燃气电厂深度余热回收利用分析

0 引言

由于社会智能化的提高，人们对能源需求和依赖程度也逐渐增加。我国作为一个能源消耗大国，人均能源储量较低，造成了供需关系的不平衡，这就要求在对电厂的设计和利用上更加注重能源的回收和高效利用。吴仲华从能量转化的基本定律出发，阐述总能系统中能的综合梯级利用与品位概念，提出了著名的“分配得当、各得其所、温度对口、梯级利用”原理。燃气电厂机组包括燃气轮机、余热锅炉、汽轮机等，在现有燃气电厂设计中虽然已经充分考虑了能源的梯级综合利用，燃气轮机高温烟气进入余热锅炉产生高温高压蒸汽驱动汽轮机发电。但是，从能源的梯级利用来讲，余热仍然还有很多可以进一步利用的空间，比如汽轮机乏汽的余热深度利用、锅炉烟气余热的深度回收利用等。

1 锅炉烟气余热的回收利用

天然气中烃含量较高，在燃烧时会产生大量的水蒸气，水蒸气中含有大量的气化潜热，这部分热量能达到天然气低热值的10% ～11%，目前很难得到充分利用。一方面是由于天然气中含有硫，在燃烧后会产生微量硫化物，为防止烟气中硫化物的析出对锅炉末级冷却系统等设备的腐蚀，余热锅炉厂家在设计时一般将排烟温度控制在90℃左右;另一方面，由于锅炉回水温度较高，锅炉排烟温度很难降低，这部分热量基本上没有得到有效利用，直接排入大气后冷凝，造成冒白烟现象，导致热能的浪费，对环境保护和企业收益的增加具有不利影响。目前，国内外不少学者也对这部分能量的深度回收进行了研究。水蒸气气化潜热在内的烟气余热对节省能源和减少污染物排放量都有重要意义。根据燃气烟气温度与比焓的曲线，可以发现烟气温度在露点温度以上时，烟气的比焓变化比较缓慢，当烟气温度在露点温度以下时，烟气中的水蒸气开始凝结，释放大量的热，使得烟气的比焓变化较为快速。如果对这部分热量进行进一步有效利用，对电厂的能源利用效率会有较大的提高。

这里介绍一种能有效利用露点温度以下的烟气焓值方法。在火电厂中，通常设置水冷塔对电厂循环水进行冷却，在水冷塔顶部设置喷淋装置，循环水用喷淋的方式进行换热冷却后，进入下一个循环。同理，可以在余热锅炉尾部增加直接接触式换热塔，在换热塔内将余热锅炉的高温排烟与塔顶喷淋的冷却水进行直接接触换热，采用水与烟气直接接触换热，可以使烟气和水在较小温差下进行热交换，直接接触式换热可以省去常规换热器的换热管及其他换热材料，节省换热器造价。通过该冷却，可以将烟气温度从90℃左右冷却到30～35℃，回收大量的烟气余热，同时由于烟气中有烃类气体燃烧产生的部分水蒸气冷凝析出，多余部分可以进行回收利用，经过处理后作为厂用水的补给水使用，减少电厂耗水量。冷却水在直接接触式换热塔内换热完成后，进入吸收式热泵进行进一步余热回收利用。

吸收式热泵采用高温蒸汽或高温热水驱动的溴化锂机组，水做制冷剂，溴化锂做吸收剂。在换热塔内与烟气换热后的冷却水经循环水泵加压后输送到蒸发器，来自汽轮机或余热锅炉的蒸汽或来自余热锅炉的热水进入发生器作为驱动热源，从而在吸收器和冷凝器中产生较高温度的热水。

2 汽轮机乏汽余热利用

对于燃气电厂来说，汽轮机乏汽余热回收同样也是不可轻视的。已有不少单位对汽机的乏热回收进行了研究和分析。本文从不同的方面对汽轮机乏汽冷凝余热回收方案进行比较。

2.1 汽轮机低真空运行供热技术

该技术在理论上能达到比较高的能效。国内外也有较多成功的案例。但是由于此汽轮机通常有燃机厂进行配套，如果汽轮机变更为此工况下运行，需要汽机厂在设计时对变工况进行详细的计算，否者将会对设备安全运行带来一定的隐患。此方案对于小型机组有一定的可行性，对于大中型机组来讲，出于安全性考虑，很少采用此方案。

2.2 压缩式热泵余热回收

压缩式热泵主要包括蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀或膨胀机。与蒸汽乏热换热后的循环水进入热泵蒸发器，对循环工质进行加热，循环工质汽化后，经压缩机加压升温，在冷凝器与热网循环水进行换热，为热网水加热，换热后的工质经膨胀阀节流降温后进入下一个循环。该方案在理论上可行，能达到节能的效果，也有运行的案例，但由于压缩机需要消耗一定的电能，会造成厂用电的升高。也可考虑用膨胀机代替膨胀阀，回收一部分的能量，但是会增加前期投入成本。

2.3 吸收式热泵余热回收

需要从外界引入高温的热源来作为驱动，该方案从技术上可行，经济效益上较好。

从能源利用的效率对压缩式热泵和吸收式热泵进行对比分析，取相同的两份蒸汽，一份用于发电，发出的电用于驱动压缩式热泵的压缩机，一份作为吸收式热泵的驱动热源，两台热泵制热性能系数(COP值)相同，由于压缩式热泵存在着汽电转换损失，根据热力学定律，压缩式热泵输出的热量低于吸收式热泵输出的热量。所以，一般余热利用宜选用吸收式热泵。

3 烟气与汽轮机乏汽余热综合回收利用系统

烟气余热与汽轮机乏汽余热综合回收系统将燃气电厂烟气余热回收系统与汽轮机乏汽回收系统余热整合，进行系统能量的综合利用，如图1所示。受单台吸收式热泵容量的控制，电厂通常需要配置多台吸收式热泵。利用来自汽轮机或余热锅炉的热源作为部分吸收式热泵机组的驱动热源，为部分来自一次管网的热水制取高温热水或蒸汽，作为剩余吸收式热泵的驱动热源。在非供暖期，吸收式热泵制取的热水通过给水泵送入锅炉以提高汽轮机的出力;在供暖期，吸收式热泵制取的热水送往热用户。通过换热塔凝出的烟气中的水蒸气，通过补水泵补送给循环冷却水和换热塔喷淋水。

4 综合余热回收中的关键技术

(1)由于换热塔内烟气与喷淋冷却水是直接接触进行换热的，在换热过程中会增加烟气的阻力，从而对锅炉运行造成一定的影响。在锅炉烟气进入换热塔前增加引风机，为烟气增压后进入换热塔，也可在换热塔出口增加引风机。由于烟气量较大，引风机设计和选型时难度较大。

(2)在喷淋水与烟气的换热过程中，两者间同时存在着潜热和显热的交换，烟气中的部分颗粒与气体、水接触后发生吸附，对换热塔内壁具有洗涤净化作用，但吸附物流入塔底部增加水池的清洗工作量。

(3)烟气余热回收的自动化控制系统复杂。影响烟气余热回收效率效果的因素有很多，如换热塔的设计、喷淋设备的选型、工艺设计、自动化控制及监测水平等，其中自动化控制及监测水平在系统中起着网络神经的作用。第一，锅炉排烟温度和压力的精确控制;第二，冷水喷淋量与排烟温度与排烟流量直接的精确调节控制;第三，供给吸收式热泵的高温热水或蒸汽的热量的精确控制;第四，换热塔加药装置、烟气、循环水pH值的自动调节控制等。因此，要加强系统的智能化自动化控制，进一步保障余热回收的效率和稳定性。

5 结论

本文针对燃气电厂余热利用情况，对电厂的余热锅炉和汽轮机乏汽的深度余热利用进行分析，将锅炉的烟气余热利用系统与汽轮机乏汽余热利用系统进行整合优化，提高引入加热部分排气冷凝与烟气换热的低温喷淋水温度，同时将烟气中的水蒸气温度降低到露点以下，提高余热的整体利用效率，从而达到节能减排的效果。