壓氣站天然氣壓縮機(jī)組煙氣余熱利用

梁健 李明德 孫德靜 陳偉聰

摘 要：天然氣燃燒后所排出的煙氣中含有大量余熱，而壓縮機(jī)在運(yùn)行過程中也會(huì)排放出大量的高溫?zé)煔猓苯釉斐闪藷崮苜Y源的浪費(fèi)，而且還污染了大氣環(huán)境。如何有效利用天然氣壓縮機(jī)組煙氣余熱，是目前天然氣公司非常關(guān)注的話題和必須重視的問題?；诖耍疚尼槍簹庹咎烊粴鈮嚎s機(jī)組煙氣余熱利用展開了分析和研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：壓氣站;天然氣;壓縮機(jī);煙氣余熱利用

中圖分類號：X743 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-6903（2022）02-0096-03

0 引言

近年來，伴隨著我國城市化進(jìn)程的發(fā)展，人們對熱能的需求量越來越高，同時(shí)，國家又在大力倡導(dǎo)要降低環(huán)境污染，導(dǎo)致兩者之間的矛盾問題越來越嚴(yán)重。因此，人們?nèi)绾握_利用天然氣是目前非常關(guān)注的問題，而且已經(jīng)成為了有效解決城市環(huán)境問題的重要舉措。天然氣在燃燒以后所排放的煙氣中，含有非常多的水蒸氣，水蒸氣的冷凝替熱占天然氣發(fā)熱值的10%～11%，由此分析我們可以得知，如果將冷凝替熱進(jìn)行回收利用，那么是可以在一定程度上提高天然氣利用效率的。而將天然氣壓縮機(jī)的煙氣余熱充分利用起來，不但能降低能源消耗，還能在提高壓縮機(jī)工作效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境的作用。

1 案例分析

本文以陜西省天然氣公司XX壓氣站作為分析研究目標(biāo)，它是靖邊到西安長輸管線的加壓單位，每年冬天是運(yùn)行的高峰時(shí)期，此時(shí)是需要通過壓縮機(jī)組對長輸管線進(jìn)行加壓的，這樣做的目的是為了更好的保證下游用氣。就目前壓氣站所應(yīng)用的天然氣壓縮機(jī)來看，冬季壓縮機(jī)的運(yùn)行時(shí)間在120 d左右，一共有四臺壓縮機(jī)組，其中正常運(yùn)行的有三臺，留有一臺是備用。此壓氣站的位置處于陜北地區(qū)的嚴(yán)寒地帶，冬季室外溫度都在零下20 ℃左右，備用機(jī)組想要有效運(yùn)行，是需要在油水加熱器的保障下來運(yùn)行的，在此運(yùn)行的過程中，如果采用強(qiáng)制啟動(dòng)方式，是會(huì)引發(fā)冰堵情況的[1]。而回收利用的余熱可以用來對機(jī)組熱量的回收，也可以用在解決場站工業(yè)生產(chǎn)和生活所需的熱能。

2 壓氣站目前的供熱方式分析

2.1 生活用水和采暖

通過對XX壓氣站的分析發(fā)現(xiàn)，壓氣站的所有生活用水都是通過一臺0.12 MW天然氣來提供的，所供應(yīng)開水量在1 250 kg每小時(shí)，而天然氣耗量是在11.9立方米每小時(shí)，采暖也是通過一臺0.35 MW天然氣熱水鍋爐提供，面積3 000 m2，天然氣耗量35.2 m3/h?？偟膩碚f，兩臺鍋爐相加，每天都需要消耗將近300 m2的天然氣。

2.2 需要在XX壓氣站新增的采暖場所

從當(dāng)前XX壓氣站的現(xiàn)有設(shè)備來說，它的油料庫是需要安裝采暖設(shè)備的，因?yàn)橐坏蕉扉_始運(yùn)行的時(shí)候，油料庫的潤滑油粘度非常大，在這種情況下，就會(huì)導(dǎo)致加油機(jī)給壓縮機(jī)補(bǔ)充潤滑油的時(shí)候產(chǎn)生較大困難，當(dāng)然加油速度也會(huì)變得緩慢。此外，壓縮機(jī)房也沒有安裝采暖設(shè)備，所以到冬天壓縮機(jī)開始運(yùn)行時(shí)，由于運(yùn)行環(huán)境溫度較低，所以需要油水加熱器和高位油箱電伴熱系來輔助運(yùn)行，因?yàn)槟壳皦簹庹镜呐盼巯到y(tǒng)和調(diào)壓計(jì)量支路采用的都是電伴熱系統(tǒng)，為此可以通過加熱方式，降低冰堵和凍裂的情況發(fā)生。因此，需要對油料庫、壓縮機(jī)房等進(jìn)行改造，這時(shí)就需要新增采暖面積1 398 m2，但是目前采暖鍋爐的能力是無法滿足采暖設(shè)備伴熱需求的[2]。

2.3 改造后經(jīng)濟(jì)性分析

針對改造提出的相關(guān)措施，不但能有效地降低能源消耗，還能實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境的保護(hù)。此外，還能滿足現(xiàn)有區(qū)域和新增區(qū)域的熱水和采暖供應(yīng)問題。對于多余的熱水，還可以外輸給其他單位，例如，如果完成上述改造，不僅可以滿足現(xiàn)有的熱水和采暖供應(yīng)，熱水大概7 t/h左右，還可以將富裕的88.328 t/h熱水外輸給鄰近的某集團(tuán)和某寄宿制學(xué)校。以1 t熱水10元計(jì)算，每天外輸2 000 t熱水，一個(gè)采暖季（120 d）就可以出240萬元的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。同時(shí)還可以節(jié)約原有鍋爐使用的天然氣大約4萬m3[2]。此外，壓縮機(jī)組主要是利用煙氣余熱的回收技術(shù)來實(shí)現(xiàn)生活熱水、取暖需求，這不僅實(shí)現(xiàn)了廢舊煙氣的回收利用，還節(jié)約了能源消耗，真正實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)境保護(hù)的作用和目的，而且通過煙氣余熱回收技術(shù)的應(yīng)用，降低安全隱患問題的出現(xiàn)。

3 天然氣壓縮機(jī)組煙氣余熱回收利用技術(shù)分析

3.1 熱能直接利用方式

熱能直接利用的原理是：在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣煙道中，通過對煙氣換熱器的安裝并利用壓縮機(jī)排放的煙氣進(jìn)行加熱，然后通過熱交換對煙氣熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而實(shí)現(xiàn)直接利用的目的。

（1）加熱原油。通過煙氣余熱回收利用，可以將回收的煙氣余熱用于加熱原油，取代或者部分取代原有的加熱爐。（2）工業(yè)和生活的用熱。通過利用煙氣余熱回收裝置所產(chǎn)生的熱水和低壓蒸汽，是可以將其應(yīng)用在工業(yè)和生活用水方面的，其中蒸汽可以提高保溫、保暖效果;熱水可以為中控室、值班室、員工宿舍等提供保暖熱源。（3）其他直接應(yīng)用。有研究人員利用煙氣余熱回收裝置結(jié)合蒸餾水的方式進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果顯示此方案非?？尚校覒?yīng)用過程中還具有改造方便、費(fèi)用低和空間占用小等優(yōu)點(diǎn)。

3.2 余熱制冷

在余熱制冷技術(shù)中又包含以下幾種制冷方式：吸收式制冷、吸附式制冷、熱聲式制冷、噴射式制冷等，其中被廣泛應(yīng)用是前兩種制冷方式，即吸收和吸附式。

（1）制冷吸收方式。它是通過對吸收蒸發(fā)器的制冷劑在吸收器稀溶液的作用下，通過高溫加熱溶液，使制冷劑蒸發(fā)或者冷凝的循環(huán)制冷方式。此制冷方式最常用的工質(zhì)是水-溴化鋰，因?yàn)榇斯べ|(zhì)是不需要借助于壓縮機(jī)的，是可以直接利用煙氣余熱來實(shí)現(xiàn)制冷的方式，具有非常大的制冷系數(shù)，而且它還具有耗能少、噪音小等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然也有缺點(diǎn)，就是具有比較強(qiáng)的腐蝕性，對材料要求非常高。（2）制冷吸附方式。吸附式制冷的方式是通過有效的固體物質(zhì)，在一定溫度和壓力下吸附制冷氣體，同時(shí)還需要在另外溫度和壓力下將其釋放出來。由于在吸氣和放氣的過程中是會(huì)有壓力變化的，所以能將壓縮機(jī)的作用很好地體現(xiàn)出來。吸附式的制冷方式常用的介質(zhì)有氨氣、水等。此外，吸附式制冷技術(shù)還具有污染小、可以直接利用等特點(diǎn)，所以越來越被重視，非常適應(yīng)于大量低品位余熱排放的工業(yè)過程中。（3）制冷的其他方式。熱聲式制冷技術(shù)主要是利用發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫?zé)煔馔ㄟ^與工質(zhì)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)加熱。這種情況下的加熱是具有周期特性的，它的對外輸出方式采用的是斯特林型脈管制冷機(jī)，在此制冷機(jī)的作用下實(shí)現(xiàn)制冷。此外，還有噴射式制冷方式。是將壓縮機(jī)替換成噴射器，然后結(jié)合熱能的消耗來實(shí)現(xiàn)制冷。此制冷技術(shù)結(jié)構(gòu)非常簡單，除了循環(huán)泵以外，是沒有應(yīng)用其他運(yùn)動(dòng)部件的，所以耗工量也比較小。

3.3 溫差發(fā)電

在調(diào)查研究中顯示，半導(dǎo)體溫差發(fā)電是最為常用的一種溫差發(fā)電方式，此項(xiàng)發(fā)電方式具有無污染、無噪音、穩(wěn)定并且壽命長的特點(diǎn)。屬于一種理想的能量轉(zhuǎn)換方式。在使用此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行天然氣壓縮機(jī)煙氣余熱回收利用的時(shí)候，一定要重視熱能轉(zhuǎn)材料的選擇。對于溫差發(fā)電技術(shù)來說，熱能轉(zhuǎn)換材料是最基礎(chǔ)的，材料的質(zhì)量直接影響著熱電轉(zhuǎn)換效率。目前，常用的熱能材料有BiTe、ZnBe、SnTe等，其中BiTe材料是獲取容易、應(yīng)用比較多的材料，在煙氣余熱回收過程中應(yīng)用也是非常廣泛的。溫差發(fā)電技術(shù)在應(yīng)用過程中受到制約因素最大的就是熱能轉(zhuǎn)換效率低的問題。在調(diào)查研究分析中發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體溫差發(fā)電材料的熱能轉(zhuǎn)化效率是在4%左右，最高在7%，所以如何有效地提高熱能轉(zhuǎn)換效率，是需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。除此之外，還需要考慮的是，關(guān)于煙氣中熱量的有效吸收、儲存和傳輸?shù)取?/p>

3.4 有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)

有機(jī)朗肯循環(huán)系統(tǒng)相對來說比較簡單，屬于蒸汽動(dòng)力循環(huán)裝置之一，目前在工業(yè)上的應(yīng)用范圍是非常廣泛的。壓縮機(jī)煙氣溫度如果沒有超過800 ℃，是很難通過水循環(huán)工質(zhì)提高效率的，而有機(jī)工質(zhì)還具有潛熱小、顯熱大、傳熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合應(yīng)用在壓縮機(jī)煙氣余熱回收中，雖然有機(jī)朗肯循環(huán)技術(shù)有很大的應(yīng)用優(yōu)勢，能在實(shí)現(xiàn)發(fā)電的同時(shí)，還能對外做功，但是此項(xiàng)技術(shù)并沒有大規(guī)模的應(yīng)用，而且關(guān)于裝置的穩(wěn)定性和適應(yīng)性也是需要進(jìn)一步研究的。

4 壓氣站天然氣壓縮機(jī)煙氣余熱利用分析

通過回收的煙氣熱能，可以將其用于生活中的用熱，如實(shí)現(xiàn)冬季的取暖和熱水供應(yīng)，滿足淋浴需求;同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)工業(yè)用熱需求，如回收的熱能用于機(jī)組熱備、管線、設(shè)備保溫等。當(dāng)然，通過相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和改造，還能提高燃料利用率。冷卻后的天然氣溫度會(huì)直接影響到LNG的產(chǎn)量，所以還可以將其應(yīng)用于LNG生產(chǎn)所用的天然氣壓縮機(jī)組上，效果也是非常不錯(cuò)的。

但是就目前來看，煙氣余熱回收技術(shù)受國家政策影響比較大，余熱電能上網(wǎng)還是有一些困難的，所以為了解決這種情況，還可以將回收得到的電能加以利用，將其用在用電的加氣站設(shè)備中，還可以將其應(yīng)用在小型的電動(dòng)增壓機(jī)上。為了更好地保證煙氣余熱回收利用的功能和效果，還要將壓氣站天然氣壓縮機(jī)煙氣余熱回收利用的設(shè)計(jì)重視起來，需要考慮以下因素。

（1）在應(yīng)用煙氣回收裝置的時(shí)候，需要考慮壓縮機(jī)性能，避免兩者之間存在沖突，發(fā)生制約作用;（2）換熱器的安裝位置是非常重要的，與煙氣余熱回收有很大的關(guān)系，需要重點(diǎn)關(guān)注，最好不是安裝在排氣管出口位置;（3）發(fā)動(dòng)機(jī)是否屬于負(fù)荷運(yùn)行也是會(huì)影響到余熱回收系統(tǒng)的，所以需要重點(diǎn)關(guān)注;（4）因?yàn)檎麄€(gè)回收流程需要很大的控制范圍，所以在設(shè)計(jì)煙氣余熱回收系統(tǒng)的時(shí)候，要融入自動(dòng)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制和監(jiān)測;（5）在設(shè)計(jì)的時(shí)候，還需要考慮維護(hù)和操作系統(tǒng)的安全性。

5 天然氣壓縮機(jī)煙氣余熱利用狀態(tài)分析

天然氣有物理和化學(xué)性質(zhì)之分，通過對天然氣特點(diǎn)的分析可以知道，天然氣是具有易燃易爆特點(diǎn)的，所以為了更好地保障天然氣壓縮機(jī)有效地開展和運(yùn)行，回收更多煙氣余熱，降低環(huán)境的污染，需要重點(diǎn)分析和研究天然氣化學(xué)和物理特點(diǎn)。

首先，我們要知道天然氣的主要成分是甲烷，甲烷相信大家都是不陌生的，具有很明顯的物理和化學(xué)性質(zhì)，為了更好地滿足天然氣壓縮機(jī)技術(shù)的要求，一定要不斷地提高天然氣壓縮機(jī)和天然氣管道輸送的效率，更好地實(shí)現(xiàn)煙氣余熱的回收利用。其次，甲烷的主要成分是碳和氫，同時(shí)還會(huì)有少量的硫、氮等元素，因具有壓縮性，所以在壓力增高的時(shí)候，天然氣的體積會(huì)變小，而當(dāng)天然氣壓力下降的時(shí)候，天然氣體積會(huì)膨脹。天然氣的溫度其實(shí)就是天然氣的冷熱程度，當(dāng)溫度降低以后，天然氣中的水蒸氣就會(huì)很容易凝結(jié)，并形成水滴，生成天然氣水合物，這種物質(zhì)會(huì)在一定程度上堵塞天然氣輸送的管道系統(tǒng)，進(jìn)而增加煙氣熱能，由此我們可以知道，想要更好地保證天然氣輸送過程中的安全，一定要科學(xué)合理地控制天然氣中的水含量。天然氣壓縮機(jī)組煙氣余熱回收利用，是將天然氣壓縮機(jī)加壓處理之后，對煙氣余熱所產(chǎn)生的熱能進(jìn)行回收和利用，通過對回收熱量的計(jì)算，提高其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)利益。而且將天然氣煙氣余熱進(jìn)行回收和利用，還能有效提高天然氣壓縮的效率，降低資金投入，提高天然氣企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。常用的天然氣輸送方式有天然氣管道輸送，天然氣運(yùn)輸結(jié)合等方式，能夠?qū)μ烊粴鉄煔獾幕厥绽糜懈玫谋ＷC效果。當(dāng)然，還需要不斷的研究和應(yīng)用自控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對天然氣壓縮機(jī)的優(yōu)化，有效降低壓縮機(jī)發(fā)生故障的概率，使天然氣在合適的壓力下，能夠順利、方便地輸送到管道系統(tǒng)中。

6 結(jié)語

綜上所述，我們可以得出幾點(diǎn)結(jié)論：（1）通過煙氣余熱的有效回收和利用，可以為壓氣站提供更好的生活條件，如生活熱水和供熱的供應(yīng)，大大解決了目前壓氣站冬季機(jī)房溫度低、潤滑黏度大的問題，保證了壓縮機(jī)的質(zhì)量和工作效率。（2）將煙氣余熱回收利用能停用電伴熱，進(jìn)而降低安全隱患問題，提高安全生產(chǎn)，而且還有效地保護(hù)了環(huán)境污染問題，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。（3）通過對回收熱能還能實(shí)現(xiàn)外輸，不但解決了煙氣排放污染和浪費(fèi)問題，還解決了產(chǎn)能過剩的問題，提高和創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[2] 韋鑫.壓氣站天然氣壓縮機(jī)組煙氣余熱利用[J].設(shè)備管理與維修，2015（S2）：293-294.

Utilization of Flue Gas Waste Heat of Natural Gas Compressor Unit in Compressor Station

LIANG Jian1， LI Mingde2， SUN Dejing2， CHEN Weicong2

（1.Shaanxi Natural Gas Co.， Ltd.， Xi'an? Shaanxi? 710016;

2.China National Petroleum Pipeline Engineering Co.， Ltd.， Langfang? Hebei? 065000）

Abstract： The flue gas discharged after natural gas combustion contains a large amount of waste heat， and the compressor will also discharge a large amount of high-temperature flue gas during operation， which not only directly causes the waste of thermal energy resources， but also pollutes the atmospheric environment. How to effectively utilize the waste heat of flue gas from natural gas compressor unit is a topic of great concern and must be paid attention to by natural gas companies. Based on this， in this paper the utilization of flue gas waste heat of natural gas compressor unit in compressor station is analyzed and studied， for reference.

Keywords： compressor station; natural gas; compressor; waste heat utilization of flue gas

收稿日期：2021-12-10

作者簡介：梁?。?984—），男，陜西岐山人，碩士，高級工程師，研究方向：天然氣、消防、節(jié)能。