劉國榮何澤慧王春喜張磊陳永偉

（華北油田公司第四采油廠）

華北油田分公司第四采油廠永清氣處理站，主要功能為天然氣脫水脫烴處理和天然氣凝液的穩(wěn)定分餾處理，該站日處理天然氣25×104～30×104m3，生產(chǎn)液化氣和穩(wěn)定輕烴30 t。該站主要由燃?xì)庹羝仩t提供熱能滿足生產(chǎn)和生活用熱。年消耗燃?xì)?6×104m3。動(dòng)力采用濟(jì)柴2臺(tái)1 200 kW天然氣發(fā)電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電，發(fā)電機(jī)煙氣和缸套水的熱量未回收，熱損失大。

1 利用高溫?zé)煔庵普羝到y(tǒng)

該站每臺(tái)1 200 kW燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組，發(fā)電功率約為800～900 kW，根據(jù)國內(nèi)廠家的測試結(jié)果表明，所燃?xì)怏w只有33%的熱量用來發(fā)電，約有42%的熱量通過高溫?zé)煔馀趴?。為充分利用余熱，設(shè)計(jì)一套余熱利用系統(tǒng)，充分利用高溫?zé)煔鉄崃俊?/p>

1.1 熱工核算

天然氣在空氣中完全燃燒公式：CH4+2O2+8N2→2H2O+CO2+8N2；天然氣在空氣中不完全燃燒公式：CH4+3O2+12N2→4H2O+2CO2+12N2。

目前中國石油集團(tuán)濟(jì)柴動(dòng)力有限公司生產(chǎn)的1 200 kW天然氣發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電功率為900 kW，排煙溫度為580℃左右，當(dāng)高溫釬焊熱管式余熱回收裝置產(chǎn)蒸汽溫度為152℃左右時(shí)，它排出的煙氣溫度為200℃[1-2]。當(dāng)天然氣完全燃燒時(shí)天然氣和空氣的體積比為1∶10，為使燃料充分燃燒，一般燃?xì)馀c空氣的混合比例為1∶12（按1 m3發(fā)3.0 kWh電計(jì)算）。

式中：Qe為煙氣余熱，kJ/h；m為煙氣質(zhì)量，kg/h；Δhs為煙氣晗降，kJ/kg；ηg為效率95%；得出Qe=548 kWh，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)組可回收熱量為1 096 kWh。

1.2 余熱鍋爐換熱面積核算

式中：Q為總換熱能量，kJ；UA為總換熱系數(shù)，kJ/(℃·m2)；ΔTLM為對數(shù)平均溫差，℃；Ft為對數(shù)平均溫差校正系數(shù)；ΔT1為熱流出口與冷流進(jìn)口溫差，℃；ΔT2為熱流進(jìn)口與冷流出口溫差，℃；A=100 m2。

2 煙氣制蒸汽系統(tǒng)

2.1 鎳基釬焊熱管余熱鍋爐

鎳基釬焊管，即將鎳鉻合金滲入鍋爐管或ND鋼（耐低溫露點(diǎn)腐蝕鋼）表面，形成致密光滑涂層，使管片和母管的焊著率為100%，有效的擴(kuò)展了換熱面積，提高了換熱系數(shù)，同時(shí)具有很好的耐高溫和耐腐蝕性能[3-5]。

2.2 鎳基釬焊熱管式余熱回收裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1）結(jié)構(gòu)緊湊、換熱面積大。單位長度的釬焊熱管換熱面積是普通光管的七倍左右，同時(shí)釬焊熱管之間是獨(dú)立的。因而相同換熱面積的釬焊熱管余熱回收裝置普通光管的設(shè)備相比，其體積和占地面積成數(shù)倍的減小，并且其重量也有不同幅度的降低。

2）維修方便。釬焊熱管是采用整根無縫鋼管制造完成的，使其具有很高的耐壓性能，一般情況很少出現(xiàn)質(zhì)量方面的問題。如果偶然發(fā)現(xiàn)某一根釬焊熱管出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，只是一端泄漏而另外一端會(huì)完好無損，這樣不更換也不影響設(shè)備運(yùn)行。

3）受壓元件無熱應(yīng)力。每一根釬焊熱管組裝時(shí)，無任何強(qiáng)制組裝現(xiàn)象，因而不會(huì)產(chǎn)生組裝應(yīng)力。同時(shí)每一端呈自由狀態(tài)。這樣設(shè)備在運(yùn)行過程中，無熱應(yīng)力產(chǎn)生。

4）可高效連續(xù)的運(yùn)行。根據(jù)其傳熱機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，釬焊熱管技術(shù)具有較強(qiáng)的防垢、防灰和自除垢、除灰能力。其設(shè)備可以長時(shí)間的保持高效運(yùn)行。余熱鍋爐安裝如圖1。

圖1 余熱鍋爐安裝圖Fig.1 Installation drawing of waste heat boiler

2.3 煙氣制蒸汽余熱系統(tǒng)

煙氣的熱量通過擴(kuò)大受熱面積的熱管段傳遞給軟化水，采用自然循環(huán)的形式，把水加熱為飽和蒸汽。通過水位控制器控制蒸汽空間，提高飽和蒸汽的壓力，通過控制柜將信號(hào)傳遞給給水泵，通過PID變頻控制，使水位始終保持一個(gè)恒定值。

系統(tǒng)由高溫?zé)煔庹羝l(fā)生器、鍋爐上水泵（變頻電動(dòng)機(jī)）、高溫?zé)煔饨o水加熱器、軟化水箱上水泵、閥門儀表、PLC控制柜、輸水輸汽管線等組成。煙氣余熱回收系統(tǒng)如圖2。

圖2 煙氣余熱回收系統(tǒng)Fig.2 Flue gas waste heat recovery system

3 缸套水制熱水系統(tǒng)

3.1 熱工核算

缸套水進(jìn)水溫度為67℃；缸套水出水溫度為74℃；缸套水循環(huán)水量為60 m3/h；單臺(tái)機(jī)組缸套水可以回收的熱量為488 kWh，兩臺(tái)發(fā)電機(jī)缸套水合計(jì)回收熱量976 kWh。

3.2 寬版式換熱器

系統(tǒng)主要由寬版式換熱器、電動(dòng)比例三通閥、機(jī)組冷卻器、閥門儀表、輸水管線組成。

發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)高溫循環(huán)水經(jīng)寬版式換熱器與采暖水換熱，釋放約3 514.56 MJ的熱量。系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備為M1和M2電動(dòng)比例三通閥。M1為低溫控制，M2高溫控制閥[6-10]。當(dāng)缸套循環(huán)水進(jìn)水溫度超溫高于67℃時(shí)M2開大，缸套水經(jīng)風(fēng)冷器降溫。當(dāng)采暖水吸收熱量過大，缸套水出水溫度低于74℃時(shí)M1關(guān)小。缸套水溫度進(jìn)出水溫度維持在67～74℃，保證發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行和充分換熱。缸套水余熱回收系統(tǒng)如圖3。

圖3 缸套水余熱回收系統(tǒng)Fig.3 Cylinder liner water waste heat recovery system

4 經(jīng)濟(jì)效益與分析

1）通常燃?xì)獍l(fā)電機(jī)余熱回收僅限于煙氣，大約可回收燃?xì)馊紵裏嵝实?0%，為提高效率，我們將缸套水也進(jìn)行了回收，不僅可以將熱能回收率提高到70%，且還減少了發(fā)電機(jī)輔助散熱能耗消耗。2022年1—3月份永清站在熱負(fù)荷不變的情況下較2021年同期減少自用氣量30×104m3，創(chuàng)效約60萬元。燃?xì)獍l(fā)電余熱回收效率見表1。

表1 燃?xì)獍l(fā)電余熱回收效率Tab.1 Waste heat recovery efficiency of gas generator

2）煙氣余熱鍋爐水位通過變頻器PID控制，水位恒定，蒸汽壓力波動(dòng)小。缸套水電動(dòng)比例三通閥保證缸套水溫穩(wěn)定，發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的同時(shí)，最大能力釋放熱量。

3）永清站發(fā)電機(jī)余熱系統(tǒng)與燃?xì)忮仩t系統(tǒng)設(shè)計(jì)為互為冗余，正常情況下發(fā)電機(jī)余熱系統(tǒng)可滿足該站生產(chǎn)與生活用熱需求，極寒天氣下發(fā)電機(jī)余熱鍋爐和燃?xì)忮仩t同時(shí)啟動(dòng)，熱量互補(bǔ)。永清站2021—2022年自用氣對比如圖4。

圖4 永清站2021—2022年自用氣對比Fig.4 Comparison of gas in Yongqing station from 2021 to 2022

5 結(jié)論

油氣站點(diǎn)為消除伴生氣放散，滿足安全環(huán)保的要求，天然氣發(fā)電機(jī)應(yīng)用愈加廣泛，燃?xì)獍l(fā)電機(jī)產(chǎn)生的高溫?zé)煔夂透滋姿绾胃咝Щ厥绽?，滿足節(jié)能、安全、環(huán)保的要求已成為相關(guān)領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。

永清站燃?xì)獍l(fā)電機(jī)煙氣余熱回收通過鎳基釬焊熱管余熱鍋爐，即將鎳鉻合金滲入鍋爐管或ND鋼表面，有效的擴(kuò)展了換熱面積和換熱效率，換熱系數(shù)提高至146.5 kJ/m2℃，同時(shí)具有很好的耐高溫和耐腐蝕性能，回收蒸汽量0.8 t/h。發(fā)電機(jī)缸套水余熱通過新建板式換熱器、電動(dòng)比例三通閥、PLC自動(dòng)控制，回收缸套水熱量488 kWh。

發(fā)電機(jī)煙氣余熱和缸套水余熱的綜合利用，將發(fā)電機(jī)整體熱效率提高到70%，同時(shí)降低了燃?xì)庹羝仩t的負(fù)荷，達(dá)到了節(jié)能、增效的預(yù)期效果。通過對發(fā)電機(jī)煙氣制蒸汽和缸套水余熱回收技術(shù)應(yīng)用及效果評價(jià)，煙氣和缸套水余熱回收技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景廣泛。