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驗室；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驗室；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，針對站場夏季溫度高導致燃氣輪機機組出力下降的問題，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)流閥實現(xiàn)對冷劑流量的控制，同時將準備進入燃機系統(tǒng)空壓機的空氣直接作為冷媒進行降溫。另外，還建立模型論證了不同降溫幅度下余熱制冷的經(jīng)濟性指標。研究結(jié)果表明，本方法利用燃氣輪機余熱廢氣達到制冷目的，節(jié)能環(huán)保；同時，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控制信號，獲得較寬的溫度調(diào)節(jié)范圍，經(jīng)濟效益顯著，具有良好的推廣應用價值。

輸氣管道；燃驅(qū)壓縮機；余熱制冷；節(jié)能

燃氣輪機性能與其所處的環(huán)境溫度密切相關(guān)，當溫度上升時，空氣的密度相對較小，由于燃氣輪機是定容式機械，從而導致流過壓氣機和透平的質(zhì)量流量減少，引起燃氣輪機的出力下降；同時，機組內(nèi)的壓氣機的耗功也在增大，將進一步降低機組效率[1]。

目前，在天然氣管道輸送行業(yè)中，選取燃氣輪機作為大型壓縮機的驅(qū)動設備已十分廣泛，降低燃氣輪機進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、自動化程度較高的余熱制冷技術(shù)。因為其具有活動部件少、冷量調(diào)節(jié)范圍廣、環(huán)境性能好等優(yōu)點,目前應用較廣泛。它包含蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器、發(fā)生器等設備[4]（圖1）。

1.2典型的進氣冷卻配置方案

圖2是一種典型的溴化鋰進氣冷卻配置方案[5]，整個系統(tǒng)由制冷機組、驅(qū)動熱源、進氣冷卻器、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)排放的多余高溫煙氣，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行真空蒸發(fā)，對冷媒水進行降溫，最后經(jīng)過降溫的冷媒水通過安裝在燃氣進氣風道的表冷器對燃機進氣進行冷卻降溫。

然而，由于采用冷媒水為燃氣輪機進氣降溫，經(jīng)過一次熱傳導后，系統(tǒng)效率必然降低，針對同樣的進氣降溫需求來講，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，用其對進氣進行冷卻降溫所能得到冷卻后的空氣溫度范圍較窄，且響應較慢，不易控制。

圖1 吸收式制冷原理

1.3改進后的進氣冷卻系統(tǒng)

針對上一種進氣冷卻系統(tǒng)存在的缺點，作出如下改進：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)，然后將燃氣輪機的進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，且燃氣輪機進氣與冷劑直接進行熱交換，改進后的進氣冷卻系統(tǒng)可以將進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)價格低廉、可采用風冷、便于節(jié)水等優(yōu)點。

圖2 典型的氨水進氣冷卻配置方案

圖3 改進的溴化鋰進氣冷卻配置方案

改進后的余熱制冷系統(tǒng)工作原理如圖3所示。將蒸發(fā)器安裝在燃機進氣濾芯后，通過采集蒸發(fā)器后燃機進氣管道內(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)進氣溫度，另一方面保證空氣中的水蒸氣不會凝結(jié)進入到機組空壓機內(nèi)。

2 進氣溫度對燃機效率的影響

由于燃機的熱耗率與進氣溫度有關(guān)，不同進氣溫度下的燃料氣消耗量存在差異，針對這一情況，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)壓縮機組的運行情況，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。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。對數(shù)據(jù)點采用最小二乘法進行多項式擬合，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 冬夏季測試情況對比

3 余熱制冷經(jīng)濟性研究

3.1投資估算

以中亞某輸氣燃驅(qū)壓縮機組為例，該機組正常運行時空氣進氣量為82.51 kg/s，空氣定容比熱容為0.717 kJ/（kg·K）。一般余熱制冷機組的建設成本為0.224萬元/kW。假設夏季平均氣溫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)濟評價

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，電價取0.8元/kWh，夏季運行時間取90 d，則采用不同制冷量下余熱制冷運行成本估算如表3所示。

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

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

從表5可以看出，隨著余熱制冷后進氣溫度的降低，單位體積燃料氣做功能力提升，經(jīng)濟效益逐漸升高。當進氣溫度降低到1℃時，夏季采用余熱制冷技術(shù)的經(jīng)濟效益達到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)的建設成本為451萬元，年運營成本為15.6萬元，2年左右即可收回成本，具有較好的應用前景。

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，并分析了壓縮機組進氣溫度對機組運行效率的影響。通過分析得出，隨著進氣溫度的降低，單位燃料氣做功能力提升，有助于節(jié)能降耗，故針對長輸天然氣管道站場采用余熱制冷技術(shù)對燃氣輪機進氣降溫具有良好的應用前景。

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營成本估算

表4 壓縮機能耗計算

表5 不同制冷量下余熱制冷系統(tǒng)經(jīng)濟效益估算

[1]李孝堂.現(xiàn)代燃氣輪機技術(shù)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2006：68-69.

[2]胡舜鋒.余熱制冷進氣冷卻的回熱燃氣輪機熱力系統(tǒng)的研究[D].北京：中國科學院研究生院，2007．

[3]徐鐵軍.天然氣管道壓縮機組及其在國內(nèi)的應用與發(fā)展[J].油氣儲運，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，2012.

[5]徐鐵軍，張偉偉，吳中林.輸氣管道壓氣站余熱的利用[J].油氣儲運，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（檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)），主要從事油氣管道輸送系統(tǒng)耗能設備節(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，065000。