余熱制冷技術(shù)在天然氣輸氣站場應(yīng)用的可行性研究

張軒 王華青 向奕帆 吳海辰 張利勛 楊峰 丁昱 孫波浪

（1.中國石油管道科技研究中心油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油中亞天然氣管道有限公司；3.中國石油北京油氣調(diào)控中心）

余熱制冷技術(shù)在天然氣輸氣站場應(yīng)用的可行性研究

張軒1王華青2向奕帆2吳海辰3張利勛2楊峰2丁昱2孫波浪2

（1.中國石油管道科技研究中心油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油中亞天然氣管道有限公司；3.中國石油北京油氣調(diào)控中心）

以中亞天然氣管道輸氣站場為例，針對(duì)站場夏季溫度高導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組出力下降的問題，提出了一種余熱制冷解決方案，即通過余熱制冷系統(tǒng)冷凝器后節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)對(duì)冷劑流量的控制，同時(shí)將準(zhǔn)備進(jìn)入燃機(jī)系統(tǒng)空壓機(jī)的空氣直接作為冷媒進(jìn)行降溫。另外，還建立模型論證了不同降溫幅度下余熱制冷的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。研究結(jié)果表明，本方法利用燃?xì)廨啓C(jī)余熱廢氣達(dá)到制冷目的，節(jié)能環(huán)保；同時(shí)，相比于傳統(tǒng)以水作為冷媒的制冷方案，提出的方案能夠較快響應(yīng)控制信號(hào)，獲得較寬的溫度調(diào)節(jié)范圍，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

輸氣管道；燃驅(qū)壓縮機(jī)；余熱制冷；節(jié)能

燃?xì)廨啓C(jī)性能與其所處的環(huán)境溫度密切相關(guān)，當(dāng)溫度上升時(shí)，空氣的密度相對(duì)較小，由于燃?xì)廨啓C(jī)是定容式機(jī)械，從而導(dǎo)致流過壓氣機(jī)和透平的質(zhì)量流量減少，引起燃?xì)廨啓C(jī)的出力下降；同時(shí)，機(jī)組內(nèi)的壓氣機(jī)的耗功也在增大，將進(jìn)一步降低機(jī)組效率[1]。

目前，在天然氣管道輸送行業(yè)中，選取燃?xì)廨啓C(jī)作為大型壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備已十分廣泛，降低燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣溫度顯得十分必要[2-3]?；诖?，以中亞某天然氣輸氣站為例，研究并分析了余熱制冷技術(shù)在輸氣站場應(yīng)用的可行性。

1 余熱制冷技術(shù)方案

1.1吸收式制冷原理

吸收式制冷是一種技術(shù)成熟、自動(dòng)化程度較高的余熱制冷技術(shù)。因?yàn)槠渚哂谢顒?dòng)部件少、冷量調(diào)節(jié)范圍廣、環(huán)境性能好等優(yōu)點(diǎn),目前應(yīng)用較廣泛。它包含蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器等設(shè)備[4]（圖1）。

1.2典型的進(jìn)氣冷卻配置方案

圖2是一種典型的溴化鋰進(jìn)氣冷卻配置方案[5]，整個(gè)系統(tǒng)由制冷機(jī)組、驅(qū)動(dòng)熱源、進(jìn)氣冷卻器、冷卻塔、配套的泵組（冷水泵、凝水泵、冷卻水泵）及管道組成。其工作原理是利用站內(nèi)排放的多余高溫?zé)煔?，將溴化鋰溶液的水分蒸發(fā)，冷劑蒸汽經(jīng)過冷卻水冷卻后再進(jìn)行真空蒸發(fā)，對(duì)冷媒水進(jìn)行降溫，最后經(jīng)過降溫的冷媒水通過安裝在燃?xì)膺M(jìn)氣風(fēng)道的表冷器對(duì)燃機(jī)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻降溫。

然而，由于采用冷媒水為燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣降溫，經(jīng)過一次熱傳導(dǎo)后，系統(tǒng)效率必然降低，針對(duì)同樣的進(jìn)氣降溫需求來講，這種方式的制冷量要求更多，造成不必要的成本增加；采用溴化鋰制冷方案，一般得到的冷媒水溫度在7℃左右，用其對(duì)進(jìn)氣進(jìn)行冷卻降溫所能得到冷卻后的空氣溫度范圍較窄，且響應(yīng)較慢，不易控制。

圖1 吸收式制冷原理

1.3改進(jìn)后的進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)

針對(duì)上一種進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，作出如下改進(jìn)：首先選用氨水吸收式制冷系統(tǒng)替換溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)，然后將燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)氣直接作為冷媒接收蒸發(fā)器中冷劑蒸發(fā)所帶來的制冷量，由于氨水余熱制冷系統(tǒng)能夠在零度以下工作，且燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣與冷劑直接進(jìn)行熱交換，改進(jìn)后的進(jìn)氣冷卻系統(tǒng)可以將進(jìn)氣溫度降到較低的溫度；另外，與溴化鋰制冷相比，氨水吸收式制冷系統(tǒng)還具有密封要求性低、工質(zhì)價(jià)格低廉、可采用風(fēng)冷、便于節(jié)水等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 典型的氨水進(jìn)氣冷卻配置方案

圖3 改進(jìn)的溴化鋰進(jìn)氣冷卻配置方案

改進(jìn)后的余熱制冷系統(tǒng)工作原理如圖3所示。將蒸發(fā)器安裝在燃機(jī)進(jìn)氣濾芯后，通過采集蒸發(fā)器后燃機(jī)進(jìn)氣管道內(nèi)的溫度、濕度等參數(shù)，控制節(jié)流閥開度，一方面調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫度，另一方面保證空氣中的水蒸氣不會(huì)凝結(jié)進(jìn)入到機(jī)組空壓機(jī)內(nèi)。

2 進(jìn)氣溫度對(duì)燃機(jī)效率的影響

由于燃機(jī)的熱耗率與進(jìn)氣溫度有關(guān)，不同進(jìn)氣溫度下的燃料氣消耗量存在差異，針對(duì)這一情況，選取中亞天然氣管道公司某輸氣站場，分別于夏季與冬季不同環(huán)境溫度下測試燃驅(qū)壓縮機(jī)組的運(yùn)行情況，測試結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，在冬季隨著環(huán)境溫度的降低，燃驅(qū)壓縮機(jī)組在出力相同的情況下，燃料氣消耗量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。其中，單位體積燃料氣做功量隨環(huán)境溫度變化的關(guān)系如圖4所示。對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)采用最小二乘法進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得出單位體積燃料氣做功量與環(huán)境溫度的關(guān)系為

Hp=0.00008-0.00751T0+3.20720 （1）

式中：Hp——單位體積燃料氣做功量，kWh/m3（0℃，101.325 kPa）；

T0——環(huán)境溫度，℃。

表1 冬夏季測試情況對(duì)比

3 余熱制冷經(jīng)濟(jì)性研究

3.1投資估算

以中亞某輸氣燃驅(qū)壓縮機(jī)組為例，該機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)空氣進(jìn)氣量為82.51 kg/s，空氣定容比熱容為0.717 kJ/（kg·K）。一般余熱制冷機(jī)組的建設(shè)成本為0.224萬元/kW。假設(shè)夏季平均氣溫35℃，采用不同制冷量下余熱制冷投資估算如表2所示。

圖4 單位體積燃料氣做功量隨環(huán)境溫度變化關(guān)系

3.2經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

余熱制冷系統(tǒng)耗電量一般為壓縮制冷系統(tǒng)的10%左右，取壓縮制冷系統(tǒng)制冷系數(shù)為2.0，電價(jià)取0.8元/kWh，夏季運(yùn)行時(shí)間取90 d，則采用不同制冷量下余熱制冷運(yùn)行成本估算如表3所示。

以中亞某輸氣燃驅(qū)壓縮機(jī)組為例，該機(jī)組輸氣量為45×104m3/d，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力為7.0 MPa，出口壓力為10.0 MPa，壓縮機(jī)多變效率取0.85，燃機(jī)效率取0.30，則該機(jī)組能耗如表4所示。

根據(jù)式（1）求得不同進(jìn)氣溫度下單位體積燃料氣做功量，燃料氣單價(jià)取1.6元/m3，則不同制冷量下余熱利用系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益估算如表5所示。

從表5可以看出，隨著余熱制冷后進(jìn)氣溫度的降低，單位體積燃料氣做功能力提升，經(jīng)濟(jì)效益逐漸升高。當(dāng)進(jìn)氣溫度降低到1℃時(shí)，夏季采用余熱制冷技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到387.68萬元，節(jié)能效果非常可觀。在該條件下，余熱制冷系統(tǒng)的建設(shè)成本為451萬元，年運(yùn)營成本為15.6萬元，2年左右即可收回成本，具有較好的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

本文研究了余熱制冷原理，基于長輸管道輸氣站場，提出了一種新型的余熱制冷工藝，并分析了壓縮機(jī)組進(jìn)氣溫度對(duì)機(jī)組運(yùn)行效率的影響。通過分析得出，隨著進(jìn)氣溫度的降低，單位燃料氣做功能力提升，有助于節(jié)能降耗，故針對(duì)長輸天然氣管道站場采用余熱制冷技術(shù)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣降溫具有良好的應(yīng)用前景。

表2 不同制冷量下余熱制冷投資估算

表3 不同制冷量下余熱制冷運(yùn)營成本估算

表4 壓縮機(jī)能耗計(jì)算

表5 不同制冷量下余熱制冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益估算

[1]李孝堂.現(xiàn)代燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006：68-69.

[2]胡舜鋒.余熱制冷進(jìn)氣冷卻的回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)熱力系統(tǒng)的研究[D].北京：中國科學(xué)院研究生院，2007．

[3]徐鐵軍.天然氣管道壓縮機(jī)組及其在國內(nèi)的應(yīng)用與發(fā)展[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2011，30（5）：321-326.

[4]劉慶偉.低溫余熱型氨水吸收式制冷HGAX循環(huán)性能研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2012.

[5]徐鐵軍，張偉偉，吳中林.輸氣管道壓氣站余熱的利用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2012，31（12）：887-890．

10.3969/j.issn.2095-1493.2016.04.004

2015-10-31

（編輯 李發(fā)榮）

張軒，2013年畢業(yè)于華北電力大學(xué)（檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置專業(yè)），主要從事油氣管道輸送系統(tǒng)耗能設(shè)備節(jié)能監(jiān)測工作。E-mail：zhangxuan03@petrochina.com.cn，地址：河北省廊坊市金光道51號(hào)，065000。