燃驅(qū)離心式壓縮機(jī)組余熱利用研究

張 勇

（陜西省天然氣股份有限公司，西安 710016）

天然氣是一種高效、潔凈、環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源，在我國的使用率逐年提高，應(yīng)用領(lǐng)域涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活服務(wù)等方面，可以說天然氣的應(yīng)用改變了人們的生活，帶來許多便利。在天然氣的使用過程中，人們需要運用天然氣輸送設(shè)備，其中燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)在天然氣增壓站中使用較為廣泛。燃?xì)廨啓C(jī)不僅具有良好的熱力性能以及低污染低排放等特點，還具有啟動快、運行平穩(wěn)靈活、效率高、功率大、體積小等優(yōu)勢，因此燃?xì)廨啓C(jī)的使用已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。

燃?xì)廨啓C(jī)在使用時，可在短時間內(nèi)將初始溫度升到1 400℃，超高溫條件會產(chǎn)生大量的熱能[1]。然而，目前燃?xì)廨啓C(jī)的簡單循環(huán)熱效率并不高，一般只有20%～45%，小型、微型燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率更低，只有不到20%。經(jīng)簡單循環(huán)后，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣溫度一般為450～600℃，排氣溫度相對較高。燃?xì)廨啓C(jī)的此種運行方式既浪費了大量燃?xì)鉄崮?，又造成氮氧化物及碳化物等的超?biāo)排放，對環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和燃?xì)廨啓C(jī)未來的應(yīng)用與發(fā)展是極為不利的。

為了有效控制燃?xì)廨啓C(jī)余熱排放對環(huán)境造成的影響，為了推動燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)一步發(fā)展，提高燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱的利用率，降低能源消耗，加大科技投入，積極開發(fā)綠色產(chǎn)品，實現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)余熱的高效回收利用，是我國當(dāng)前燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的必由之路。

1 陜西省天然氣股份有限公司壓縮機(jī)組余熱利用現(xiàn)狀

陜西省天然氣股份有限公司作為陜西省唯一的天然氣長輸管道運營商，承擔(dān)著保證陜西省天然氣穩(wěn)定供應(yīng)及持續(xù)發(fā)展的重大責(zé)任，不僅要考慮公司的效益，還應(yīng)該考慮如何提高天然氣輸送管道設(shè)備的利用率，使整體項目可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前，陜西省天然氣股份有限公司正在不斷加快管輸設(shè)施建設(shè)，截至目前已經(jīng)建成長輸管網(wǎng)3 000 km，已建成投運壓氣站9座，其中有3座6（套）燃驅(qū)離心式壓縮機(jī)場站，燃驅(qū)離心式壓縮總裝機(jī)容量達(dá)42 MW。

陜西省天然氣股份有限公司使用的6套燃驅(qū)機(jī)組均為索拉T70燃機(jī)驅(qū)動陜鼓動力離心式壓縮機(jī)。上述離心式壓縮機(jī)具有以下特點：壓縮機(jī)的氣量大并且結(jié)構(gòu)相對簡單和緊湊，重量較輕，機(jī)組整體尺寸較小，使用時占地面積??；運轉(zhuǎn)平衡，操作可靠，運轉(zhuǎn)率高，摩擦件少，因此備件需用量少，維護(hù)費用及人員少；在化工流程中，離心式壓縮機(jī)對化工介質(zhì)可以做到絕對無油的壓縮處理；離心式壓縮機(jī)為一種回轉(zhuǎn)運動的機(jī)器，它適宜于工業(yè)汽輪機(jī)或燃汽輪機(jī)直接拖動。一般大型化工廠常用副產(chǎn)蒸汽驅(qū)動工業(yè)汽輪機(jī)作動力，這為熱能綜合利用提供了可能。在實際應(yīng)用中，索拉T70燃機(jī)驅(qū)動陜鼓動力離心式壓縮機(jī)組為天然氣增壓，該機(jī)組效率高達(dá)34.8%，在運行過程中燃?xì)獬鯗丶s為1 200℃，同時尾氣的排放溫度也可以維持在較低的溫度，約為500℃。此型號的燃機(jī)效率高，尾氣的排放溫度得到了控制，但是沒有從根本上解決對環(huán)境的污染及節(jié)能減排的問題。因此，為提高能源利用效率，減少因機(jī)組運行而造成的環(huán)境破壞，降低公司生產(chǎn)運營成本，促進(jìn)公司多元化發(fā)展，進(jìn)行燃?xì)廨啓C(jī)余熱利用是可持續(xù)發(fā)展的必由之路[2]。

2 余熱利用解決方案

為了解決當(dāng)前燃驅(qū)離心式壓縮機(jī)組運行中遇到的一系列問題，真正提高能源利用效率，在最大程度上減少因機(jī)組運行時進(jìn)行大量余熱排放而造成的環(huán)境破壞，降低并有效控制公司生產(chǎn)運營成本，最終促進(jìn)公司朝著多元化方向發(fā)展。合理利用燃驅(qū)離心式壓縮機(jī)組產(chǎn)生的余熱，不僅可以減少因余熱排放造成的環(huán)境污染，實現(xiàn)節(jié)能減排和綠色生產(chǎn)，還可以提高公司的經(jīng)濟(jì)效益。本文提出了兩種有效利用燃驅(qū)離心式壓縮機(jī)組所產(chǎn)生余熱的方式，具體方案如下。

2.1 余熱鍋爐換熱，降低場站能源消耗

目前，陜西省天然氣股份有限公司的燃驅(qū)離心式壓縮機(jī)組，運行時間主要集中在每年的11月中旬至次年的3月中下旬，長達(dá)4個月。運行期間，正值冬季氣溫最低時段，這時也是場站能源消耗最大的時期（見圖1），如場站生活區(qū)供暖、設(shè)備防凍保溫、機(jī)組油箱及燃料氣加熱、備用機(jī)組的暖機(jī)，上述情況均需要消耗大量熱能。而壓縮機(jī)組在運行過程中會產(chǎn)生大量的余熱排放，溫度可高達(dá)500℃，如果可以對壓縮機(jī)產(chǎn)生的余熱進(jìn)行再利用，不僅可以節(jié)約成本還可以給公司帶來額外的經(jīng)濟(jì)效益。具體方案如圖1所示，首先利用擋板對燃?xì)廨啓C(jī)煙道進(jìn)行改造，將部分熱量通過余熱鍋爐進(jìn)行轉(zhuǎn)化回收，剩余部分通過擋板調(diào)整，通過另一側(cè)直接排放，通過鍋爐來向場站提供暖氣、熱水，向生產(chǎn)設(shè)備提供保溫。這樣不僅可以降低公司生產(chǎn)運營成本，提高設(shè)備可靠性，而且在條件允許的情況下還可以給附近城鎮(zhèn)及周邊居民進(jìn)行供暖，提高經(jīng)濟(jì)效益。

表1 志丹壓氣站2016年11月至2017年3月能源消耗記錄

圖1 余熱鍋爐換熱流程

2.2 聯(lián)合循環(huán)（朗肯循環(huán)）

朗肯循環(huán)是指以水蒸氣作為工質(zhì)的一種理想循環(huán)過程，主要包括等熵壓縮、等壓加熱、等熵膨脹和一個等壓冷凝過程，目前廣泛應(yīng)用于余熱回收利用領(lǐng)域。通過燃?xì)廨啓C(jī)煙道排氣對鍋爐進(jìn)行加熱，產(chǎn)生過熱蒸汽，推動汽輪機(jī)做功發(fā)電，其產(chǎn)生的電量，一是可以作為自用消耗，二是可以作為附近企業(yè)及城鎮(zhèn)的動力電源，三是可以并網(wǎng)外售。朗肯循環(huán)目前在國內(nèi)余熱發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用較為成熟，在水泥、冶金、鋼鐵等行業(yè)應(yīng)用較為廣泛，為我國節(jié)能減排事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。朗肯循環(huán)在國內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)走向與卡琳娜動力循環(huán)的聯(lián)合應(yīng)用，實現(xiàn)了在不同煙溫的優(yōu)勢互補。

總之，能源的合理利用關(guān)系到經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，提高能源利用效率，減少環(huán)境污染，建設(shè)資源節(jié)約型社會和生態(tài)保護(hù)型社會已成大勢所趨。鑒于能源供需緊張，燃?xì)廨啓C(jī)大量余熱直接排放造成能源的巨大浪費，大力發(fā)展燃機(jī)余熱利用不僅有助于環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約，也有助于降低企業(yè)運行成本，提升經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

余熱鍋爐燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組的組合適用于回收和利用大中型燃?xì)廨啓C(jī)的余熱，熱效率高；朗肯循環(huán)在國內(nèi)的應(yīng)用已經(jīng)走向與卡琳娜動力循環(huán)的聯(lián)合應(yīng)用，實現(xiàn)了在不同煙溫的優(yōu)勢互補。本文提供了兩種有效解決壓縮機(jī)余熱利用的方式，大大降低了余熱排放對環(huán)境造成的污染，也最大程度地降低了能耗損失，提高了企業(yè)效益。

1 徐鐵軍，張偉偉，吳中林.輸氣管道壓氣站余熱利用[J].油氣儲運，2012，31（12）：887-890.

2 王鳳君，高新宇，張志偉.9FB燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐脫硝裝置的研究[J].發(fā)電設(shè)備，2013，27（1）：51-54.