趙衛(wèi)東，李 鵬，黃建敏，孫 巍，葛永廣，侯永強

(1.塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000； 2.新疆油田西北油田節(jié)能監(jiān)測中心，新疆 克拉瑪依 834000；3.東北石油大學(xué) 石油工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 4.東北石油大學(xué) 機械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

燃氣發(fā)動機是油氣田生產(chǎn)中大量使用的耗能設(shè)備，特別是在油氣田高壓注氣開采、地下儲氣庫的注氣過程中大量使用[1]，燃氣發(fā)動機的排煙溫度高達500～600 ℃，是國家標準GB/T 1028—2018中規(guī)定的1級余熱資源應(yīng)充分利用。本文根據(jù)燃燒學(xué)理論對燃氣發(fā)動機余熱資源量進行分析評價。根據(jù)評價結(jié)果，提出通過增設(shè)余熱鍋爐，用燃氣發(fā)動機排放的高溫?zé)煔庾鳛闊嵩?，通往余熱鍋爐來加熱導(dǎo)熱油以回收煙氣余熱，供給需要用熱工藝環(huán)節(jié)，實現(xiàn)節(jié)約能源。根據(jù)本文建立的燃氣發(fā)動機余熱資源量的評價與計算方法，對余熱資源量進行評價，根據(jù)評價結(jié)果設(shè)計注氣壓縮機余熱回收方案與設(shè)備選型，同時評價設(shè)計方案的投資回收期，給出經(jīng)濟可行的余熱資源回收方案。同時也為各油氣田企業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域開展節(jié)能潛力及余熱資源量的分析評價及技術(shù)改造工作提供借鑒。

1 注氣壓縮機煙氣余熱回收方案

以塔里木油田高壓注氣壓縮機組為例，將注氣站 7 臺注氣壓縮機排煙余熱回收加熱導(dǎo)熱油，代替原有的3 臺導(dǎo)熱油爐。由于注氣站注氣壓縮機的內(nèi)燃機尾氣排氣溫度較高，達到了500 ℃，屬于1級余熱資源，有大量的可利用熱能，在現(xiàn)有系統(tǒng)中這部分能量未加回收而直接排入大氣。在同一廠站內(nèi)天然氣處理工藝中需要大量的熱，而這部分熱能是由3臺導(dǎo)熱油爐來提供的。因此，可通過增設(shè)余熱回收鍋爐，用內(nèi)燃機排氣作為熱源，通過余熱回收鍋爐來加熱導(dǎo)熱油，最終減少天然氣的消耗量，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。

注氣壓縮機余熱回收方案主要設(shè)備包括余熱鍋爐、泵、引風(fēng)機、引風(fēng)道、電控閥門、安全閥、儀表和控制系統(tǒng)等。注氣壓縮機余熱回收方案工藝圖如圖1所示。內(nèi)燃機高溫?zé)煔庠谝L(fēng)機的作用下經(jīng)引風(fēng)道進入余熱鍋爐，進行余熱回收。

圖1 注氣壓縮機余熱回收方案工藝圖

2 天然氣發(fā)動機煙氣量計算

2.1 天然氣燃燒理論空氣量

根據(jù)天然氣燃燒基本理論，計算天然氣發(fā)動機天然氣燃燒的理論空氣量、理論煙氣量、實際煙氣量和尾氣排放處煙氣成分體積分數(shù)。

下面的計算式中，天然氣組分的體積分數(shù)用組分的化學(xué)分子式符號(其數(shù)值是體積百分數(shù)的分子值)表示。所計算得到的氣體量的單位為m3/m3(標準)，即為每燃燒1 m3(標準)天然氣所耗空氣或所生成的氣體量。

供給天然氣發(fā)動機的剛好滿足天然氣完全燃燒所需的空氣量稱為理論空氣量。標準狀態(tài)下，1 m3(標準)天然氣完全燃燒的理論空氣量V0為[2-3]

(1)

2.2 天然氣燃燒理論煙氣量

在理論空氣量下天然氣完全燃燒產(chǎn)生的煙氣主要成分包含CO2、SO2、N2和水蒸氣。CO2和SO2通常被統(tǒng)稱為三原子氣體，用RO2表示[4]。

2.2.1 理論三原子氣體體積

(2)

2.2.2 理論氮氣體積

(3)

2.2.3 理論水蒸氣體積

(4)

式中：Md為天然氣所帶的水量，g/m3(標準)。

2.2.4 理論煙氣體積

(5)

2.3 排煙處實際煙氣量

考慮天然氣發(fā)動機在燃燒過程中，過量空氣對燃燒的影響，排煙處實際煙氣量為理論煙氣量與過量空氣之和。

2.3.1 實際空氣量

天然氣發(fā)動機燃料燃燒過程中，為了確保燃料完全燃燒，提高發(fā)動機效率，需要多供給一些空氣，這部分空氣稱過量空氣。實際空氣量與理論空氣量的比值稱為過量空氣系數(shù)，用α表示。1 m3(標準)天然氣完全燃燒所需的實際空氣量V為

V=α×V0

(6)

2.3.2 排煙處水蒸氣體積

考慮天然氣發(fā)動機在燃燒過程中過量空氣的影響，排煙處水蒸氣體積V3為

(7)

2.3.3 排煙處氧氣體積

實際空氣量V與理論空氣量V0差值為過量空氣量，排煙處氧氣體積V4為

V4=0.21(V-V0)=
0.21(αV0-V0)=0.21(α-1)V0

(8)

2.3.4 排煙處三原子氣體體積

三原子氣體體積V1為

V1=0.01(CO2+CO+H2S+∑mCmHn)

(9)

2.3.5 排煙處氮氣體積

排煙處氮氣體積V2為

(10)

2.3.6 排煙處干煙氣體積

排煙處的煙氣成分為RO2、O2、N2和H2O，其中干煙氣成分為RO2、O2和N2，排煙處干煙氣體積Vgy為3者體積之和：

Vgy=V1+V2+V4

(11)

2.3.7 排煙處煙氣體積

排煙處的煙氣體積Vpy為干煙氣和水蒸氣體積之和：

Vpy=Vgy+V3

(12)

2.4 排煙處干煙氣成分體積分數(shù)

干煙氣中氧氣的體積百分數(shù)φ(O2)為

(13)

干煙氣成分中三原子氣體的體積百分數(shù)φ(RO2)為

(14)

干煙氣成分中氮氣的體積百分數(shù)φ(N2)為

(15)

3 天然氣發(fā)動機煙氣余熱資源量計算

余熱鍋爐對天然氣發(fā)動機的高溫?zé)煔膺M行回收時要考慮煙氣對余熱鍋爐的低溫腐蝕問題。為了防止煙氣溫度低于煙氣露點而產(chǎn)生低溫腐蝕，一般要求余熱鍋爐的排煙溫度高于煙氣露點溫度。煙氣露點Halstead圖表法給出的最高露點溫度152 ℃[5]，因此大部分加熱爐要求排煙溫度不低于150 ℃。余熱鍋爐排煙溫度在不低于150 ℃的工況下運行，水蒸氣處于過熱狀態(tài)，天然氣發(fā)動機的高溫?zé)煔庥酂峄厥罩荒軐煔庵械娘@熱進行回收，煙氣中水蒸氣的汽化潛熱無法回收。因此燃氣加熱爐煙氣余熱資源量只對煙氣的顯熱部分進行計算。

3.1 煙氣顯熱余熱資源量計算

相同成分的天然氣在完全燃燒情況下，當天然氣發(fā)動機的過量空氣系數(shù)α相同時，每燃燒l m3(標準)天然氣產(chǎn)生的煙氣成分和煙氣量相同，因此以發(fā)動機燃燒l m3(標準)天然氣為例，計算煙氣顯熱余熱資源量。

3.1.1 干煙氣平均定壓熱容

尾氣排放處干煙氣平均定壓熱容用下式計算：

(16)

式中：cgy為排煙處干煙氣平均定壓比熱容，kJ/(m3· ℃)；c4為氧氣平均定壓比熱容，kJ/(m3· ℃)；c1為三原子氣體平均定壓比熱容，kJ/(m3· ℃)；c2為氮氣平均定壓比熱容，kJ/(m3· ℃)。

3.1.2 排煙處煙氣焓

尾氣排放處煙氣焓用下式計算：

hpy=Vgy+cgy+tpy+V2c3tpy

(17)

式中：hpy為排煙溫度為tpy時煙氣焓，kJ/m3；c3為水蒸氣平均定壓比熱容，kJ/(m3· ℃)。

3.1.3 理論可利用余熱

根據(jù)GB/T 1028—2018[7]《工業(yè)余熱資源評價方法》，理論可利用余熱量以標準環(huán)境參數(shù)溫度25 ℃為基準。余熱量一般以年計，天然氣發(fā)動機煙氣的理論可利用余熱為

(18)

式中：qll為天然氣發(fā)動機煙氣的年理論可利用余熱量，kJ/a；Bi為發(fā)動機天然氣年消耗量，m3/a；hpy為天然氣發(fā)動機排煙處煙氣焓，kJ/m3；hll為余熱鍋爐排煙溫度為25 ℃時煙氣焓，kJ/m3。

3.1.4 技術(shù)經(jīng)濟可利用余熱

在保證不產(chǎn)生低溫腐蝕的情況下，余熱回收后煙氣溫度應(yīng)不低于150 ℃，天然氣發(fā)動機的技術(shù)經(jīng)濟可利用余熱量為

(19)

式中：qky為天然氣發(fā)動機煙氣的年技術(shù)經(jīng)濟可利用余熱量，kJ/a；hky為技術(shù)經(jīng)濟工況下(余熱鍋爐排煙溫度不低于150 ℃)時煙氣焓，kJ/m3。

3.1.5 余熱利用率

余熱利用率為

(20)

3.2 余熱資源量計算方法

對于天然氣發(fā)動機的煙氣余熱資源量測試和計算，需要測試排煙溫度、煙氣各組分含量和空氣系數(shù)，用式(16)、式(17)計算干煙氣比熱容、煙氣焓值，用式(19)計算余熱資源量。

4 注氣壓縮機余熱回收量計算

以塔里木油田高壓注氣壓縮機組為例進行計算。注氣站有 7 臺注氣壓縮機組，注氣壓縮機原動機為美國COOPER公司生產(chǎn)型號為16SGT天然氣發(fā)動機。額定天然氣消耗量為1.1×104m3/d(標準)。發(fā)動機的過量空氣系數(shù)為2.02。計算7臺注氣壓縮機尾氣一年的余熱回收量。

4.1 天然氣發(fā)動機燃料天然氣組分

天然氣發(fā)動機使用的天然氣成分如表1所示。

表1 塔里木油田生產(chǎn)用燃料天然氣成分

4.2 理論煙氣余熱資源量估算

根據(jù)表2給出的天然氣成分，按照式(1)～式(12)，計算在空氣系數(shù)α=2.02條件下每燃燒1m3天然氣所需空氣量與產(chǎn)生煙氣量，煙氣中包括氧氣、三原子氣體、氮氣和水蒸氣。計算結(jié)果見表2。根據(jù)表2計算結(jié)果，按照式(13)～式(15)計算干煙氣體積百分數(shù)，計算結(jié)果見表3。

表2 每燃燒1 m3天然氣所需空氣量與產(chǎn)生煙氣量 m3/m3

表3 加熱爐干煙氣體積分數(shù)比例 %

不考慮高溫?zé)煔庠谝L(fēng)道中的熱損失，余熱鍋爐進口(天然氣發(fā)動機出口)煙氣溫度為tpy=500 ℃，余熱鍋爐出口煙氣溫度為tky=250 ℃。天然氣發(fā)動機年總耗氣量為1 476.20×104m3/a。根據(jù)干煙氣體積分數(shù)比例，根據(jù)式(16)～式(17)計算得余熱鍋爐進口處煙氣焓值為15 735 kJ/m3，出口處煙氣焓值為7 666 kJ/m3。

注氣壓縮機余熱回收方案，天然氣發(fā)動機的理論可利用余熱為2.21×1011kJ/a。天然氣發(fā)動機的技術(shù)經(jīng)濟可利用余熱量為1.19×1011kJ/a。理論可利用余熱資源量折合標煤為7 545.65 t/a。技術(shù)經(jīng)濟可利用余熱折合標煤為4 063.83 t/a。余熱利用率為53.84%。

4.3 余熱鍋爐的功率與投資回收期

根據(jù)天然氣發(fā)動機的理論可利用余熱計算結(jié)果，余熱載體為氣體，余熱載體流量為42 127 m3/h，總?cè)萘繛?.25 MW，需要安裝1臺額定容量為3 MW余熱鍋爐。注氣站原有3臺導(dǎo)熱油爐年耗氣量262×104m3/a，按照導(dǎo)熱油爐效率85%計算，可產(chǎn)生有效熱量為8.35×1010kJ/a。技術(shù)經(jīng)濟可利用余熱回收率高于70.14%就可以替代原有3臺導(dǎo)熱油爐產(chǎn)生的熱量。因此，每年可以減少消耗天然氣262×104m3/a，折合標煤2 850.28 t/a。按照一臺余熱鍋爐150萬元計算，煙道改造等其他費用投資費用大概為250 萬元。天然氣的價格1.09元/m3計算。每年回收余熱收益285.58萬元，投資回收期約為1.4年。

5 結(jié) 論

基于塔里木油田注氣站注氣壓縮機的運行現(xiàn)狀，提出了注氣壓縮機煙氣余熱加熱導(dǎo)熱油方案。對提出的方案進行了余熱資源量的分析與評價。通過本文的分析與研究得到如下結(jié)論：

(1)本文根據(jù)燃料天然氣的氣體組分、天然氣消耗量、排煙溫度和過量空氣系數(shù)對注氣站7臺燃氣注氣壓縮機余熱資源量進行了評價，計算結(jié)果表明本方案每年可以減少消耗天然氣262×104m3/a，節(jié)能潛力大。

(2)根據(jù)余熱資源量評估結(jié)果，進行了余熱鍋爐選型，需要安裝1臺額定容量為3 MW余熱鍋爐。核算了煙氣余熱加熱導(dǎo)熱油方案改造成本，并計算得到投資回收期為1.4年，經(jīng)濟效益好。

(3)本文提出的方案及分析方法能夠為后續(xù)開展節(jié)能潛力分析，以及提出有效的改進措施等提供一定的數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)導(dǎo)向，同時也為各油氣田企業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域開展節(jié)能潛力及余熱資源量的分析及評價等工作提供借鑒。