燃气热电联产烟气余热回收工程案例 (1)

[编辑：李锋 付林 赵玺灵|时间 ：2013-8-1|浏览： 185|来源：区域供热]

燃气热电联产烟气余热回收工程案例

清华大学建筑节能研究中心 李锋 付林 赵玺灵

【摘要】常规燃气热电联产集中供热系统，烟气的排烟温度一般高达90℃以上，能源浪费极为严重。本文针对存在的问题，介绍了基于吸收式换热的热电联产烟气余热回收技术，并通过北京市某燃气热电厂利用该项技术进行供热改造的工程实例，介绍了技术的工艺流程，并从节能效益、环保效益和经济效益上分析了该技术的优势。

【关键词】烟气余热 热电联产 吸收式换热 大温差供热

1 燃气热电联产系统应用现状

天然气的主要成分是甲烷(CH4)，含硫量微乎其微，在燃烧中几乎不含SO2

和烟尘。同时，由于天然气的可燃成分中含有大量的氢，因而燃烧生成产物中含有的CO2也会明显减少，只有焦炭的60%、石油的80%。

对一些重点城市而言，其节能减排的要求比较严格，在调研了多种发电供热技术的前提下，燃气热电联产技术成为了各大热电中心的首选。燃气热电联产装置具有发电效率高、占地面积少、节约用水、建设周期短、运行灵活等突出优点，在供热制冷的同时，还可产生高品位的电能，实现能源的梯级利用，具有相当大的节能减排意义。

尽管具有一定优点，常规燃气热电联产系统还存在着函待解决的问题: 1)一、二次网在热力站以及热源处汽水之间的换热温差很大，造成很大的不可逆热损失[1]。

2)燃气热电厂烟气余热浪费严重。烟气中含有大量的水蒸气汽化潜热，而对应于不同的过量空气系数，当排烟温度低于40℃-60℃时，烟气的冷凝热才能被回收，且排烟温度在30℃-40℃时才能取得较好的余热回收效果。而在常规的燃气热电冷联供系统中，排烟温度一般均在90℃以上，若能回收烟气的热量，将

大大提高能源利用效率。但是在区域供热领域内，热网回水温度一般在50-60℃以上，高于烟气冷凝的露点，无法实现有效的烟气冷凝热回收。

3)另外，目前热电联产热电比低，一般为0.6-0.8。为满足热负荷，同燃气锅炉相比，需要消耗2-3倍的燃气量。天然气是宝贵的资源，对于天然气供应紧张的城市，无疑增加了压力，供热安全性也受到影响。

针对上述问题，提出了基于吸收式循环的新型热电联产集中供热技术[1-3]。该技术在保证二次网运行参数不变的情况下，一次网供回水由传统的130℃和70℃变为130℃和20℃，供回水温差约由60℃提高至110℃ ,可以使既有热网的输配能力提升80%，大幅降低管网投资，免除回水管网的保温措施;一次网回水温度降至20℃左右，明显低于烟气的冷凝温度，低温度的回水为高效回收燃气热电厂的烟气余热创造了良好的条件。

在热力站采用吸收式换热的基础上，对常规燃气热电厂内的热网加热设施进行改造。在常规燃气热电厂中，一般均采用热网加热器直接利用热网抽汽加热热网回水，该种供热方式的缺点上节中已经描述。在此，根据“温度对口，梯级利用”的原则，热网回水一般经过三个环节的加热。热网回水首先同低温烟气进行换热，即加热热网水的第一个环节。在第二个环节中，利用燃气热电厂的抽汽作为热源驱动吸收式热泵，进一步提取烟气的余热，同时加热热网回水。之后进人常规加热环节，利用原有的热网加热器将热网水加热至设计温度供出。该系统的热力过程比原系统更为合理，在不改变原系统抽汽参数的情况下，供热效率及能源利用效率大大提高。

2 基于吸收式换热的燃气热电联产烟气余热回收的工程案例

2.1 某燃气热电厂现状及改造方案介绍

北京市某园区，建筑面积为764万平方米，结合实际情况，该园区综合热指标为53 W/m2，因此总热负荷为405MW。该园区供热方案采取燃气热电联产+燃气锅炉房调峰的方式，燃气热电联产承担园区的基础热负荷，燃气锅炉房承担调峰作用。

其中，燃气热电厂工程建设规模为200MW级天然气联合循环供热机组。装机方案为:一套“E”型燃机组成的燃气-蒸汽联合循环供热机组。该系统的蒸汽轮机组抽汽进入汽水换热器加热热网回水至供热设计温度。该燃气热电厂的系统图

如图1所示，各主要参数如表1所示。 表1 燃气热电厂主要技术参数 参数 燃气耗量 发电量 发电效率 供热量 供热效率 能源总利用效率 抽汽压力 抽汽温度 排烟温度 热网供/回水温度 单位 Nm3/h MW % MW % % MPa ℃ ℃ ℃/℃ 数量 54856 220 44.1 202 40.5 84.6 0.3 168 90 130/70 该热电厂存在着前述常规燃气热电厂中所提到的如供热效率低、烟气排放温度高、换热环节不可逆损失大等缺点。燃气热电厂供热量为202MW(考虑了3%的热损失)，则调峰燃气锅炉房供热量为203MW。在采暖季的初末期，热负荷较小，此时燃气热电厂运行，承担全部热负荷。在采暖季的严寒期，热负荷较大，此时燃气热电厂承担部分热负荷，其余热负荷由燃气锅炉房承担。因此，在整个采暖季，燃气热电厂基本处于稳定运行状态，燃气锅炉房随热负荷的变化而逐步投入或退出。燃气热电厂的热负荷延续时间图如图3(a)所示。 根据上述问题和解决途径，对该燃气热电厂进行改造。在热力站内，利用吸收式换热技术，采用吸收式换热机组代替常规板式换热器，考虑热网的实际供水温度为120℃，则可以实现热网回水温度25℃，大幅度降低热网回水温度和供回水温差，以回收电厂内大量余热废热，提高系统的能源利用效率，同时降低管径，减少管网投资。在热电厂内，按照上节所述对热网回水进行三级加热，该方案的系统图如图2所示，系统的相关技术参数如表2所示。

表2 基于吸收式换热的燃气热电厂主要技术参数 参数 供热量 供热效率 能源总利用效率 排烟温度 热网供/回水温度 单位 MW % % ℃ ℃/℃ 数量 280 56.2 100.3 20 120/25 基于吸收式换热的燃气热电厂的供热量为280MW(考虑了3%的热损失)，则调峰燃气锅炉房供热量为125MW。随着热负荷降低，调峰燃气锅炉房逐渐退出使用，当热负荷继续降低，可逐渐减少抽汽量，当采暖季处于初末期时，仅有烟气余热和部分抽汽来承担热负荷。基于吸收式换热的燃气热电厂的热负荷延续时间图如图3(b)所示。 2.2 节能性比较 原燃气热电联产系统与基于吸收式换热的燃气热电联产系统的能源利用效率比较如图4所示: 同原燃气热电联产系统相比，基于吸收式换热的燃气热电联产系统在发电效率不变的情况下，供热效率提高了约38.6%,总系统能源利用效率提高了约18.7%，增加供热能力78MW以上。 如图2所示，承担相同的热负荷，原系统中燃气调峰供热量为93万GJ，燃气热电联产供热量为211万GJ，改造后的系统中燃气调峰供热量为34万GJ，抽汽供热量188万GJ,低温烟气余热供热量为82万GJ。通过比较，基于吸收式换热的燃气热电联产系统与原系统相比，年减少燃气调峰供热量59万GJ，减少抽汽供热23万GJ，减少的供热抽汽可用于发电，经过计算，相当于增加540万kWh发电量。由于基于吸收式换热的燃气热电联产系统需要新增耗电设备，经过计算，年增加耗电量约为860万kWh。则基于吸收式换热的燃气热电联产系统相对于原燃气热电联产系统的节能性比较如表3所示: 表3 节能性比较 参数 增加供热量 提高供热效率 提高总利用效率 年回收余热量 减少调峰燃气量 年增加发电量 年增加发电量折合燃气量 年增加耗电量 年增加耗电量折合燃气量 折合年净节约燃气量 单位 MW % % 万GJ/年 万Nm3/年 万kWh/年 万Nm3/年 万kWh/年 万Nm3/年 万Nm3/年 数量 78 38.6 18.7 82 2078 540 119 860 189 2008 注:燃气热值按照该电厂燃气热值32.72MJ/Nm,调峰燃气锅炉供热效率按照90%计算(考虑3%的热损失)，燃气电厂发电效率按照50%计算 3如上表所示，采用基于吸收式换热的燃气热电联产系统后，年减少燃气消耗量为2008万Nm3，节能效益巨大。 另外，由于烟气温度降至20℃，烟气中的水蒸气大量冷凝，该冷凝水水质较好，经过处理后可作为电厂补水等用途，年回收冷凝水量约为18万吨。 2.3 环保比较 环保比较主要考虑采用基于吸收式换热的燃气热电联产系统后CO2的减排量。由于采用该系统后，年减少燃气耗量2008万Nm，则年减少CO2排放3.9万吨，具有良好的环保效益。 另外，由于烟气中的水蒸气大量凝结，烟气中的S02, NO2等污染物也会溶于冷凝水而随冷凝水排出，有益于减少大气中的污染物排放。 2.4 经济性比较 基于吸收式换热的燃气热电联产同原系统相比，热力站及电厂内均需要进行改造，因此需要增加投资。调峰锅炉房燃气耗量降低，因此运行费用降低，系统发电量有所增加，因此发电收益增加，另外系统增加电耗，增加了运行费用。基于吸收式换热的燃气热电联产方案的经济性计算如表4所示： 表4 经济性比较 3参数 增加投资 年减少调峰燃气量 年减少燃气费用 年增加发电量 年增加发电收益 年耗电量 年增加电费 年净运行收益 静态增量投资回收期 单位 亿元 万Nm3/年 万元/年 万kWh/年 万元/年 万kWh/年 万元/年 万元/年 年 数量 2.0 2078 4738 540 378 860 688 4428 4.5 注:燃气价格按照2.28元/Nm，厂内用电价按照0.8元/kWh，发电电价按照0.7元/kWh(考虑补贴) 3如表4所示，该系统同原系统比较，其静态增量投资回收期约为4.5年，具有较好的经济效益。 3 结论 文章对常规燃气热电联产集中供热系统存在的问题进行了分析研究。常规燃气热电联产集中供热系统主要存在着换热环节不可逆损失较大以及能源利用效率低等问题。针对存在的问题并结合实际工程案例，本文介绍了基于吸收式换热的热电联产烟气余热回收技术，在热力站设置吸收式换热机组，降低热网水温度至约25℃，在燃气热电厂内通过烟气换热器、吸收式热泵和热网加热器等环节将热网水逐级加热至设计温度，实现“梯级利用，温度对口”的原则。一方面，通过拉大供回水温差而大幅度增加了热网的供热能力，另一方面，通过回收烟气余热而显著提升了热电厂供热能力和系统能源利用效率.有效地解决了上述问题。该系统方案年增加供热能力38%以上，年回收余热量82万GJ，年减少燃气耗量2008万Nm3，年减少CO2排放3.9万吨，同原系统相比，年运行收益增加为4428万元，静态增量投资回收期约为4.5年。因此，基于吸收式换热的燃气热电联产系统具有良好的节能效益、环保效益和经济效益。