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.中國石油集團工程股份有限公司）

0 引言

管道天然氣的傳輸動力設(shè)備主要采用燃氣輪機驅(qū)動的離心式壓縮機。燃氣輪機是以連續(xù)流動的氣體為工質(zhì)帶動葉輪高速旋轉(zhuǎn)，將燃料的能量轉(zhuǎn)變?yōu)橛杏霉Φ膬?nèi)燃式動力機械。其主要組成部分包括壓氣機、燃燒室、高低壓透平、軸流空壓機等?？諝饨?jīng)過濾并干燥后吸入壓氣機，經(jīng)過多級葉輪增壓后進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入高壓渦輪膨脹做功，再進入低壓渦輪帶動負載壓縮機，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

燃氣輪機有兩個重要指標：CO2排放量和ISO熱效率。根據(jù)壓氣站上燃氣輪機的使用經(jīng)驗，燃氣渦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軸桿產(chǎn)生動力，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。燃氣輪機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組設(shè)計階段和運行階段的重要任務(wù)。有計算結(jié)果表明，未來燃氣輪機燃料利用效率可達80%，其中34%～36%直接作用于壓氣機轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生動力，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——燃氣渦輪裝置排氣量，kg/s；Cpm——排氣定壓熱容，kJ/（kg·K）；twaste——排氣進入余熱裝置前溫度，℃；toff——排氣進入余熱裝置后溫度，℃；Ne——燃氣渦輪裝置額定功率，kW。

實際可回收熱量的多少取決于燃氣渦輪裝置型號與結(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——實際可回收熱量，kJ/（kW·s）；koff——燃氣渦輪裝置余熱回收系數(shù)；kamb——周圍空氣溫度影響系數(shù)；kload——燃氣渦輪裝置負荷影響系數(shù)。

以索拉大力神130燃氣輪機為例，燃機額定功率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）。

索拉燃氣輪機性能參數(shù)見表1［2］。

表1 索拉燃氣輪機性能參數(shù)

2 余熱利用

目前燃氣輪機余熱利用技術(shù)主要應(yīng)用在以下九個方面：燃料氣預(yù)熱、燃機入口制冷、余熱鍋爐、蒸汽—燃氣聯(lián)合循環(huán)、燃氣輪機回?zé)嵫h(huán)、有機朗肯循環(huán)、熱能存儲、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，將對燃氣透平及壓縮機產(chǎn)生嚴重影響［3］。燃料氣以較高的溫度進入燃氣輪機更容易點燃，燃料氣預(yù)熱會極大地提高燃氣輪機效率，減少燃氣消耗量。

燃機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，通過吸收式制冷機的內(nèi)部轉(zhuǎn)換，二元溶液蒸發(fā)來制冷，降低進入燃氣輪機介質(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，壓氣機及機組增壓比降低，空氣質(zhì)量流量減少，機組有效功下降［4］。對燃氣輪機的吸入空氣進行冷卻來增加燃氣輪機的出力，提高機組效率。

余熱鍋爐是燃氣輪機最簡單、最直接的余熱利用方式。燃氣輪機排放的高溫?zé)煔膺M入余熱鍋爐，與余熱鍋爐中的水進行換熱。

蒸汽—燃氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)由燃氣輪機和蒸汽輪機發(fā)電系統(tǒng)組成。燃氣輪機的廢熱煙氣進入余熱鍋爐產(chǎn)生高壓蒸汽，高壓蒸汽帶動蒸汽渦輪驅(qū)動汽輪機發(fā)電，廢熱蒸汽經(jīng)冷凝器冷凝后進入下一步循環(huán)。聯(lián)合循環(huán)裝置啟動快，技術(shù)相對成熟。由于壓氣站長時間不間斷運行的方式，蒸汽—燃氣聯(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］。

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

有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle, ORC）是以低沸點有機物為工質(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。

熱能存儲實際上是通過一定的媒介，將暫時空余的能量以熱的形式存儲起來。這項技術(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)動熱電發(fā)電機產(chǎn)生電能。提高熱電設(shè)備的溫度上限和整體效率是該項技術(shù)的研究重點。具體的設(shè)計方案要根據(jù)煙氣余熱的能量，進行多組熱電發(fā)電機串行或并行配置，以獲得不同等級的電力。

余熱綜合利用相對比較靈活廣泛，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氣輪機的余熱。

3 對比分析

針對九種余熱回收技術(shù)的應(yīng)用，在規(guī)模、余熱利用失效對站場影響、負荷變化對余熱設(shè)備影響、維護程度及投資回報幾方面進行分析。余熱回收技術(shù)應(yīng)用對比見表2。

表2 余熱回收技術(shù)應(yīng)用對比

由表2可以看出，燃料氣預(yù)熱、燃機入口制冷、熱能存儲、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)用只需對現(xiàn)有管路進行升級改造，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。

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

負荷變化對余熱設(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，同時壓縮機也會根據(jù)負荷分配的情況不斷調(diào)整運營狀況，可能會出現(xiàn)產(chǎn)熱過量或不足的情況。余熱鍋爐供暖、蒸汽—燃氣聯(lián)合循環(huán)、回?zé)嵫h(huán)、有機朗肯循環(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绊懹酂嵩O(shè)備，增加負荷波動對下游熱能利用和設(shè)備維修的風(fēng)險。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的影響。

維護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費用。進口壓縮機占我國的壓縮機市場很大額度，由于進口設(shè)備制造商的技術(shù)壟斷，管道壓氣站通常又地處偏遠地區(qū)，國外公司現(xiàn)場維護人員的人工成本很高，維護費用極高。因此，涉及壓縮機本體的升級改造需要充分考慮維護費用。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，維護費用較低。

從投資回報的角度考慮，小規(guī)模的余熱利用產(chǎn)生的經(jīng)濟回報較好，尤其是熱能存儲，建成后會帶來持續(xù)的經(jīng)濟收入。蒸汽—燃氣聯(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)計時要充分考慮經(jīng)濟上的可行性。投資回報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，全部投資每臺約100×104元。如果采用燃氣鍋爐供暖則投資大大降低，但卻消耗了天然氣。所以，燃氣鍋爐的使用年限及運行成本與余熱利用、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)的相對匱乏，應(yīng)大力推廣余熱鍋爐供暖、蒸汽—燃氣聯(lián)合循環(huán)、有機朗肯循環(huán)應(yīng)用。東部地區(qū)應(yīng)大力推廣熱能存儲、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，獲得較高的社會經(jīng)濟效益。

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