燃氣輪機余熱利用方式分析

摘要：作為海上石油開發的關鍵性設備，海上浮式生產儲油輪

（FPS0）在海上石油、天然氣等的開采、加工及運輸上發揮著重要作用。但受其工作環境和自身電力系統等的限制，燃氣輪機大多沒有相應的余熱回收設備。為降低能耗，保護環境，海上燃氣輪機的余熱回收利用越來越引起人們的廣泛關注。本文重點探討余熱利用的方法方式。

關鍵詞：燃氣輪機 余熱利用 海上石油平臺 回熱器

1 海上平臺電力系統

在海上油氣資源的開采過程中，海上石油平臺電力系統為整個海上石油開采系統提供能源和動力，保證了石油開采和運輸的日常運營，是海上油氣開采作業系統的重要組成部分，其優越性主要表現在：①海上浮式生產儲油輪（FPSO）的電力系統與陸地上相比有其獨特性，主要表現在：海上平臺電力系統的發電機調壓動作時間短、速度快、勵磁能力和過載能力較強；此外，燃氣輪機發電機還具有啟動快、運行平穩、效率高等優點。②海上電力平臺系統可以充分利用海上油氣開采平臺采集到的天然氣作為燃氣輪機的能源供給，既降低了燃氣運輸的風險，又節省了燃氣運輸費用。③燃氣輪機具有功率大、體積小、效率高、運行靈活、啟動快捷、排放氣體污染小等特點。因此，其在海洋采油生產設施上應用的優勢不言而喻。

2 燃氣輪機余熱利用必要性

目前，燃氣輪機的單循環熱效率為20%-42%，而小型、微型燃氣輪機的熱效率低于20%，既浪費了大量燃氣熱能，又造成了氮氧化物等的超標排放，對燃氣輪機未來的應用與發展是極為不利的。為了推動燃氣輪機的進一步發展，提高燃氣輪機排氣余熱的利用率，降低能源消耗。加大科技投入積極開發綠色產品，實現燃氣輪機余熱的高效回收利用，是我國當前燃氣輪機發展的必由之路。

3 燃氣輪機余熱利用的方式

燃氣輪機排氣余熱回收方式一般分為2種：聯合循環式和回熱式。

3.1 聯合循環式

余熱鍋爐是一種典型的熱交換器，主要用于燃氣輪機排氣余熱的回收和利用，可有效提高熱效率10%以上，在此過程中產生的蒸汽或熱水可用于取暖、制冷、發電等；將蒸汽回注可以有效提高熱效率，將熱效率提高4%以上。

余熱鍋爐裝置主要由省煤器、余熱鍋爐、過熱器三部分構成，一方面其外壁不承受壓力，但另一方面其換熱管和外壁都要承擔熱負荷。一般地，單純使用余熱鍋爐并不能達到余熱回收的理想效果，而要使用單壓式余熱鍋爐裝置（簡稱單壓鍋爐）進行余熱回收（如下圖所示），按照安裝形式劃分，可分為臥式和立式；按照循環方式劃分，可分為自然循環和強迫循環。為了降低其輔助設備的能耗和制造成本，余熱鍋爐裝置一般采用臥式自然循環。

燃氣輪機在工作時，其排煙溫度可高達400-600℃。為提升燃燒空氣溫度，降低排氣溫度達到回收廢熱目的。廠商經過設計、開發、檢驗推出了一整套燃氣輪機發電機組廢熱回收裝置，即在燃氣輪機發電機組排煙管道原有的基礎上加裝一套熱交換器，即廢氣鍋爐和一套燃油燃氣鍋爐組合而成的一套熱介質鍋爐。這套裝置通過對廢棄鍋爐和燃油燃氣鍋爐的串聯進行介質加熱，將排煙出口的溫度降低200-300℃，實現了廢熱回收和利用，降低能源消耗，實現燃氣機余熱的二次利用，減少了大氣污染。

3.2 回熱式

3.2.1 板式回熱器

板式回熱器是在板式熱交換器的基礎上進行改進發展的，用于氣-氣的板式熱交換器，其換熱系數可達350W/（m2/ ），而管式熱交換器的換熱系數只能達到30W/（m2/ ）。板肋式熱交換器具有單位體積傳熱面積大、傳熱效率高、流體阻力小、熱容量小、結構緊湊及同時允許幾種介質進行熱交換等優點，它的傳熱面積能達到（1500-2500）m2，最高可以達到5000m2，而管式熱交換器僅能達到150m2左右，其采用真空鉛焊，特別適用于小型燃氣輪機。

近年來，波形板式回熱器經過一系列的改進，新型波形板式回熱器與原來相比有了很大的不同，它由兩塊薄的金屬板一次卷壓為異型，用激光焊接手法密封兩端，上下波形板的波形相交呈X形，冷熱流體在波形板兩側的流動時，通過波形板實現熱交換；改良后的波形板式回熱器與傳統的相比具有很大優勢，主要表現在：體積小、成本低、制造工藝簡單、傳熱面積大等。因此，波形板式回熱器的氣體流通度較好，壓力損失率低；以波形接觸點作為結構支撐點，強度較好；同時，將回熱器制成環形，并安裝在燃氣輪機的外殼上，可以構成一道堅實的轉子破裂屏障，具有很高的安全性，噪聲小，安裝拆卸方便。

3.2.2 熱管式熱交換器

熱管式熱交換器作為一種新型的高效熱交換器，其應用情況可追溯到上世紀六十年代，它具有超強的導熱能力，是優良金屬的1000-10000倍，實現了低溫條件下的有效傳熱，其應用已最初宇航的熱控制，擴展到近期的電子工業、余熱回收、新能源、石油化工等方面，收效明顯。專門用于燃氣輪機余熱回收的熱管換熱器主要有三部分：殼體、熱管、隔板。熱管式熱交換器在工作時，利用其高溫煙氣使工作液液化，從而使冷流體的溫度在熱管的流動過程中得到提高，冷熱流體一般是逆向流動的，具有較高的熱傳導效率。

4 余熱利用實際數據分析

5 結論

余熱鍋爐燃氣輪機機組的組合適用于回收和利用大中型燃氣輪機的余熱，熱效率高；回熱器適用于壓比低于10的中小型燃氣輪機的回收與利用，根據中小型燃氣輪機未來的發展趨勢，回熱器很可能成為小型燃氣輪機的重要組件之一。就海洋石油發電系統而言：大型FPSO和中心平臺適合采用余熱鍋爐進行余熱回收；而中小平臺由于受空間所限，適合于采用回熱器提升燃氣輪機發電效率。 實行余熱鍋爐和回熱器的優化重組，進一步提高燃氣輪機余熱的能源階級利用，提高整個系統的能源利用效率，實現節能減排，是海上浮式生產儲油輪燃氣輪機發展的必然選擇。

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