燃氣輪機余熱發(fā)電技術應用于輸氣管道的可行性分析

摘要：文章介紹了一種燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術，通過實例中的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)并計算各項指標參數(shù)，來探討并論證其應用于輸氣管道壓氣站的可行性和優(yōu)越性。

關鍵詞：燃氣輪機；余熱發(fā)電技術；輸氣管道；有機朗肯技術

中圖分類號：TE832 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）07-

壓氣站主要用于輸氣管道加壓，以保持其正常輸送功能。而目前其運營成本就占用管道運營成本的大部分，而大部分是用于電能與熱能消耗。在壓氣站實施余熱利用方案是提高輸氣管道運營水平、實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。本文提出的燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術是在原有的余熱利用方案上的一種改良技術，不僅具有節(jié)能減排的基本功效，還節(jié)省了經(jīng)濟成本。

1 燃氣輪機余熱發(fā)電技術原理

1.1 壓氣站的余熱利用方案

原始的余熱利用方案按照應用途徑主要分為熱、電與機械三類。而這三類方案在未經(jīng)技術改良前，往往只能作為新思路，尚須在技術上進一步完善方可實現(xiàn)利用。其中燃氣輪機余熱鍋爐回收、燃氣輪機回熱循環(huán)、蒸汽朗肯循環(huán)、有機朗肯循環(huán)、燃氣輪機進氣制冷等技術，是當前技術比較成熟、應用較為廣泛的余熱利用方案。

而不同的壓氣站在選擇余熱利用方案時，應結合其現(xiàn)有條件、機組性能以及運行模式等因素進行綜合評估后，做出正確抉擇。一般而言所選方案確保產熱過量或不足以及壓氣站機組正常啟停機不會對余熱利用設備造成影響，在設備失效時不影響壓氣站的正常運行和功率輸出。考慮到現(xiàn)場的運行維護，所選余熱利用方案以流程簡單、運行維護相對容易，進而可實現(xiàn)自動化控制和監(jiān)測最為宜。同時還應綜合考慮項目成本、運行維護費用等經(jīng)濟因素，對方案進行比選，確保方案的實施具有較好的投資回報。當然還有環(huán)保利用問題也應在評價一個系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性的范疇內。

1.2 有機朗肯技術原理

所謂有機朗肯技術，也即是一種將燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電回收煙氣中的熱量，產生的電能供其他用戶使用的技術，故也稱為燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)技術。這種技術不僅能夠將低品位熱量轉化為高品位電能，較大地提高燃驅機組的效率；更解決了其他余熱利用方案無法解決的排氣污染和能量大量耗費等問題。該技術在國外早有先例，而在國內仍未得到應用，主要源于兩個原因：一方面該技術所產生的電能不適用于常規(guī)電網(wǎng)，僅供輸氣站自用，使得電能無法得到充分使用；另一方面該技術增設了汽輪發(fā)電機，價格較為昂貴。

2 有機朗肯發(fā)電技術在輸氣管道中的應用分析

2.1 應用原理與過程

有機朗肯循環(huán)余熱利用系統(tǒng)在我國西部地區(qū)燃驅壓氣站的應用前景相當廣闊。由于有機朗肯循環(huán)采用戊烷等低沸點有機工質，使其可在較低的溫度和壓力下獲得較高的工作效率，故省掉余熱鍋爐氣化取熱工作，而采用導熱油作為中間熱介質取熱，再通過換熱器與有機工質進行換熱，組成雙循環(huán)系統(tǒng)。有機工質在換熱器中從余熱流中吸收熱量，形成具有一定溫度和壓力的蒸汽，隨后蒸汽進入透平機械膨脹做功，驅動發(fā)電機或壓縮機。從透平排出的蒸汽在凝汽器中向冷卻水放熱，凝結成液態(tài)，最后借助工質泵重新回到換熱器，并持續(xù)循環(huán)。導熱油循環(huán)系統(tǒng)可將有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)與壓氣站廠房分隔，實現(xiàn)站外建設有機朗肯循環(huán)（ORC）系統(tǒng)，對壓氣站的運行影響較小且安全性較高。根據(jù)現(xiàn)場條件和項目需要，有機朗肯循環(huán)余熱系統(tǒng)可選用不同的結構配置以適應不同的用途，既可選用“一對一”配置，也可選用“多對一”或“一對多”配置。對于多機組壓氣站，有機朗肯循環(huán)可通過采用煙氣并聯(lián)或熱油循環(huán)并聯(lián)以獲得較大的輸出功率；對于功率較大的燃機，可通過選用換熱器串聯(lián)以獲得多個有機朗肯循環(huán)，實現(xiàn)不同的輸出

功率。

根據(jù)上述原理，我們分別對以下兩個運用有機朗肯循環(huán)的輸氣站進行對比研究。西氣東輸某輸氣站的3套額定功率為30MW燃驅壓縮機組，“兩用一備”運行；相鄰的某輸氣站有4套額定功率為20MW電驅壓縮機組，“三用一備”運行。通過記錄現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，進而計算兩站燃氣輪機排煙熱焓，進而求解兩站的排煙余熱發(fā)電量，并分析產生的電能應用于電驅壓縮機組的可行性和優(yōu)越性。

2.2 可行性分析

對兩站進行現(xiàn)場運行監(jiān)測，一般在燃氣輪機負荷達到全年平均負荷且運行穩(wěn)定后開始測試，并記錄數(shù)據(jù)。在各站抽取一臺對其監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算分析對比發(fā)現(xiàn)增加汽輪機發(fā)電機組后，將燃氣輪機排出的高溫煙氣導入換熱式蒸汽器中，與發(fā)電機組主換熱器內的有機工作液進行熱量交換，熱交換后，煙氣溫度可從482.9℃降至140℃，換熱后的低溫煙氣可以直接排入大氣，或者通過增加煙氣/水換熱器，充分利用煙氣剩余熱能，為輸氣站提供冬季采暖所需的循環(huán)熱水。

再根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行排煙熱焓和發(fā)電量計算，主要計算公式為：

排煙處過?？諝庀禂?shù)：

V0、VRO、V0N、V0、V為1m3燃料氣完全燃燒所需空氣量和所得到的RO2、N2、H2O量，分別為排煙處干煙氣、RO2、N2、O2和H2O的平均比定壓熱容。由上述公式所得結果可知通過蒸汽發(fā)電機組換熱后，熱焓降低，大部分熱量得到了回收。

若汽輪機發(fā)電機組效率按35%計算，根據(jù)公式：

可計算得到每臺汽輪機的發(fā)電量，結果表明兩臺燃氣輪機排煙余熱產生的電量已可滿足一套電驅壓縮機組所需的絕大部分電量，剩余少部分電量可由公網(wǎng)補足。

綜合以上分析可知，隨著燃氣蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術和并網(wǎng)技術的發(fā)展和成熟，有機朗肯循環(huán)方案能夠較好地解決燃氣輪機余熱發(fā)電電量的利用問題，其運行安全性也逐步提高，該方案具有可行性。

2.3 優(yōu)越性分析

根據(jù)原有的系統(tǒng)方案和國家標準進行計算可知，一套有機朗肯循環(huán)系統(tǒng)投資2×108元，每年可發(fā)電1.0296×108kW·h，基礎單位電價0.573元，折合電費0.5899×108元，不到4年即可收回成本，經(jīng)濟效益明顯，節(jié)能效果也較為顯著。若折合成用煤量，該站有機朗肯循環(huán)每年發(fā)電量可減排巨量的干煙氣、RO2、N2等。在此基礎上增加煙氣/水換熱器，則可以進一步利用煙氣的剩余熱能，為輸氣站提供冬季采暖所需的循環(huán)熱水。

有機朗肯循環(huán)（ORC）是以低沸點有機物為工質的，可滿足其對高溫高壓蒸汽的要求，目前已廣泛應用于低溫余熱回收領域；而相較于其他利用方案，在該領域ORC在經(jīng)濟和節(jié)能減排方面是足具優(yōu)越性的，同時還具備較高的運行效率、安全性和穩(wěn)定性。

3 結語

在輸氣管道壓氣站中，采用有機朗肯循環(huán)方案能夠較好地解決電能利用問題，且該系統(tǒng)設備投資回收周期短，技術成熟，節(jié)能效果顯著。我國正大力推廣合

同能源管理方式，可見該系統(tǒng)應用前景無可限量。

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作者簡介：蘇威，河北樂亭人，哈爾濱電氣股份有限公司項目經(jīng)理，研究方向：燃氣輪機機務技術及項目管理。

（責任編輯：秦遜玉）