天然氣壓縮機(jī)組煙道廢氣余熱利用技術(shù)探討

楊玉林 張建華 尚用蘭 尚麗 楊振峰

摘要：靖邊氣田在開發(fā)開采過程中地層壓力逐年下降，區(qū)域增壓已成為氣田主要的增產(chǎn)手段之一。壓縮機(jī)組成為了集氣站增壓生產(chǎn)的核心設(shè)備，然而天然氣壓縮機(jī)組在運(yùn)行過程中煙道排放的高溫廢氣造成大量的熱能浪費(fèi)和空氣污染，本文立足實(shí)際，本著節(jié)約能耗、環(huán)保減排的目的，提出將天然氣壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱能進(jìn)行回收利用，并采用大量數(shù)據(jù)及計(jì)算證明其可行性，為氣田節(jié)能降耗提供了新思路。

關(guān)鍵詞：壓縮機(jī)組；煙道廢氣；余熱；利用；節(jié)能減排

一、生產(chǎn)現(xiàn)狀

靖邊氣田隨著開發(fā)年限的增加，氣田地層壓力不斷下降，已逐步進(jìn)入增壓開采階段，目前靖邊氣田在用天然氣壓縮機(jī)組已達(dá)到40臺(tái)。天然氣壓縮機(jī)組運(yùn)行過程中，由于天然氣體積壓縮，壓縮機(jī)組出口氣溫度較高，中15站壓縮機(jī)出口氣溫度在20-50℃之間，嚴(yán)重影響該站天然氣脫水效果，導(dǎo)致外輸露點(diǎn)不合格，壓縮機(jī)動(dòng)力缸正常運(yùn)行過程中，排煙溫度在380℃左右，造成大量熱能浪費(fèi)和大氣污染，熱能回收利用存在較大潛力。

二、改造方案設(shè)計(jì)

煙氣余熱回收利用技術(shù)設(shè)計(jì)方案是將壓縮機(jī)動(dòng)力缸與消音器之間的排氣管線上安裝熱交換器。排氣溫度的底限是尾氣的露點(diǎn)，如果低于露點(diǎn)溫度，煙氣中含有的二氧化硫等氣體會(huì)形成硫酸，造成腐蝕，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度一般不得低于120-150℃[1]。因此設(shè)計(jì)將煙氣溫度由初期的380℃降低到150℃所釋放的能量進(jìn)行回收利用。

因燃燒的是經(jīng)過站內(nèi)分離、脫水后的天然氣，氣體組分相對(duì)較純凈，因此方案中只考慮熱量換熱回收，不考慮因粉塵、雜質(zhì)等造成的煙道結(jié)垢使熱傳導(dǎo)系數(shù)改變引起的后續(xù)問題。

（一）壓縮機(jī)組煙氣可回收利用的熱量。中15站壓縮機(jī)自用氣消耗120方/小時(shí)，陜京天然氣的熱值一般在36Mj[2]，即每小時(shí)天然氣燃燒產(chǎn)生熱能4320Mj，其中約10%在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中以熱量散失行駛損失掉。

根據(jù)中15站壓縮機(jī)組目前運(yùn)行參數(shù)計(jì)算得出目前運(yùn)行功率為設(shè)備額定功率的80%，得出目前中15站壓縮機(jī)組燃?xì)鉄崮苡?362.24Mj轉(zhuǎn)化為壓縮機(jī)動(dòng)能，根據(jù)能量守恒定律得出壓縮機(jī)組每小時(shí)產(chǎn)生的煙氣攜帶的總熱量為2525.76Mj。

設(shè)計(jì)將排出的煙氣從380℃經(jīng)過余熱回收降低到150℃，考慮到換熱器的熱能回收率受其他因素影響，實(shí)際回收率只有60%-85%，此時(shí)按照60%進(jìn)行計(jì)算，該壓縮機(jī)組每小時(shí)可回收熱量為1515.456Mj，即420.96Kw·h。

（二）中15站供暖、制冷需消耗熱量

1、提供室內(nèi)取暖及氣井節(jié)流前加熱。從生活區(qū)散熱器回來的采暖循環(huán)水、設(shè)備區(qū)加熱爐回來的氣井加熱循環(huán)水，經(jīng)過除污器、循環(huán)泵后，進(jìn)入煙氣換熱器中，吸收煙氣中的余熱后再進(jìn)入生活區(qū)散熱片及設(shè)備區(qū)加熱爐。

中15站冬季采暖爐運(yùn)行過程中出水溫度65℃，回水溫度30℃，室內(nèi)采暖用水量約3m3，約3小時(shí)循環(huán)一次。計(jì)算得出中15站室內(nèi)采暖每小時(shí)需熱量147Mj。目前中15站建設(shè)有3臺(tái)水套加熱爐，經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算得每臺(tái)加熱爐每小時(shí)燃燒天然氣34.16方，提供熱量為1229.76Mj。

2、提供生活熱水。生活水經(jīng)過給水泵進(jìn)入煙氣換熱器，經(jīng)過與煙氣熱交換后，吸收煙氣熱量，產(chǎn)生90℃熱水，直接與洗浴供水泵相連，通過洗浴間龍頭調(diào)節(jié)冷、熱水比例，控制水溫。

中15站熱水需求量最大時(shí)為0.5m3/h，生活用水的進(jìn)水溫度為10℃，出水溫度為90℃，計(jì)算每小時(shí)所需最大熱量值為168Mj。

3、提供壓縮機(jī)出口天然氣降溫。設(shè)計(jì)方案采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)原理為壓縮機(jī)出口天然氣制冷降溫，煙氣余熱將水加熱產(chǎn)生蒸汽，以蒸汽作為制冷機(jī)的熱能，在發(fā)生器中將溴化鋰溶液濃縮的同時(shí)，將溴化鋰溶液中的水蒸發(fā)成水蒸氣；水蒸氣先在冷凝器中凝結(jié)成水，再在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，在蒸發(fā)過程中吸收大量的熱能，使制冷水變冷，變冷的制冷水經(jīng)過壓縮機(jī)出口管先與天然氣換熱，實(shí)現(xiàn)天然氣制冷。蒸發(fā)器內(nèi)的低壓蒸汽由吸收器中的溴化鋰溶液吸收，使溶液變稀，如此循環(huán)達(dá)到連續(xù)制冷的目的。

夏季壓縮機(jī)組出口天然氣溫度約50℃，將其降溫至20℃，可以滿足脫水橇正常脫水及外輸露點(diǎn)合格，由于天然氣在系統(tǒng)壓力（5.00Mpa）的定壓比熱容為1.603Kj/（Kg·℃） [3]，壓縮系數(shù)為1.0632，中15站外輸瞬時(shí)流量約為55萬方/天。因此在換熱過程中壓縮機(jī)組出口天然氣釋放的熱量為840.6Mj。溴化鋰吸收式制冷機(jī)熱量損失不大于30%的情況下，需要從壓縮機(jī)組煙氣中利用的熱量為1200.86Mj。

綜上所述，冬季運(yùn)行過程中中15站壓縮機(jī)組煙氣余熱可同時(shí)滿足站內(nèi)供暖及一臺(tái)加熱爐運(yùn)行并提供站內(nèi)生活熱水。夏季運(yùn)行過程中能有效提供站內(nèi)生活熱水并提供溴化鋰吸收式制冷機(jī)降低壓縮機(jī)出口天然氣溫度，提高脫水效果，保證了外輸氣露點(diǎn)的合格。

三、壓縮機(jī)組煙氣余熱回收利用技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

（一）壓縮機(jī)煙氣余熱回收資產(chǎn)投入

壓縮機(jī)煙氣余熱回收主要用于生活熱水、氣井加熱、室內(nèi)供暖、壓縮機(jī)組出口天然氣降溫等4方面，通過對(duì)設(shè)備及材料的優(yōu)選，測(cè)算出整體式壓縮機(jī)余熱回收系統(tǒng)所需主要設(shè)備及價(jià)格，其中供水泵、水箱、補(bǔ)水泵、循環(huán)泵站內(nèi)已有，無需再購(gòu)買，計(jì)算得出總投入為104.58萬元。

（二）壓縮機(jī)組煙氣余熱回收效益

1、節(jié)約加熱爐、采暖爐燃燒所消耗天然氣量。中15集氣站加熱爐及采暖爐使用時(shí)間段為每年的10月中旬至次年的3月中旬，1臺(tái)加熱爐及1臺(tái)采暖爐的天然氣年消耗量約為4.37×104m3，天然氣價(jià)格按2.3元/m3計(jì)算（西安市非居民類燃?xì)鈨r(jià)格），則每年費(fèi)用為10.05萬元，改造后2臺(tái)設(shè)備可留存?zhèn)溆谩?/p>

2、解決生活持續(xù)熱水供應(yīng)問題。站內(nèi)熱水器功率為2KW，按照每天運(yùn)行5小時(shí)計(jì)算，一天耗電量為10KW·h，電費(fèi)價(jià)格按元0.99/KW·h計(jì)算，則每年費(fèi)用為0.36萬元。

3、解決夏季壓縮機(jī)出口天然氣溫度高問題。由于壓縮機(jī)出口天然氣溫度高，導(dǎo)致脫水橇脫水效果差，天然氣露點(diǎn)降不符合要求，外輸天然氣露點(diǎn)高，不滿足外輸氣質(zhì)要求。若實(shí)施此項(xiàng)改造能夠有效降低出口天然氣溫度，確保夏季運(yùn)行過程中集氣站外輸露點(diǎn)合格率。

（三）節(jié)能減排。使用天然氣壓縮機(jī)組煙氣余熱回收技術(shù)是通過將煙氣中的熱量傳遞給換熱器中的水通過各種途徑利用到站場(chǎng)各個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)廢氣的二次利用，取代了其他外部天然氣設(shè)備提供供暖、控制溫度的方法，節(jié)約了供暖和生活熱水所使用的資源消耗，減少了因廢氣排放造成的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的目的。

從安全角度考慮，使用煙氣余熱回收利用技術(shù)可以省去場(chǎng)站3臺(tái)加熱爐、1臺(tái)采暖爐，消除了場(chǎng)站內(nèi)的明火源，生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)降低。

四、結(jié)論

1、煙氣余熱回收利用可以提供生活熱水、供暖和氣井加熱，節(jié)省了加熱爐、采暖爐供熱所消耗的天然氣，生活熱水所消耗的電能。

2、煙氣余熱回收利用可以提供壓縮機(jī)出口天然氣降溫，有效避免了夏季天然氣增壓后溫度過高，導(dǎo)致外輸露點(diǎn)不合格的現(xiàn)象。

3、煙氣余熱回收利用可將集氣站加熱爐停用，消除了站內(nèi)唯一的明火源，降低了安全隱患，同時(shí)降低了因加熱爐燃燒產(chǎn)生的粉塵和二氧化碳等物質(zhì)排放量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的。

4、煙氣余熱回收利用能有效降低壓縮機(jī)余熱的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)減排的目的。

參考文獻(xiàn)：

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