天然氣管道壓縮機(jī)余熱利用設(shè)計(jì)淺析

邢通 宋江濤 張繼承 楊帥

（1.中國石油工程建設(shè)有限公司；2.中國石油集團(tuán)工程股份有限公司）

0 引言

管道天然氣的傳輸動(dòng)力設(shè)備主要采用燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體為工質(zhì)帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動(dòng)力機(jī)械。其主要組成部分包括壓氣機(jī)、燃燒室、高低壓透平、軸流空壓機(jī)等。空氣經(jīng)過濾并干燥后吸入壓氣機(jī)，經(jīng)過多級(jí)葉輪增壓后進(jìn)入燃燒室與燃料混合燃燒；燃燒產(chǎn)生的高溫高壓氣體先進(jìn)入高壓渦輪膨脹做功，再進(jìn)入低壓渦輪帶動(dòng)負(fù)載壓縮機(jī)，然后由煙道排入大氣。如果能夠合理的回收利用煙氣熱量，不僅提高站場綜合熱效率，還可以減少污染，降低能耗。

1 余熱回收原理

燃?xì)廨啓C(jī)有兩個(gè)重要指標(biāo)：CO2排放量和ISO熱效率。根據(jù)壓氣站上燃?xì)廨啓C(jī)的使用經(jīng)驗(yàn)，燃?xì)鉁u輪裝置燃燒室中燃燒產(chǎn)生的熱能，不能完全有效地作用于壓氣機(jī)軸桿產(chǎn)生動(dòng)力，其中很大一部分熱能損失掉了，特別是從渦輪中排出的400～500 ℃燃燒產(chǎn)物的余熱。燃?xì)廨啓C(jī)ISO熱效率一般在35%以下，熱效率較低。合理充分利用余熱是壓縮機(jī)組設(shè)計(jì)階段和運(yùn)行階段的重要任務(wù)。有計(jì)算結(jié)果表明，未來燃?xì)廨啓C(jī)燃料利用效率可達(dá)80%，其中34%～36%直接作用于壓氣機(jī)轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生動(dòng)力，其他為排氣余熱的合理利用。理論可回收單位熱量［1］用下式表示：

式中：q——理論可回收單位熱量，kJ/（kW·s）；G——燃?xì)鉁u輪裝置排氣量，kg/s；Cpm——排氣定壓熱容，kJ/（kg·K）；twaste——排氣進(jìn)入余熱裝置前溫度，℃；toff——排氣進(jìn)入余熱裝置后溫度，℃；Ne——燃?xì)鉁u輪裝置額定功率，kW。

實(shí)際可回收熱量的多少取決于燃?xì)鉁u輪裝置型號(hào)與結(jié)構(gòu)、功率與工況、周圍環(huán)境溫度、熱能再利用裝置的結(jié)構(gòu)與類型等，可用公式表示為：

式中：Qp——實(shí)際可回收熱量，kJ/（kW·s）；koff——燃?xì)鉁u輪裝置余熱回收系數(shù)；kamb——周圍空氣溫度影響系數(shù)；kload——燃?xì)鉁u輪裝置負(fù)荷影響系數(shù)。

以索拉大力神130燃?xì)廨啓C(jī)為例，燃機(jī)額定功率14.8 MW，排氣量180 kg/s。煙氣自485 ℃降溫至200 ℃，煙氣密度取1.295 kg/m3，全過程平均體積定壓熱容1.403 kJ/（kg·K）。根據(jù)公式（1），理論上可回收的熱量為6.3 kJ/（kW·s）。

索拉燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)見表1［2］。

表1 索拉燃?xì)廨啓C(jī)性能參數(shù)

2 余熱利用

目前燃?xì)廨啓C(jī)余熱利用技術(shù)主要應(yīng)用在以下九個(gè)方面：燃料氣預(yù)熱、燃機(jī)入口制冷、余熱鍋爐、蒸汽—燃?xì)饴?lián)合循環(huán)、燃?xì)廨啓C(jī)回?zé)嵫h(huán)、有機(jī)朗肯循環(huán)、熱能存儲(chǔ)、熱電利用及綜合利用。

燃料氣預(yù)熱是通過換熱器將高溫?zé)煔獾臒崃炕厥占訜崛剂蠚?。寒冷地區(qū)環(huán)境溫度偏低，容易造成燃料氣中有水或液態(tài)烴析出，將對(duì)燃?xì)馔钙郊皦嚎s機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重影響［3］。燃料氣以較高的溫度進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)更容易點(diǎn)燃，燃料氣預(yù)熱會(huì)極大地提高燃?xì)廨啓C(jī)效率，減少燃?xì)庀牧俊?/p>

燃機(jī)入口制冷是利用換熱器吸收煙氣余熱并將其傳輸?shù)轿帐街评錂C(jī)，通過吸收式制冷機(jī)的內(nèi)部轉(zhuǎn)換，二元溶液蒸發(fā)來制冷，降低進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)介質(zhì)的溫度。此應(yīng)用主要考慮在冬夏季溫差較大的地區(qū)，大氣溫度升高時(shí)，壓氣機(jī)及機(jī)組增壓比降低，空氣質(zhì)量流量減少，機(jī)組有效功下降［4］。對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的吸入空氣進(jìn)行冷卻來增加燃?xì)廨啓C(jī)的出力，提高機(jī)組效率。

余熱鍋爐是燃?xì)廨啓C(jī)最簡單、最直接的余熱利用方式。燃?xì)廨啓C(jī)排放的高溫?zé)煔膺M(jìn)入余熱鍋爐，與余熱鍋爐中的水進(jìn)行換熱。

蒸汽—燃?xì)饴?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)由燃?xì)廨啓C(jī)和蒸汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)組成。燃?xì)廨啓C(jī)的廢熱煙氣進(jìn)入余熱鍋爐產(chǎn)生高壓蒸汽，高壓蒸汽帶動(dòng)蒸汽渦輪驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，廢熱蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝后進(jìn)入下一步循環(huán)。聯(lián)合循環(huán)裝置啟動(dòng)快，技術(shù)相對(duì)成熟。由于壓氣站長時(shí)間不間斷運(yùn)行的方式，蒸汽—燃?xì)饴?lián)合循環(huán)的應(yīng)用可提供穩(wěn)定的電力，提高余熱利用效率［5］。

燃?xì)廨啓C(jī)的回?zé)嵫h(huán)是在壓縮空氣進(jìn)入燃燒室同燃料氣混合前，利用余熱提高燃機(jī)效率的方案。阿意輸氣管道（阿爾及利亞到意大利）對(duì)Messina壓氣站的燃?xì)廨啓C(jī)組進(jìn)行改造，采用回?zé)崧?lián)合循環(huán)系統(tǒng)后，每臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)的綜合熱效率由原來的36.5%上升到47.5%［6］。但是該方法需對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的內(nèi)部管路進(jìn)行改造，對(duì)于不穩(wěn)定工況有一定風(fēng)險(xiǎn)。

有機(jī)朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle, ORC）是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)，廣泛應(yīng)用于低溫余熱回收領(lǐng)域。目前國際上ORC技術(shù)大多數(shù)基于以色列Ormat公司的技術(shù)［7］。此外，意大利Turboden公司、美國GE公司和德國GMK公司的ORC余熱利用技術(shù)也較為成熟，部分可提供成套的系統(tǒng)設(shè)備。

熱能存儲(chǔ)實(shí)際上是通過一定的媒介，將暫時(shí)空余的能量以熱的形式存儲(chǔ)起來。這項(xiàng)技術(shù)能有效處理熱能供求不匹配的問題，提高能源利用率［8］。

熱電利用是根據(jù)熱電效應(yīng)，利用煙氣熱能驅(qū)動(dòng)熱電發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。提高熱電設(shè)備的溫度上限和整體效率是該項(xiàng)技術(shù)的研究重點(diǎn)。具體的設(shè)計(jì)方案要根據(jù)煙氣余熱的能量，進(jìn)行多組熱電發(fā)電機(jī)串行或并行配置，以獲得不同等級(jí)的電力。

余熱綜合利用相對(duì)比較靈活廣泛，主要是為具備余熱利用條件的工業(yè)生產(chǎn)或民用提供熱源。如農(nóng)產(chǎn)品干燥、石膏板生產(chǎn)煅燒、溫室供暖、鑄造廠的燃料氣源等均可考慮利用燃?xì)廨啓C(jī)的余熱。

3 對(duì)比分析

針對(duì)九種余熱回收技術(shù)的應(yīng)用，在規(guī)模、余熱利用失效對(duì)站場影響、負(fù)荷變化對(duì)余熱設(shè)備影響、維護(hù)程度及投資回報(bào)幾方面進(jìn)行分析。余熱回收技術(shù)應(yīng)用對(duì)比見表2。

表2 余熱回收技術(shù)應(yīng)用對(duì)比

由表2可以看出，燃料氣預(yù)熱、燃機(jī)入口制冷、熱能存儲(chǔ)、熱電利用以及綜合利用等適用于小規(guī)模的余熱回收利用，部分應(yīng)用只需對(duì)現(xiàn)有管路進(jìn)行升級(jí)改造，不需要大量的前期投資。這些余熱利用方案適合我國各省市支線管網(wǎng)及小型的壓氣站場。

余熱利用失效對(duì)站場的影響程度主要是指余熱回收裝置失效是否會(huì)對(duì)站場的運(yùn)行造成影響。站場的運(yùn)行主要是壓縮機(jī)的運(yùn)行。燃料氣預(yù)熱、燃機(jī)入口制冷、回?zé)嵫h(huán)等三種余熱利用需要與壓縮機(jī)內(nèi)部工藝流程密切配合。余熱利用失效對(duì)壓縮機(jī)產(chǎn)生一定影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成全廠停車。因此這些應(yīng)用需要聯(lián)合壓縮機(jī)供貨商制定合理、適用的控制方案，并編制嚴(yán)格的運(yùn)營操作規(guī)程，對(duì)操作人員的技術(shù)水平要求也較高。

負(fù)荷變化對(duì)余熱設(shè)備的影響是指管道內(nèi)的輸氣量隨溫度、壓力的不同呈現(xiàn)季節(jié)性變化，同時(shí)壓縮機(jī)也會(huì)根據(jù)負(fù)荷分配的情況不斷調(diào)整運(yùn)營狀況，可能會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)熱過量或不足的情況。余熱鍋爐供暖、蒸汽—燃?xì)饴?lián)合循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)、有機(jī)朗肯循環(huán)和熱電利用等設(shè)備，均需要穩(wěn)定的熱能來源，余熱的過?；虿蛔銜?huì)影響余熱設(shè)備，增加負(fù)荷波動(dòng)對(duì)下游熱能利用和設(shè)備維修的風(fēng)險(xiǎn)。因此，有些設(shè)備可以考慮備用熱源，如燃料氣預(yù)熱，可以在燃料氣入口增設(shè)熱水換熱器來減小余熱波動(dòng)的影響。

維護(hù)程度首先取決于余熱利用規(guī)模，其次取決于市場的成熟程度。規(guī)模較大的余熱回收利用方案往往包含高額的維護(hù)費(fèi)用。進(jìn)口壓縮機(jī)占我國的壓縮機(jī)市場很大額度，由于進(jìn)口設(shè)備制造商的技術(shù)壟斷，管道壓氣站通常又地處偏遠(yuǎn)地區(qū)，國外公司現(xiàn)場維護(hù)人員的人工成本很高，維護(hù)費(fèi)用極高。因此，涉及壓縮機(jī)本體的升級(jí)改造需要充分考慮維護(hù)費(fèi)用。目前我國的鍋爐生產(chǎn)廠商技術(shù)較為成熟，在西氣東輸以及中亞天然氣管道中已有部分余熱鍋爐余熱回收的技術(shù)應(yīng)用，維護(hù)費(fèi)用較低。

從投資回報(bào)的角度考慮，小規(guī)模的余熱利用產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)回報(bào)較好，尤其是熱能存儲(chǔ)，建成后會(huì)帶來持續(xù)的經(jīng)濟(jì)收入。蒸汽—燃?xì)饴?lián)合循環(huán)、余熱鍋爐供暖等大規(guī)模余熱應(yīng)用由于投資較大，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮經(jīng)濟(jì)上的可行性。投資回報(bào)既要考慮余熱利用節(jié)約的熱能，又要考慮投資成本。例如目前中壓氣管道上通常采用1.4 MW余熱鍋爐供暖，全部投資每臺(tái)約100×104元。如果采用燃?xì)忮仩t供暖則投資大大降低，但卻消耗了天然氣。所以，燃?xì)忮仩t的使用年限及運(yùn)行成本與余熱利用、余熱發(fā)電等投資成本，均應(yīng)綜合核算，選擇合理可行的投資回報(bào)方案。

4 結(jié)束語

結(jié)合我國目前天然氣管網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，輸氣干線尤其是西部地區(qū)的輸氣干線，由于氣溫季節(jié)性變化大，電力網(wǎng)的相對(duì)匱乏，應(yīng)大力推廣余熱鍋爐供暖、蒸汽—燃?xì)饴?lián)合循環(huán)、有機(jī)朗肯循環(huán)應(yīng)用。東部地區(qū)應(yīng)大力推廣熱能存儲(chǔ)、熱電利用和綜合利用。寒冷的北部地區(qū)，要著重考慮燃料氣預(yù)熱、余熱鍋爐供暖等。

全國范圍內(nèi)應(yīng)積極推廣熱能存儲(chǔ)和余熱綜合利用，優(yōu)化企業(yè)成本結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本，獲得較高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

除了上述九種余熱利用技術(shù)方案，壓縮機(jī)的余熱利用還包括改進(jìn)火炬燃燒效率、工藝氣干燥、二氧化碳朗肯循環(huán)等。在新的天然氣管道項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，業(yè)主方要采取積極的節(jié)能措施，設(shè)計(jì)方要結(jié)合壓縮機(jī)供貨商，有針對(duì)性地提出合理有效的余熱利用方案。