熱管技術(shù)在煙氣余熱利用上的應(yīng)用研究

王紅濤 李正茂 時振堂

摘 要：熱電聯(lián)供系統(tǒng)可以大幅度提高能源利用效率。針對集氣站生產(chǎn)工況，采用熱管式換熱器回收燃?xì)獍l(fā)電機(jī)高溫?zé)煔獾挠酂幔梢詽M足集氣站對熱能的需求。同時，熱電聯(lián)供系統(tǒng)以部分放空天然氣為燃料，具有環(huán)保和節(jié)能雙重效益。

關(guān) 鍵 詞：熱電聯(lián)供;內(nèi)燃發(fā)電機(jī);熱管式換熱器;管板式換熱器

中圖分類號：TQ 052 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1324-03

Application of the Heat Pipe Technology in Waste Heat Recovery of Flue Gas

WANG Hong-tao，LI Zheng-mao，SHI Zhen-tang

（Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract： The efficiency of energy utilization can be improved by the combined heat and power （CHP） system.In this paper， CHP system was established according to the demand of electric and thermal energy. The heat pipe heat-exchanger was used to recovery the waste heat of flue gas.

Key words： Combined heat and power; Combustion engine generator; Heat pipe heat-exchanger; Tube plate heat-exchanger

內(nèi)燃發(fā)電機(jī)是一種以液化氣、天然氣、伴生氣等可燃?xì)怏w為燃燒物，代替汽油、柴油作為發(fā)動機(jī)動力的新型高效的新能源發(fā)電機(jī)。由于其具有輸出功率范圍廣，啟動和運(yùn)行可靠高、發(fā)電質(zhì)量好、重量輕、體積小、維護(hù)簡單、低頻噪聲小、大氣污染物排放低等優(yōu)點(diǎn)，符合分布式能源的特點(diǎn)，在小型（冷）熱電聯(lián)供項(xiàng)目中被廣泛采納[1]。

內(nèi)燃發(fā)電機(jī)在發(fā)電過程中能源轉(zhuǎn)換效率較低，圖1為600kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的熱平衡計(jì)算數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，在發(fā)電過程中只有約36%燃料能量被轉(zhuǎn)化成電能，其它的能量隨高溫?zé)煔?、發(fā)電機(jī)高/低溫冷卻水和散熱等方式以熱能的形式排到環(huán)境中，并沒有被利用。因此在條件允許的情況下，應(yīng)盡可能地利用高溫?zé)煔夂桶l(fā)電機(jī)高溫缸套水的熱量，采用（冷）熱電聯(lián)供的方式，提高能源利用率。

傳統(tǒng)的換熱器主要采用管板式結(jié)構(gòu)，在回收余熱過程中存在體積大、煙氣阻力大、易產(chǎn)生低溫腐蝕和投運(yùn)率低等問題，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置帶來諸多不便。采用熱管式換熱器可以較好的解決上述問題，適合發(fā)電機(jī)高溫?zé)煔庥酂峄厥绽谩?/p>

本文以某天然氣集氣站發(fā)電機(jī)高溫?zé)煔庥酂崂脼槔?，論述熱管技術(shù)在燃?xì)獍l(fā)電機(jī)高溫?zé)煔庥酂崂蒙系膽?yīng)用。

圖1 內(nèi)燃發(fā)電機(jī)熱平衡圖

Fig.1 Thermal equilibrium diagram of combustionengine generator

傳統(tǒng)的換熱器主要采用管板式結(jié)構(gòu)，在回收余熱過程中存在體積大、煙氣阻力大、易產(chǎn)生低溫腐蝕和投運(yùn)率低等問題，給系統(tǒng)設(shè)計(jì)布置帶來諸多不便。采用熱管式換熱器可以較好的解決上述問題，適合發(fā)電機(jī)高溫?zé)煔庥酂峄厥绽谩?/p>

本文以某天然氣集氣站發(fā)電機(jī)高溫?zé)煔庥酂崂脼槔撌鰺峁芗夹g(shù)在燃?xì)獍l(fā)電機(jī)高溫?zé)煔庥酂崂蒙系膽?yīng)用。

1 熱管換熱器的原理和特點(diǎn)

1.1 原理

熱管是在一根抽除不凝氣體的密閉金屬管內(nèi)充以一定量的工作液體構(gòu)成的。典型的熱管由管殼、外部擴(kuò)展受熱面、端蓋組成，將管內(nèi)抽成1.3×（10-1～10-4）Pa的負(fù)壓后充入適量的工作液體，然后加以密封。工作液體在熱端吸收熱量而沸騰汽化，產(chǎn)生的蒸汽流到冷端放出潛熱而凝結(jié)為液體，凝結(jié)液回至熱端再次吸熱沸騰汽化，如此反復(fù)循環(huán)，熱量不斷地由熱端傳遞到冷端，完成換熱循環(huán)[2，3]。

圖2為重力式熱管工作原理圖，凝結(jié)液通過重力作用回到熱端，具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。

圖2 重力式熱管工作原理

Fig.2 Operating principle of gravity type heat pipe

heat-exchanger

1.2 熱管換熱器的主要特點(diǎn)

熱管換熱器主要有以下的特點(diǎn)[4-6]：

（1）換熱效率高：熱管是靠工質(zhì)相變時吸收和釋放汽化潛熱，以工質(zhì)流動來傳導(dǎo)熱量的，導(dǎo)熱率高，其導(dǎo)熱能力是同等銀導(dǎo)熱量的2000倍，紫銅的6000倍。傳熱系數(shù)K與傳統(tǒng)管板式換熱器相比可提高5～10倍。同等換熱量的條件下，高換熱效率可縮小換熱面積，減小設(shè)備的體積，減輕設(shè)備重量，便于在撬裝燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組集裝箱上安裝，使整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊、布局方便，為撬裝化提供便利。

（2）流體阻力小。兩種交換介質(zhì)均走管外，無需往返，流程可大大縮短，且介質(zhì)流動方向與散熱片方向一致，從而可以降低流動阻力。由于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的排氣壓力一般為3～4 kPa，壓力較低，減少煙氣的流動阻力，可防止因阻力大導(dǎo)致發(fā)電機(jī)排氣背壓升高，影響發(fā)電機(jī)組的正常工作。

（3）壁溫可調(diào)可控?？梢酝ㄟ^調(diào)整蒸發(fā)段、冷凝段的傳熱面積來控制熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區(qū)域，遠(yuǎn)離煙氣酸露腐蝕。因此使用熱管換熱器可緩解煙氣低溫腐蝕，大幅降低排煙終溫，回收更多利用的余熱。

（4）工作安全可靠。由于熱管工作不需要動力，無運(yùn)動部件，不產(chǎn)生噪音，冷熱流體均在管外流動，且通過隔板完全分開，單根熱管獨(dú)立工作，互不影響，易拆卸更換，即使單根熱管失效，也不會發(fā)生冷熱流體摻雜，危及換熱器的運(yùn)行安全。所以采用熱管換熱器可實(shí)現(xiàn)長周期運(yùn)行，提高設(shè)備投入率。

2 工程實(shí)例及效益分析

2.1 工藝方案

西部油田某采氣廠一集氣站，主要任務(wù)是收集單井天然氣，對其進(jìn)行脫水和回收凝析液，處理后輸往采氣廠繼續(xù)處理后進(jìn)入輸氣管網(wǎng)。所需的能源主要是電能和熱能，其中電負(fù)荷400kW，主要為丙烷壓縮機(jī)和各類泵提供動力，用電引自附近的110kV變電所，通過架空線引至集氣站。熱能用于油氣分離、油罐保溫和冬季采暖，配有兩臺水套加熱爐，分別為1臺400kW（一號）和1臺200kW（二號）燃?xì)馑谞t，燃料為低壓井天然氣。

低壓井油氣經(jīng)過分離后，氣體壓力低、數(shù)量少，采用增壓的方式輸送至采氣廠經(jīng)濟(jì)效益差。鑒于該站有電、熱負(fù)荷需求，且有排空天然氣，撫順石油化工研究院經(jīng)過分析研究提出了熱電聯(lián)供解決方案，可以滿足集氣站生產(chǎn)需要，同時提高能源的綜合利用率。

通過對現(xiàn)場所需電、熱負(fù)荷進(jìn)行綜合計(jì)算并，結(jié)合近遠(yuǎn)期發(fā)展規(guī)劃，確定熱電聯(lián)供裝置規(guī)模和工藝流程。利用低壓排空天然氣為燃料，新上一臺內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組，為集氣站提供所需的電能;充分回收利用發(fā)電機(jī)高溫?zé)煔夂透滋姿挠酂?，滿足原油加熱油氣分離和油罐伴熱保溫所需熱量。其中，發(fā)電機(jī)組采用600kW天然氣發(fā)電機(jī)，針對煙氣和缸套水兩部分余熱，采用400kW煙氣余熱利用裝置和200kW缸套水余熱利用裝置，同時配套相關(guān)的控制測量設(shè)備。

集氣站熱電聯(lián)供系統(tǒng)自2014年6月份開始建設(shè)，10月底完成整體建設(shè)（裝置如圖3所示），并進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試工作。

圖3 熱電聯(lián)供余熱回收裝置

Fig.3 Waste heat recovery device of the cogeneration generator

根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，撫順石油化工研究院提出了用熱管式換熱器替代傳統(tǒng)的管板式換熱器的設(shè)想，以減少換熱器體積便于在發(fā)電機(jī)集裝箱上安裝（裝置如圖3所示），減少煙氣阻力，保證發(fā)電機(jī)正常工作。同時減少低溫腐蝕提高設(shè)備投運(yùn)率。

熱管式換熱器下部為煙道，上部為水箱，中間由隔板隔開。發(fā)電機(jī)煙氣通過煙道從左向右，化補(bǔ)水流向與煙氣流向成逆流，提高換熱平均溫度，增加換熱量。工作時煙氣流經(jīng)熱管余熱回收器煙道沖刷熱管下端，熱管吸熱后將熱量導(dǎo)至上端，將化補(bǔ)水加熱。

2.2 系統(tǒng)能源利用效率

熱電聯(lián)供系統(tǒng)2014年11月份平均運(yùn)行數(shù)據(jù)如下：

天然氣參數(shù)：

低位發(fā)熱量（101.3kPa，293K時）：38.82 MJ/ m3;

進(jìn)氣壓力：192kPa;

溫度：22.1℃;

流量：54.1 m3/h;

發(fā)電機(jī)功率： 400kW。

一號水套爐：

進(jìn)水溫度：68.3℃;

出水溫度：75.2℃;

流量：31.5t/h。

煙氣：

進(jìn)換熱器溫度：574.3℃;

出換熱器溫度：161.1℃。

由以上數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)的能源利用效率，結(jié)果如下：1#水套爐回收缸套水熱量為912.87MJ。

天然氣中甲烷含量按照90%計(jì)算，空氣流量為：

（Nm3/h）

煙氣質(zhì)量為：

qm=0.7174×144.90×90%+[（144.90-144.90×90%）+1594]×28.9/22.4=2168.68（kg/h）。

排煙的比熱容按煙道氣體計(jì)算，在100～600℃的平均定壓比熱容為1.134kJ/（kg·℃），甲烷的密度為0.7174 kg/m3。

機(jī)組利用排煙余熱Q排煙=（573.3-161.1）×1.134×2168.6=1013.7×103（kJ/h）=1013.7（MJ/h）

機(jī)組回收余熱占進(jìn)入發(fā)電機(jī)天然氣發(fā)熱量的百分比為：

式中：V20—轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)狀況下天然氣耗量;

Qnet—標(biāo)準(zhǔn)狀況下天然氣低位發(fā)熱量;

C—燃?xì)庑省?/p>

實(shí)際生產(chǎn)過程中，為了滿足工藝需求，發(fā)電機(jī)余熱也未進(jìn)行完全回收利用，煙氣三通閥開度為70.3%。為了防止低溫腐蝕，一般控制煙氣溫度不低于120 ℃。如果達(dá)到120 ℃，換熱器可回收利用煙氣余熱1114.8 MJ/h，占進(jìn)入發(fā)電機(jī)天然氣發(fā)熱量的20.5%。

2.3 效益分析

整套熱管式換熱器投資為6萬元。

回收熱量替代天然氣加熱水套爐，按熱量計(jì)算每小時可節(jié)約天然氣32.24 Nm3，年節(jié)約天然氣22.57萬Nm3，減少天然氣成本23.7萬元。投資回收期0.25 a，考慮到運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，投資回收期不超過0.5 a。

3 結(jié) 論

利用熱管式換熱器回收燃?xì)獍l(fā)電機(jī)煙氣余熱可提高系統(tǒng)的整體綜合能源利用率。與傳統(tǒng)管板式換熱器相比具有換熱效率高、體積小、重量輕、煙氣阻力小、不易產(chǎn)生低溫腐蝕、可在線更換、投運(yùn)率高等優(yōu)點(diǎn)。如果天然氣中硫含量低，可進(jìn)一步降低換熱器排煙溫度。

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