修鈺翔

中石化石油工程設計有限公司,　山東　東營　257026

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長輸管道煙氣余熱回收應用前景

修鈺翔

中石化石油工程設計有限公司,山東東營257026

燃氣輪機煙氣的溫度一般高達500 ℃,直接排放到大氣中既造成了大量熱源浪費,又產(chǎn)生熱污染,傳統(tǒng)的回收方式利用率較低、經(jīng)濟效益有限。為提高燃驅壓縮機能源利用率,減少環(huán)境污染,研究了目前燃氣輪機煙氣利用現(xiàn)狀,提出有機朗肯循環(huán)余熱回收用于發(fā)電或作為動力驅動小功率壓縮機的方法,實現(xiàn)節(jié)約能源、提高能源利用率的目的,分析了其經(jīng)濟效益和社會效益,并對燃驅壓氣站的余熱回收利用前景進行了展望。

燃氣輪機；有機朗肯循環(huán)；余熱回收；經(jīng)濟效益；社會效益

0　前言

目前國內長輸管道壓氣站中燃驅壓氣站超過40座,燃氣輪機超過100臺,燃氣輪機靠燃燒大量天然氣提供動力,每產(chǎn)生1 MW動力需消耗7 000～7 500 m3天然氣,產(chǎn)生的煙氣溫度高達500 ℃,直接排放到大氣中既造成大量熱源浪費,又產(chǎn)生熱污染[2-3],根據(jù)GB/T 1028-2000《工業(yè)余熱術語、分類、等級及余熱資源量計算方法》[4]中余熱資源等級劃分,燃氣輪機煙氣余熱屬一類余熱資源,應優(yōu)先回收。近年來,在國家大力倡導“節(jié)能減排”能源利用政策的大環(huán)境下,煙氣余熱回收技術得到了越來越多的發(fā)展,在提高能源綜合利用率、帶來可觀經(jīng)濟效益的同時,減少了二氧化碳、氮氧化物的排放,對節(jié)約能源、改善大氣環(huán)境具有重要意義。

1　有機朗肯循環(huán)

有機朗肯循環(huán)(Organic Rankine Cycle,ORC)是以低沸點有機物(戊烷)為工質的朗肯循環(huán),主要由余熱鍋爐、透平、冷凝器和工質泵四部分組成,工藝流程見圖1。有機工質在換熱器中從余熱流中吸收熱量,生成具有一定壓力和溫度的蒸汽,蒸汽進入透平機膨脹做功,帶動發(fā)電機或拖動其他動力機械。從透平機排出的蒸汽在冷凝器中冷凝成液態(tài),最后借助工質泵重新回到換熱器,如此不斷地循環(huán)下去。由于無壓力或低壓力的熱源無法利用其他辦法實現(xiàn)熱功轉換,有機朗肯循環(huán)膨脹機是唯一選擇,在有機朗肯循環(huán)中,工質的作用是將熱源的熱值提取出來,將溫度轉化為壓力、動力,實現(xiàn)熱源的動力輸出[8-14]。

該技術始于20世紀60年代,技術較成熟,裝置規(guī)模10 kW～17 MW不等,在水泥、鋼鐵、冶金等行業(yè)的余熱回收中應用廣泛,國外長輸管道方面,加拿大運輸管道公司、美國北方管道公司等均采用有機朗肯循環(huán)開展余熱回收,回收功率最大16 MW。有機朗肯循環(huán)與常規(guī)水蒸氣朗肯循環(huán)相比優(yōu)點如下：

1)對較低溫度熱源的利用效率更高。

2)戊烷比水蒸氣密度大、比容小,所需膨脹機、排氣管道及冷凝器中的管道直徑均較小。

3)與水蒸氣不同,戊烷在膨脹做功過程中,從高壓到低壓始終保持干燥狀態(tài),可以減少對膨脹機的腐蝕。

4)有機工質冷凝壓力高,整個系統(tǒng)在接近和稍高于大氣壓力的情況下工作,降低有機工質的漏失。

圖1　有機朗肯循環(huán)(ORC)工藝流程圖

5)有機工質凝固點很低(低于-73℃),允許在較低溫度下仍能釋放能量；在寒冷天氣可增加出力,冷凝器也無需增加防凍設施。

2　有機朗肯循環(huán)余熱回收的應用

燃氣輪機煙氣屬于一類余熱資源,鑒于有機朗肯循環(huán)余熱回收良好的經(jīng)濟效益、社會效益,已引起長輸管道運營單位的高度關注,并進行了大量研究,以實現(xiàn)余熱回收的經(jīng)濟效益、社會效益最大化。目前主流的發(fā)展方向有兩種：一是膨脹機帶動發(fā)電機發(fā)電進行上網(wǎng)交易[15-18]；二是膨脹機帶動離心壓縮機對天然氣進行增壓[19]，流程見圖2。以國內某干線天然氣管道1座燃驅壓氣站年平均溫度工況為例,對上述兩種余熱回收方式進行分析,由于擬建管道達產(chǎn)較快,因此以達產(chǎn)工況進行分析,該壓氣站設計參數(shù)見表1,壓氣站不同工況機組配置見表2。

表1壓氣站設計參數(shù)

流量/(104m3·d-1)高程/m壓縮機進口壓力/MPa壓縮機出口壓力/MPa壓縮機進口溫度/℃壓縮機出口溫度/℃877015007.8511.8532.267.4壓比計算功率/MW機組選型最冷月平均氣溫/℃全年平均氣溫/℃最熱月平均氣溫/℃1.549.0830MW(2+1)70.09483.916187

表2壓氣站不同工況機組配置

工況運行臺數(shù)/臺燃機負荷率/(%)燃機單機運行軸功率/MW動力透平轉速/(r·min-1)每臺燃機煙氣流量/(kg·s-1)每臺燃機煙氣溫度/℃每臺燃機耗氣量/(m3·h-1)冬季28124.6595073.77434.966100春秋季29124.6595070.09483.916187夏季37616.4550056.45500.964629

圖2　余熱回收用于發(fā)電、驅動增壓

2.1用于發(fā)電

余熱回收用于發(fā)電是指有機工質進入膨脹機膨脹做功,帶動發(fā)電機發(fā)電,經(jīng)計算,在表2壓氣站不同工況下發(fā)電功率見表3。

表3不同工況發(fā)電功率

工況運行臺數(shù)/臺燃機負荷率/(%)燃機單機運行軸功率/MW余熱發(fā)電功率/MW冬季28124.610.0春秋季29124.611.0夏季37616.411.6

在冬季工況下,2臺機組運行,發(fā)電功率10 MW；春秋季工況下,2臺機組運行,發(fā)電功率11 MW；夏季工況,3臺機組運行,發(fā)電功率11.6 MW。由于不同季節(jié)發(fā)電功率相差不大,近似按11 MW進行效益分析,按照每年工作8 400 h、上網(wǎng)電價0.32元計算,每年產(chǎn)生效益為2 957萬元,按照標準煤折算,每年減少二氧化碳排放量78 897 t,減少氮氧化物排放量219 t,整套余熱回收裝置投資約 17 000 萬元,投資回收期約6年,如果考慮減排的碳交易費用,回收期將更短。

通過該方式產(chǎn)生的電能直接進行上網(wǎng)交易,對站內生產(chǎn)流程無影響,經(jīng)濟效益較可觀,但電能上網(wǎng)交易存在不確定性,電力資源充足地區(qū)上網(wǎng)交易困難,且在發(fā)輸電過程中需要與地方供電部門交涉,存在升壓、建設輸電線路等問題。

2.2用于機械傳動

余熱回收用于驅動離心壓縮機是指有機工質進入膨脹機膨脹做功,帶動壓縮機做功,對天然氣進行增壓,即在站內已建壓縮機非滿負荷運行的情況下,增加1臺小壓縮機組,與已建壓縮機組并聯(lián)運行來增壓,新增壓縮機組的動力通過余熱回收的熱量轉換獲得。

對表1的壓氣站參數(shù)進行分析,在考慮余熱回收驅動小功率壓縮機組的情況下,站場其他機組的運行工況均會發(fā)生變化,經(jīng)過優(yōu)化后,站場機組的主要運行參數(shù)見表4。

表4用于驅動壓縮機方案的機組主要運行參數(shù)

工況機組配置運行臺數(shù)/臺燃機負荷率/(%)運行功率/MW每臺燃機耗氣量/(m3·h-1)全站耗氣量/(m3·h-1)直驅方案節(jié)約燃氣/(m3·h-1)冬季燃機28149.2666313325燃機+ORC2+ORC6640+9.25417108332492春秋季燃機29149.2666313325燃機+ORC2+ORC7239+10.25281105632763夏季燃機37649.2444213325燃機+ORC2+ORC8938.6+10.45227104542871

根據(jù)表4的對比結果,燃機+ORC的混合驅動操作方案除在夏季工況可以直接減少1臺燃機運行外,在全年其他工況都可以比單獨應用燃機驅動輸氣的方案節(jié)省燃料氣,按照每季度操作2 100 h計算,每年可減少天然氣消耗2 286×104m3,按照天然氣出廠價+站場所在地管輸費計算,每年節(jié)省費用6 032萬元,按照標準煤折算,每年減少二氧化碳排放量64 391 t,減少氮氧化物排放量179 t,整套余熱回收裝置投資約24 000萬元,投資回收期約4年,如果考慮減排的碳交易費用,回收期將更短。另外夏季減少1臺燃氣輪機運行,可以減少運行維護費用(主要為熱部件費用)。

該方式的經(jīng)濟效益明顯高于余熱發(fā)電,但站場壓縮機組的運行需要與增加的小功率機組統(tǒng)一調配,對生產(chǎn)運行人員要求較高,社會效益略低于余熱發(fā)電方案,同時對已建站場的適用性不強。如果在壓氣站設計初期將余熱利用作為設計內容，統(tǒng)一考慮燃氣輪機的選型,提高燃氣輪機的負荷率,充分利用燃氣輪機的煙氣,將產(chǎn)生更高的經(jīng)濟效益、社會效益。

3　結論

通過上述分析可知,燃氣輪機排放的煙氣通過有機朗肯循環(huán)進行余熱回收,用于發(fā)電或驅動離心壓縮機與站內壓縮機并聯(lián)對天然氣進行增壓,經(jīng)濟效益、社會效益較好,尤其是驅動小功率壓縮機與站內壓縮機并聯(lián)運行,可實現(xiàn)經(jīng)濟效益、社會效益最大化。從減少污染物排放、改善大氣環(huán)境,節(jié)約能源、提高能源綜合利用率,以及企業(yè)的經(jīng)濟收益角度考慮,燃驅壓氣站余熱回收應用前景廣闊,是未來的發(fā)展趨勢。

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2015-09-23

修鈺翔(1984-)，男，山東龍口人，工程師，學士，主要從事油氣工藝設計工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.023