空调系统，即利用空调系统的循环水作为发电机组的冷却水，系统接入空调水循环系统。该系统主要由冷冻水泵、发电机组的冷却器、定压装置、软化水装置组成。由于发电机组冷却器的热量为300kW，大楼所需热量为380kW，不足部分由烟气-水换热器供给。

3.4高温水循环系统

该系统主要由循环水泵、定压补水装置组成。夏季运行时，从烟气-水换热器（18）出来的135C高温水送入冷水机组（1）中，作为冷水机组的动力热源，从冷水机组流出的水温降至115C，经循环水泵（14）加压后再送入烟气-水换热器，该系统为闭式循环系统，补水及定压由补水泵（19）通过电接点压力表来完成。冬季运行时，从烟气-水换热器（18）出来的135C高温水经水-水换热器（16），温度降至115C，经循环水泵（14）加压后再送入烟气-水换热器，其它同夏季系统。由于水-水换热器的热量只作为冬季供热的补充，因此设计中设置一温控调节阀A，根据供热总管的出口温度来控制阀门的开度。

3.5烟气系统

该系统主要由发电机组、烟囱、电动多叶调节阀、烟气-水换热器组成。发电机组（17）产生的烟气通过烟道进入烟气-水换热器（18）中，在换热器入口的烟气管道上，设一电动多叶调节阀，通过出水温度来控制阀门的开启度从而使烟气量与水侧热量相匹配，多余的烟气量排至室外。

三、余热利用率及经济性

1余热利用率

通过热平衡计算可以得出，总余热=烟气散热量+冷却器散热量即391+406=797kW。办公楼室内空调系统所需空调负荷夏季为400kW，冬季为380kW。实际投产后，除了能够满足办公楼冷热负荷的要求外，还承担了临近会议室（约300m）空调热负荷（会议室空调热负荷为40kW）。因此该工程冬夏的余热利用率分别为冬季余热利用率：（380+40）/797=53%夏季余热利用率：391/797=49%

2经济性分析

400kW燃气发电机组常用于油田内部站场的电力供应。按照常规照明及动力配电测算，可提供8000m建筑面积的用电。通过计算可以看出，可利用的余热量共计797kW。

采用该工艺流程，冬季烟气及冷却水的余热均可充分利用，根据建筑面积供暖指标计算，在发电机组满负荷运转的情况下，冬季能够满足约8000m站场内的供暖要求；夏季由于冷却水的温度过低，不能作为溴化锂机组的动力源，只有烟气的余热（391kW）可以利用，因此，能够满足约4500m站场办公建筑的空调需要。

与站场内冬季采用燃气热水机组、夏季采用电制冷空调的方案进行比较，该工艺系统虽然初投资较高，约为450万元（包括发电机组），但运行费用大大降低了，单用电负荷这一项，每天可节约用电464.35kW，按0.7元/度计算，每天节约电费7801元，一一年（按8个月240天计）可节约用电成本187.2万元。如果燃煤锅炉房的热效率按80%计算，媒的燃烧值按7000大卡/kg计算，则回收的热量相当于每小时节省燃煤：

{（380+40+391）*1000/1.16}/（7000*0.8）=124.9（kg）每天按24小时计算，每年按240天（8个月）计算，则每年节省标准媒：124.9*24*240=539568kg=719.5（t）

每吨煤按600元计算，则每年节省燃煤费用为：719.5*600=43.2（万元）

在加上办公楼节约的“采暖费”和“空调费”，两年左右即可收回成本。

动力机械厂冷热电联供工程于2001年投入运行至今，已运行了十几年的时间，目前运行状态良好，实际运行，2003年即收回了成本。

可以设想，如果所需供电的站场建筑面积较大、多台发电机组运行时，这时的冷却水量充足，在机房面积足够的情况下，可以考虑增加一台水环热泵冷水机组，便可以使夏季冷却水的余热得到利用，将会大大提高夏季余热利用率，但该方案是否合理，还需要详细的技术经济比较。因此，利用燃气发电机组余热实现冷热电联供的工艺流程，还有进一步探讨、深化和改进的空间。

四、结论

利用燃气发电机组实现电、冷、热联供不仅是可行的，而且具有较高的经济效益，对独立的油田站场，采用燃气发电机组，不仅可以解决小区供电，还可以为建筑物提供冷热负荷，应作为首选方案，由于燃气发电机组的噪音大，所以该工艺不适用于人员居住、办公较密集的区域。