宋曉俊 楊永彬 王洪松 陳勇 唐強 李雷 楊洋 曾路 胡晶

（塔里木油田公司開發(fā)事業(yè)部）

塔中油田燃氣電站余熱回收利用的可行性研究

宋曉俊 楊永彬 王洪松 陳勇 唐強 李雷 楊洋 曾路 胡晶

（塔里木油田公司開發(fā)事業(yè)部）

為了提高塔中油田燃氣電站燃氣的綜合利用率，回收燃氣輪機余熱，減少能源的浪費，找到相適應的余熱回收方式，通過對塔中油田燃氣電站機組運行現(xiàn)狀、余熱及作業(yè)區(qū)用能需求的分析，提出熱電冷聯(lián)產方式回收利用燃氣電站余熱,并對熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)在塔中油田燃氣電站運用的可行性進行研究。得出熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)比較符合塔中油田電站的實際情況，具有很大的經(jīng)濟效益和環(huán)保社會效益。

余熱 燃氣電站 熱電冷聯(lián)產 節(jié)能減排

近年來，隨著國內經(jīng)濟形式的發(fā)展，對經(jīng)濟效益、能源利用和環(huán)境保護的認識進一步加深，尤其對工業(yè)余熱有了新的認識，工業(yè)排放的有壓有熱廢氣是一個能源的浪費，有些廢氣余熱的能量幾乎和有用功率相同。開發(fā)余熱利用技術，就是更充分的利用燃氣資源，在節(jié)能、環(huán)保的同時創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟 效益[1]。

燃氣輪機余熱回收利用是利用發(fā)動機燃燒后排出廢氣的熱量，通過余熱回收設備及配套的保護部分將其變?yōu)榭捎媚茉?，并代替燃氣、燃油、電能等給用能部門提供能源。

目前燃料的能量只有約 35%被發(fā)電機組轉化為電能，約有 30%隨廢氣排出，25%被發(fā)動機冷卻水帶走，通過機身散發(fā)等其它損失約占 10%左右，排氣余熱和冷卻水損失的功率比有用功還多。在我國，目前占燃氣發(fā)動機燃料近55%熱值的排氣余熱和冷卻水余熱資源基本上被白白浪費掉，燃氣發(fā)動機余熱利用技術的開發(fā)和應用尚處于起步階段。而在 發(fā) 達 國 家 ， 燃 氣 機 余 熱 80% 以 上 已 被 利 用[2]。 目前隨著國內能源供應日益緊張，節(jié)能降耗，提高能源利用率越來越引起人們重視，燃氣機余熱利用是必然趨勢。

1 燃氣電站及其機組運行現(xiàn)狀

1.1塔中油田電站簡介

塔中油田電站建于 1996年，是從美國引進 7套SOLOR公司的TAURUS60燃氣輪機發(fā)電機組。電站總裝機容量 33250kW （每臺 4750kW），能適應惡劣的沙漠氣候，能完全勝任對塔中地區(qū)的安全供電。

機組主要參數(shù)如下：

額 定 電 壓 ： 10.5kV； 電 流 ： 312A； 功 率 因數(shù)：0.8；頻率：50Hz。

額定功率：4750kW （在零海拔，大氣溫度15℃）。

正常供氣壓力：1207～1551kPa；溫度：60～70 ℃；天然氣低熱值：31496kJ/m3。

1.2機組運行現(xiàn)狀

塔中油田燃氣電站 2012 年三月和四月的供電負荷曲線，見圖1和圖2。

圖1 塔中油田電站三月供電負荷曲線

圖2 塔中油田電站四月供電負荷曲線

由此可以得出負荷在 10～12.5MW 之間，負荷一 年 四 季變化 不 大 ， 取 近 幾 個月 的 平 均 數(shù) 11.00 MW來進行以后的計算。

根據(jù)對四月電站發(fā)電量，天然氣消耗以及負荷的統(tǒng)計，得出日發(fā)電量和日耗氣的數(shù)據(jù)，見表1。

表1 日均發(fā)電量與日耗氣

由上可以得出：每立方米天然氣燃料氣大約能發(fā)出2kWh。

發(fā)電效率為：

這個效率值在國內是很低的，這是由于塔中油田燃氣電站機組已經(jīng)運行有 10年了，機器本身有老化，機組自身散發(fā)等其他損失（包括冷卻系統(tǒng)帶走的） 占燃料氣能量的 35%左右，有近 42.2%的燃料氣能量被排出的煙氣帶走，造成能源極大的浪費。不論采取什么方法，只要能將排煙溫度降低到一定程度，就能回收大量的余熱，這是改變燃氣機組效率最有效的途徑。而對于降低排煙溫度最有效的方法就是增加余熱鍋爐。

1.3余熱分析及日常用能的計算

1.3.1 燃氣電站余熱分析

塔中燃氣電站的余熱浪費情況很嚴重，按照近42.2%的燃料氣能量被排出的煙氣估算，每天煙氣的排放能量 Q 約為 1.85MJ。

1.3.2 日常用能計算

塔中作業(yè)區(qū)日常生活用熱水，夏天制冷，冬季供暖，都在消耗天然氣和電能，根據(jù)統(tǒng)計，春秋兩季消耗稍少于冬夏兩季，基本相差不大。

中央空調及供暖供熱鍋爐及相關設備參數(shù)，見表2。

表2 中央空調、供暖鍋爐及相關設備參數(shù)

按照一天運行 20h計，估算中央空調系統(tǒng)日耗電： Q1為 1816.8kWh， 估 算 鍋 爐 系 統(tǒng)日 耗 電 量 ：Q2約為 1456.8kWh。

由水首站來水溫度大概在 20℃，熱水加熱到65 ℃，供暖熱水加熱到 80 ℃，人均日用水 80kg，作業(yè)區(qū)公寓日用熱水為 40t，冬 季 供 暖 循 環(huán) 水 為 10t，鍋爐效率按照 30%計算。日需熱量 （按冬季最大量計算） Q3約為 100.8× 103MJ， 由 此 可得出日 耗 氣量 V 約為 10667m3。

2 余熱回收利用在塔中作業(yè)區(qū)的應用設想

塔中油田地處塔克拉瑪干沙漠腹地，地理面積大，遠離城市，有職工公寓，接待公寓，乙方公寓以及聯(lián)合站四個生活點，塔中油田作業(yè)區(qū)水、電、暖都自給自足，職工公寓，接待公寓，乙方公寓以及聯(lián)合站內都采取集中供暖供熱，中央空調供冷，電站使用電熱器供暖，鍋爐用氣以及電站發(fā)電用燃料氣都由聯(lián)合站氣處理系統(tǒng)供應。

余熱鍋爐如果投入使用后，可以達到熱、電、冷聯(lián)產。在燃氣機組發(fā)電的同時，以機組排氣的熱量為能源，燃氣機排出的高溫煙氣通過余熱回收裝置產生熱水 （或蒸汽），能提供60 ℃左右的生活和洗浴用 熱 水 。 夏 季 時 ， 通 過溴 化 鋰 （LiBr2） 冷 水 機組置換為 7～9℃的冷媒水，通過風機盤管空調器給職工公寓，接待公寓，乙方公寓以及聯(lián)合站內降溫供冷；冬季時，通過實用性余熱鍋爐將余熱能量換成供暖熱水，供應采暖。這樣，公寓的鍋爐房和中央空調房就可以不使用，節(jié)省在這部分使用的燃氣和電能，以及工作人員運行維護費用，減少消耗就是變相的提高產量，減少排放 CO2的量，所以余熱回收利用，就是在節(jié)能減排。為此，塔中電站余熱鍋爐應能夠提供制冷、熱水、采暖負荷。

3 可行性分析

天然氣熱、電、冷聯(lián)產系統(tǒng)是以天然氣為一次性能源同時產生熱、電、冷三種二次能的聯(lián)產聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)以燃氣發(fā)電設備排放出來的高溫尾氣或以該尾氣通過余熱鍋爐產生的蒸汽或熱水供熱，并以此熱量驅動吸收式制冷機，從而滿足用戶對熱電冷的各種需求。該系統(tǒng)基本上可以擺脫對外部電網(wǎng)的依賴，具有相對的獨立性和靈活性。該系統(tǒng)的能源效率高、可靠性強及污染物的低排放具有相當?shù)母偁巸?yōu)勢，近 10多年來在國外取得了迅速發(fā)展 ，國內也 已 經(jīng) 開 始 起步[2]。

下面就對熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)余熱利用技術在塔中油田電站的可行性進行論述。

3.1效率條件

在以往的燃氣發(fā)電廠中盡管采用各種方式來提高能源利用率。但最高也不超過40%，為了提高燃氣電廠的能源利用率。充分利用發(fā)電廠的煙氣余熱，采用熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)，既避免了熱電分產時有用能的大量損失，也避免了大量的冷源損失，具有熱力學優(yōu)勢。這一能源綜合利用技術已是當今世界推行的一項行之有效的節(jié)能措施，其節(jié)能意義已被國內外大量實踐所證實。

表3 燃氣輪機與熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)性能對比

由表3可見，燃氣輪機效率低的根本問題是平均放熱溫度太高，熱冷電聯(lián)產正是一種有高平均吸熱溫度和低平均放熱溫度的系統(tǒng)，所以有很高的效率。煙氣余熱除滿足各種熱負荷以外，還提供溴化鋰吸收式制冷機的工作熱水，這樣，整個系統(tǒng)的熱負荷平衡，能夠提供燃氣電站的發(fā)電量與供熱量。由于熱電冷聯(lián)產一般采用溴化鋰吸收式制冷機，有利于保護大氣臭氧層，減緩地球溫室效應；溴化鋰制冷機以熱水為熱動力，或利用余熱、廢熱等低品位能源，有利于保護環(huán)境，提高能源利用率，優(yōu)化能源消費結構，具有廣闊的發(fā)展前景。

3.2建設條件

3.2.1 場地條件

熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)主要的部件是鍋爐，占地面積大可利用潤滑油系統(tǒng)的位置，在高度空間上合理安排，必要時可將電站倉庫向外移動，所以建設場地條件可以滿足建設熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)。

3.2.2 余熱條件

塔中油田燃氣電站7臺燃氣機可提供的煙氣的余熱條件：

◇ 每天煙氣中能量為 2198×103MJ；

◇ 煙氣溫度：約450 ℃；

◇ 主 要 成分:CO2、 水 （氣態(tài)）， 氮氧化物 小 于25×10-6。

原來的運行情況是把煙氣直接排放到大氣中，現(xiàn)在若用余熱鍋爐加以利用，把煙氣控制到一定溫度就可以取代原先的生活用熱水的鍋爐房和中央空調。

由于每天煙氣中能量為 2198×103MJ，大于生活鍋爐的日需熱量 101×103MJ，這樣初步估算，我們只要利用余熱中的 20%就足夠了。

3.3運行方式的分析

3.3.1 天然氣作為能源利用的理想方式

熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)是一種建立在能量梯級利用概念基礎上，將制冷、供熱及發(fā)電過程一體化的多聯(lián)產總能系統(tǒng)，該系統(tǒng)可有效地實現(xiàn)天然氣作為燃料的能源梯級利用。其過程大至為：天然氣燃燒把化學能轉換為 700～1500 ℃高品位熱能，首先利用這部分熱能驅動發(fā)電機發(fā)電（天然氣燃料電池系統(tǒng)直接將化學能轉換為電能），然后逐級利用低品位熱能供應蒸汽、熱水，或者將低品位熱能作為吸收式制冷系統(tǒng)的驅動熱源進行供冷，從而實現(xiàn)對天然氣的多級多次利用，見表4。

由表4可以知道，塔中燃氣電站的余熱溫度在450 ℃左右，宜采用余熱鍋爐和換熱器的形式，來供應熱水、暖和冷。

表4 天然氣燃燒后在各溫位的利用途徑

3.3.2 熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)

該系統(tǒng)以燃氣輪機為動力驅動發(fā)電機供電，并與吸收式制冷機和余熱鍋爐配套，以蒸汽形式回收廢氣的熱量。它與燃氣機系統(tǒng)的不同點是燃氣輪機余熱的回收幾乎全部是利用余熱鍋爐熱交換，余熱均以蒸汽形式回收，余熱回收率高。與電力輸出相比，熱電比 （熱/電=2/3） 較高，噪聲屬高頻，易于采 取 防 噪 措 施[4]。 圖3 為 一 種 較 完 善 的 基 于 燃 氣 輪機的系統(tǒng)流程圖。

圖3 燃氣輪機系統(tǒng)流程

燃氣輪機 系 統(tǒng) 的發(fā)電 容 量 通常位 于 1000～5000kW 之間，發(fā)電效率為 20%～30%，適應于整幢樓宇或一個小區(qū)使用，可為用戶提供可靠的后備電源。與遠程送電比較，沒有輸電損耗，可以大大提 高 能 源 利 用 效 率[5]。 但 系 統(tǒng) 的 初 期 投 資 大 ， 需 從整個系統(tǒng)出發(fā)，考慮技術、初投資、運行費用、環(huán)境污染等因素，優(yōu)化系統(tǒng)，找出在其壽命周期內費用最低的方案。

3.4成本粗略計算

如果余熱回收裝置建成投產，粗略估算：購買余熱鍋爐，溴化鋰制冷機，場地改造安裝，鋪設管道所需的資金大概在 1000 萬。其中原先的中央空調鍋爐系統(tǒng)的泵都可再利用。節(jié)約的成本：

日省天然氣 10667m3

以及原先鍋爐房和中央空調維護費用，按一年12 萬計算折算成人民幣，工業(yè)電價按 1 元/kWh 計，天然氣價格按 1.3 元/m3計算：

一年節(jié)約費用約為 6376355 元，兩年內就可以收回成本。

4 結論

綜上所述，基于燃氣輪機的熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)比較符合塔中油田燃氣電站的實際情況，塔中油田燃氣電站改造為熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)雖然初期投資大，但是有很大的經(jīng)濟效益和環(huán)保社會效益，是高新節(jié)能環(huán)保技術，有廣泛的應用前景，涉及國家經(jīng)濟的發(fā)展，於國於民都有好處。

[1]王汝武.節(jié)能技術及工程實例[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006:25-36.

[2]周耘,王康,陳思.工業(yè)余熱利用現(xiàn)狀及技術展望[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2010,20(23):162-164.

[3]呂晉梁.熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)的探討[J].山西建筑,2003, 29(5):1-3.

[4]葛斌.熱電冷聯(lián)產原理與技術[M].北京:中國電力出版社,2009:3-16.

[5]劉青榮,阮應君,任建興,等.冷熱電三聯(lián)產系統(tǒng)節(jié)能減排 的 效 果 理 論 分 析 [J]. 華 東 電 力,2010,38(2): 267-270.

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.003.004

宋曉俊，工程師，2006年畢業(yè)于重慶大學電氣工程學 院 ， 主 要 從 事 油 氣 儲 運 設 備 管 理 工 作 ， E-mail： shiyishou.119@ 163.com，地址：新疆庫爾勒市塔里木油田公司開發(fā)事業(yè)部塔中作業(yè)區(qū)，841000。