曹彥青，劉寶玉，戰(zhàn)麗華，陳 印，殷麗秋

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001）

燃?xì)廨啓C(jī)主要是用作發(fā)電用的原動(dòng)機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)各種泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)和船舶螺旋槳等機(jī)械，它具有啟動(dòng)方便快捷、運(yùn)行靈活、變負(fù)荷相應(yīng)快的特點(diǎn)以及占地少、效率高、污染小、建設(shè)工期短等優(yōu)點(diǎn)，在最近幾年來迅速發(fā)展，已經(jīng)成為提供清潔、可靠、高質(zhì)量發(fā)電及冷熱電聯(lián)供的最佳方式[1]。但是，燃?xì)廨啓C(jī)排煙溫度高，一般為 450~600 ℃[2]，如果直接排放到大氣當(dāng)中，不僅造成能量的損失，使得燃機(jī)的熱利用率低，還會(huì)污染環(huán)境。目前，燃?xì)廨啓C(jī)單循環(huán)熱效率一般為20%~42%[2],然而微、小型燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率不到20%[2],大部分熱量隨著煙氣被排入大氣中,造成能量的浪費(fèi)，并且氮氧化物排放量嚴(yán)重超過國家標(biāo)準(zhǔn)。這嚴(yán)重制約了燃?xì)廨啓C(jī)的應(yīng)用與發(fā)展，因而有效回收與利用燃?xì)廨啓C(jī)排氣余熱是推動(dòng)和擴(kuò)大燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)展的最有效途徑。設(shè)備，近幾年來發(fā)達(dá)國家都在加速研制和推廣這項(xiàng)技術(shù)。圖1是燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)圖。

圖1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)圖Fig.1 The diagram of gas-steam combined circulation generating power system

1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)實(shí)質(zhì)是把兩個(gè)使用不同工質(zhì)、獨(dú)立的動(dòng)力循環(huán)，通過能量交換聯(lián)合在一起的循環(huán)。燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)以其發(fā)電效率高，投資額少，建設(shè)周期短，占地面積小，污染程度低等顯著優(yōu)點(diǎn)而受到世界各國重視的新一代發(fā)電

油或天然氣與經(jīng)過壓縮的空氣混合后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室燃燒，燃燒后，氣體溫度急速升高，壓力也隨之加大，經(jīng)加熱、加壓后的氣體通過燃汽輪機(jī)噴嘴噴向葉輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，做功后的煙氣，仍然具很高的溫度，用其熱能加熱余熱鍋爐產(chǎn)生蒸汽，并將高溫高壓的蒸汽再次送到汽輪機(jī)中做功發(fā)電或者供暖，這樣燃?xì)庋h(huán)與蒸汽循環(huán)構(gòu)成了聯(lián)合循環(huán)。采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電的經(jīng)濟(jì)效益是我們關(guān)心的問題，因此，對深圳金崗燃機(jī)電力有限公司采用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)的一臺(tái)PG5301型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)效益分析。按當(dāng)?shù)厣暇W(wǎng)電價(jià)或用相當(dāng)發(fā)電量時(shí)燃料耗量折算計(jì)算，通過對PG5301型燃?xì)廨啓C(jī)燃料消耗折算，利用燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電每年可節(jié)省柴油8 736 t，約合人民幣1 747.2萬元[3]。設(shè)備的維修、折舊以及運(yùn)行等費(fèi)用大約是151.64萬人民幣，每年的凈收入為1 595.56萬人民幣。因此，在八個(gè)月內(nèi)可全部收回在整個(gè)聯(lián)合循環(huán)余熱利用部分的投資，而余熱鍋爐使用期限一般在15~20年，因此這樣的投資是有利可圖的。對我國來說不但企業(yè)每年可收益約人民幣1 600萬元，而且可有效緩解電力供需，減少大氣污染。

2 蒸汽回注式燃?xì)廨啓C(jī)余熱利用

蒸汽回注式燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)質(zhì)上是一種雙工質(zhì)并行復(fù)合回?zé)崾綗釞C(jī)。它是利用簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱產(chǎn)生過熱蒸汽，將此過熱蒸汽回注入該燃?xì)廨啓C(jī)，與以空氣為代表的第一種工質(zhì)共同參與循環(huán)做功的一種回?zé)崾饺紮C(jī)。蒸汽回注式燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點(diǎn)：它能夠使熱效率和輸出功率兩者同時(shí)獲得驚人的提高；排放物減少，減輕了環(huán)境污染；占地面積小；第一次投資成本低；它對不同的電力負(fù)荷和熱負(fù)荷需求具有良好的適應(yīng)性。自20世紀(jì)70年代末、80年代初，在這一方面獲得一系列專利申請后，蒸汽式燃?xì)廨啓C(jī)開始受到有關(guān)部門和商業(yè)集團(tuán)甚至一些國家的重視和關(guān)注。國際動(dòng)力技術(shù)公司在艾利遜燃?xì)廨啓C(jī)公司產(chǎn)生的501-KB型談起輪機(jī)上，進(jìn)行回注蒸汽的驗(yàn)證性試驗(yàn)獲得了令人滿意的結(jié)果。到1985年，該公司就向國際燃?xì)廨啓C(jī)市場推出了由501-KB型燃?xì)廨啓C(jī)的改裝機(jī)外加余熱鍋爐組成的蒸汽回注式燃?xì)廨啓C(jī)成套機(jī)組，并且該機(jī)組已于同年投入了商業(yè)運(yùn)行。除此之外，日本和意大利等國也投入相當(dāng)大的力量，積極參與了蒸汽回注式燃?xì)廨啓C(jī)的開發(fā)研制活動(dòng)，并且取得了可觀的成果[4]。

我國也已成功研制了 PG5361蒸汽回注燃?xì)廨啓C(jī)余熱鍋爐的設(shè)計(jì)，并投入運(yùn)行。鍋爐重量輕，尺寸小，金屬耗量少，投資費(fèi)用低，在國內(nèi)外市場上推廣應(yīng)用的前景十分廣闊。蒸汽回注式燃?xì)廨啓C(jī)作為航空母艦新型推進(jìn)動(dòng)力的主動(dòng)力裝置而得到廣泛應(yīng)用。該系統(tǒng)的主要裝置是燃?xì)廨啓C(jī)和余熱鍋爐,利用燃?xì)廨啓C(jī)的高溫?zé)煔鈱τ酂徨仩t裝置加熱，產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽,用于燃?xì)廨啓C(jī)蒸汽回注，提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率和功率,從而構(gòu)成適用于航空母艦的回注—彈射蒸汽共用的燃?xì)廨啓C(jī)推進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)[5]。

3 燃?xì)廨啓C(jī)內(nèi)環(huán)水余熱加熱進(jìn)氣

燃?xì)廨啓C(jī)通常采用除鹽水來間接冷卻潤滑油、霧化空氣、燃油泵及發(fā)電機(jī)等部件。冷卻后，除鹽水的溫度升高，此時(shí)，與水質(zhì)較差的另一路冷卻水進(jìn)行熱交換,溫度降低后循環(huán)再利用。這一路的除鹽水稱為“內(nèi)環(huán)水”,用于內(nèi)環(huán)水冷卻的另一路水稱為“外環(huán)水”。內(nèi)環(huán)水出口溫度比外環(huán)水的溫度高,正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)環(huán)水出口溫度一般保持在 45 ℃以上而進(jìn)口溫度保持在 35 ℃左右。從余熱等級來看內(nèi)環(huán)水屬低溫余熱資源, 回收難度很大。但內(nèi)環(huán)水的流量高達(dá)220 t/h[6],這部分熱量是相當(dāng)大的。因此，采用氣-水換熱器,用內(nèi)環(huán)水的這部分能量加熱天然氣。這樣每年可多發(fā)電100×12×300 =360 MW·h[6]。用內(nèi)環(huán)水加熱天然氣使內(nèi)環(huán)水的溫度從 45 ℃降低到 42.3 ℃,回收了部分余熱，并增加了發(fā)電量。雖然增加了1臺(tái)換熱器，但每年可多發(fā)電360 MW·h，在國家大力提倡節(jié)能降耗的21世紀(jì),這是一個(gè)很有效的方案。

4 導(dǎo)熱油回收燃機(jī)余熱系統(tǒng)

對于天然氣深冷初加工系統(tǒng)，節(jié)能降耗是關(guān)鍵。為了滿足生產(chǎn)要求，穩(wěn)前原油需要從 48 ℃加熱到 65 ℃，而加熱穩(wěn)前原油需要大量的熱量。在深冷分離工藝中，燃?xì)廨啓C(jī)的排煙溫度大約為 405℃[7],但是，當(dāng)溫度高于180 ℃會(huì)使天然氣產(chǎn)生酸露點(diǎn)腐蝕，因此為了防止腐蝕排煙溫度一般不低于180 ℃,由此可知深冷初加工的燃?xì)廨啓C(jī)排煙余熱量還很大，回收這部分余熱用來加熱穩(wěn)前原油，將會(huì)大大降低天然氣深冷初加工系統(tǒng)的能耗。

圖2 導(dǎo)熱油回收燃機(jī)余熱系統(tǒng)圖Fig.2 The diagram of waste heat recovery system of gas turbine using conducting oil

其工藝過程為（圖 2）：空氣經(jīng)壓縮機(jī)壓縮后進(jìn)入燃燒室，與燃料充分混合后燃燒，產(chǎn)生高溫高壓的煙氣，推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)做功，對天然氣進(jìn)行深冷加工。做完功的煙氣（400~600 ℃）進(jìn)入導(dǎo)熱油—煙氣換熱器與高溫燃機(jī)煙氣換熱，吸收尾氣余熱。導(dǎo)熱油升溫后經(jīng)循環(huán)系統(tǒng)在換熱器中對穩(wěn)前原油加熱,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)燃?xì)廨啓C(jī)煙氣余熱的回收。換熱后的導(dǎo)熱油回到泵入口進(jìn)行連續(xù)循環(huán)。對于大慶油田天然氣公司，對采用導(dǎo)熱油回收余熱進(jìn)行效益分析可知整個(gè)系統(tǒng)的熱效率達(dá)到95%，每年可節(jié)電6.41萬度及節(jié)約天然氣479萬m3，節(jié)水4.75萬t，節(jié)約其他費(fèi)用12萬元，最后折合年效益283.9萬元，投資回收期為1.4年[8]。由此可知，此項(xiàng)技術(shù)在大慶具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 燃?xì)廨啓C(jī)余熱制冷進(jìn)氣

提高燃?xì)廨啓C(jī)的溫比t/t0（t為燃?xì)獬鯗兀瑃0為空氣入口溫度） 可有效提高其性能，傳統(tǒng)的熱力循環(huán)是追求更高的循環(huán)吸熱溫度比，燃?xì)獬鯗匾呀?jīng)從早期的600~700 ℃提高到目前的1 430 ℃[8]左右，由于受冷卻技術(shù)和材料所能承受溫度的影響，單純的提高燃?xì)獬鯗豻來提高系統(tǒng)性能受到很大的限制。因此，可以考慮降低空氣入口溫度t0，亦可提高溫比而提高燃機(jī)性能。

余熱制冷進(jìn)氣的回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)是一種由吸收式制冷機(jī)和回?zé)崾饺細(xì)廨啓C(jī)組合而成的聯(lián)合動(dòng)力裝置。它能夠更充分地利用燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱較大幅度的提高燃機(jī)動(dòng)力裝置的性能[9]。首先，燃?xì)廨啓C(jī)的排氣余熱先在回?zé)崞髦杏脕砑訜釅簹鈾C(jī)后的空氣，而后從回?zé)崞髁鞒龅臒煔庠龠M(jìn)入吸收式制冷機(jī)驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)，以降低進(jìn)入壓氣機(jī)的空氣溫度。由于進(jìn)氣初溫t0降低，因此在燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獬鯗豻不變的情況下提高溫比[11]，進(jìn)而提高循環(huán)比功和熱效率，出力變大，經(jīng)濟(jì)性變好。這種由吸收式制冷機(jī)和回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)聯(lián)合組成的新型燃?xì)廨啓C(jī)組的排氣余熱得到了更加充分的利用，這種性能的改善在大氣溫度較高時(shí)尤其顯著。

由于燃?xì)廨啓C(jī)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜并且變工況工作時(shí)需要調(diào)節(jié)的參數(shù)比較多，特別是調(diào)節(jié)的實(shí)施比較困難，因而這種燃?xì)廨啓C(jī)不適合于變工況使用方式的運(yùn)輸式燃?xì)廨啓C(jī)。并且，這種新型燃?xì)廨啓C(jī)的研究與開發(fā)難度較大。主要體現(xiàn)是：

(1)小巧低回?zé)岫然責(zé)崞鳠o可用成品；

(2)普通簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C(jī)改裝成回?zé)崛細(xì)廨啓C(jī)技術(shù)上的實(shí)際困難；

(3)選擇性能參數(shù)合適的吸收式制冷機(jī)不容易，并且調(diào)節(jié)系統(tǒng)上的經(jīng)驗(yàn)不足。

6 總 結(jié)

對于燃?xì)廨啓C(jī)余熱回收的各種方案，我們應(yīng)因地制宜，使其回收率達(dá)到最高。燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)多用于熱電聯(lián)供，為大容量機(jī)組，自動(dòng)化程度很高，需要工作人員較少，易于調(diào)節(jié)管理。在航空母艦上作為彈射蒸汽共用的燃?xì)廨啓C(jī)，采用蒸汽回注式則具有明顯的優(yōu)勢。利用內(nèi)環(huán)水的熱量來預(yù)熱天然氣大多數(shù)情況下用于北方寒冷的地方，在這些地方，天然氣的溫度比較低，為保證進(jìn)入燃機(jī)的天然氣無凝結(jié)液析出，用內(nèi)環(huán)水的熱量來加熱天然氣是一種可行、經(jīng)濟(jì)的途徑。采用導(dǎo)熱油系統(tǒng)回收燃機(jī)排氣余熱與采用余熱鍋爐回收燃機(jī)排氣余熱相比，系統(tǒng)效率可提高35%，在大慶油田此項(xiàng)技術(shù)得到應(yīng)用，可進(jìn)一步在其他地方推廣使用。利用排氣余熱冷卻進(jìn)氣的新型燃?xì)廨啓C(jī)，最大的優(yōu)點(diǎn)就是對大氣的敏感度減小，適用于大氣溫度變化幅度較大的地方，但它在實(shí)際推廣應(yīng)用中，存在一些問題，有待解決。

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