熱管技術在煙氣余熱利用上的應用研究

王紅濤 李正茂 時振堂

摘 要：熱電聯供系統可以大幅度提高能源利用效率。針對集氣站生產工況，采用熱管式換熱器回收燃氣發電機高溫煙氣的余熱，可以滿足集氣站對熱能的需求。同時，熱電聯供系統以部分放空天然氣為燃料，具有環保和節能雙重效益。

關 鍵 詞：熱電聯供;內燃發電機;熱管式換熱器;管板式換熱器

中圖分類號：TQ 052 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）06-1324-03

Application of the Heat Pipe Technology in Waste Heat Recovery of Flue Gas

WANG Hong-tao，LI Zheng-mao，SHI Zhen-tang

（Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract： The efficiency of energy utilization can be improved by the combined heat and power （CHP） system.In this paper， CHP system was established according to the demand of electric and thermal energy. The heat pipe heat-exchanger was used to recovery the waste heat of flue gas.

Key words： Combined heat and power; Combustion engine generator; Heat pipe heat-exchanger; Tube plate heat-exchanger

內燃發電機是一種以液化氣、天然氣、伴生氣等可燃氣體為燃燒物，代替汽油、柴油作為發動機動力的新型高效的新能源發電機。由于其具有輸出功率范圍廣，啟動和運行可靠高、發電質量好、重量輕、體積小、維護簡單、低頻噪聲小、大氣污染物排放低等優點，符合分布式能源的特點，在小型（冷）熱電聯供項目中被廣泛采納[1]。

內燃發電機在發電過程中能源轉換效率較低，圖1為600kW燃氣發電機的熱平衡計算數據?？梢钥闯?，在發電過程中只有約36%燃料能量被轉化成電能，其它的能量隨高溫煙氣、發電機高/低溫冷卻水和散熱等方式以熱能的形式排到環境中，并沒有被利用。因此在條件允許的情況下，應盡可能地利用高溫煙氣和發電機高溫缸套水的熱量，采用（冷）熱電聯供的方式，提高能源利用率。

傳統的換熱器主要采用管板式結構，在回收余熱過程中存在體積大、煙氣阻力大、易產生低溫腐蝕和投運率低等問題，給系統設計布置帶來諸多不便。采用熱管式換熱器可以較好的解決上述問題，適合發電機高溫煙氣余熱回收利用。

本文以某天然氣集氣站發電機高溫煙氣余熱利用為例，論述熱管技術在燃氣發電機高溫煙氣余熱利用上的應用。

圖1 內燃發電機熱平衡圖

Fig.1 Thermal equilibrium diagram of combustionengine generator

傳統的換熱器主要采用管板式結構，在回收余熱過程中存在體積大、煙氣阻力大、易產生低溫腐蝕和投運率低等問題，給系統設計布置帶來諸多不便。采用熱管式換熱器可以較好的解決上述問題，適合發電機高溫煙氣余熱回收利用。

本文以某天然氣集氣站發電機高溫煙氣余熱利用為例，論述熱管技術在燃氣發電機高溫煙氣余熱利用上的應用。

1 熱管換熱器的原理和特點

1.1 原理

熱管是在一根抽除不凝氣體的密閉金屬管內充以一定量的工作液體構成的。典型的熱管由管殼、外部擴展受熱面、端蓋組成，將管內抽成1.3×（10-1～10-4）Pa的負壓后充入適量的工作液體，然后加以密封。工作液體在熱端吸收熱量而沸騰汽化，產生的蒸汽流到冷端放出潛熱而凝結為液體，凝結液回至熱端再次吸熱沸騰汽化，如此反復循環，熱量不斷地由熱端傳遞到冷端，完成換熱循環[2，3]。

圖2為重力式熱管工作原理圖，凝結液通過重力作用回到熱端，具有結構簡單、運行穩定等特點，被廣泛應用。

圖2 重力式熱管工作原理

Fig.2 Operating principle of gravity type heat pipe

heat-exchanger

1.2 熱管換熱器的主要特點

熱管換熱器主要有以下的特點[4-6]：

（1）換熱效率高：熱管是靠工質相變時吸收和釋放汽化潛熱，以工質流動來傳導熱量的，導熱率高，其導熱能力是同等銀導熱量的2000倍，紫銅的6000倍。傳熱系數K與傳統管板式換熱器相比可提高5～10倍。同等換熱量的條件下，高換熱效率可縮小換熱面積，減小設備的體積，減輕設備重量，便于在撬裝燃氣發電機組集裝箱上安裝，使整個裝置結構緊湊、布局方便，為撬裝化提供便利。

（2）流體阻力小。兩種交換介質均走管外，無需往返，流程可大大縮短，且介質流動方向與散熱片方向一致，從而可以降低流動阻力。由于燃氣發電機的排氣壓力一般為3～4 kPa，壓力較低，減少煙氣的流動阻力，可防止因阻力大導致發電機排氣背壓升高，影響發電機組的正常工作。

（3）壁溫可調可控?？梢酝ㄟ^調整蒸發段、冷凝段的傳熱面積來控制熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區域，遠離煙氣酸露腐蝕。因此使用熱管換熱器可緩解煙氣低溫腐蝕，大幅降低排煙終溫，回收更多利用的余熱。

（4）工作安全可靠。由于熱管工作不需要動力，無運動部件，不產生噪音，冷熱流體均在管外流動，且通過隔板完全分開，單根熱管獨立工作，互不影響，易拆卸更換，即使單根熱管失效，也不會發生冷熱流體摻雜，危及換熱器的運行安全。所以采用熱管換熱器可實現長周期運行，提高設備投入率。

2 工程實例及效益分析

2.1 工藝方案

西部油田某采氣廠一集氣站，主要任務是收集單井天然氣，對其進行脫水和回收凝析液，處理后輸往采氣廠繼續處理后進入輸氣管網。所需的能源主要是電能和熱能，其中電負荷400kW，主要為丙烷壓縮機和各類泵提供動力，用電引自附近的110kV變電所，通過架空線引至集氣站。熱能用于油氣分離、油罐保溫和冬季采暖，配有兩臺水套加熱爐，分別為1臺400kW（一號）和1臺200kW（二號）燃氣水套爐，燃料為低壓井天然氣。

低壓井油氣經過分離后，氣體壓力低、數量少，采用增壓的方式輸送至采氣廠經濟效益差。鑒于該站有電、熱負荷需求，且有排空天然氣，撫順石油化工研究院經過分析研究提出了熱電聯供解決方案，可以滿足集氣站生產需要，同時提高能源的綜合利用率。

通過對現場所需電、熱負荷進行綜合計算并，結合近遠期發展規劃，確定熱電聯供裝置規模和工藝流程。利用低壓排空天然氣為燃料，新上一臺內燃發電機組，為集氣站提供所需的電能;充分回收利用發電機高溫煙氣和缸套水的余熱，滿足原油加熱油氣分離和油罐伴熱保溫所需熱量。其中，發電機組采用600kW天然氣發電機，針對煙氣和缸套水兩部分余熱，采用400kW煙氣余熱利用裝置和200kW缸套水余熱利用裝置，同時配套相關的控制測量設備。

集氣站熱電聯供系統自2014年6月份開始建設，10月底完成整體建設（裝置如圖3所示），并進行現場調試工作。

圖3 熱電聯供余熱回收裝置

Fig.3 Waste heat recovery device of the cogeneration generator

根據現場的實際情況，撫順石油化工研究院提出了用熱管式換熱器替代傳統的管板式換熱器的設想，以減少換熱器體積便于在發電機集裝箱上安裝（裝置如圖3所示），減少煙氣阻力，保證發電機正常工作。同時減少低溫腐蝕提高設備投運率。

熱管式換熱器下部為煙道，上部為水箱，中間由隔板隔開。發電機煙氣通過煙道從左向右，化補水流向與煙氣流向成逆流，提高換熱平均溫度，增加換熱量。工作時煙氣流經熱管余熱回收器煙道沖刷熱管下端，熱管吸熱后將熱量導至上端，將化補水加熱。

2.2 系統能源利用效率

熱電聯供系統2014年11月份平均運行數據如下：

天然氣參數：

低位發熱量（101.3kPa，293K時）：38.82 MJ/ m3;

進氣壓力：192kPa;

溫度：22.1℃;

流量：54.1 m3/h;

發電機功率： 400kW。

一號水套爐：

進水溫度：68.3℃;

出水溫度：75.2℃;

流量：31.5t/h。

煙氣：

進換熱器溫度：574.3℃;

出換熱器溫度：161.1℃。

由以上數據計算系統的能源利用效率，結果如下：1#水套爐回收缸套水熱量為912.87MJ。

天然氣中甲烷含量按照90%計算，空氣流量為：

（Nm3/h）

煙氣質量為：

qm=0.7174×144.90×90%+[（144.90-144.90×90%）+1594]×28.9/22.4=2168.68（kg/h）。

排煙的比熱容按煙道氣體計算，在100～600℃的平均定壓比熱容為1.134kJ/（kg·℃），甲烷的密度為0.7174 kg/m3。

機組利用排煙余熱Q排煙=（573.3-161.1）×1.134×2168.6=1013.7×103（kJ/h）=1013.7（MJ/h）

機組回收余熱占進入發電機天然氣發熱量的百分比為：

式中：V20—轉化為標準狀況下天然氣耗量;

Qnet—標準狀況下天然氣低位發熱量;

C—燃氣效率。

實際生產過程中，為了滿足工藝需求，發電機余熱也未進行完全回收利用，煙氣三通閥開度為70.3%。為了防止低溫腐蝕，一般控制煙氣溫度不低于120 ℃。如果達到120 ℃，換熱器可回收利用煙氣余熱1114.8 MJ/h，占進入發電機天然氣發熱量的20.5%。

2.3 效益分析

整套熱管式換熱器投資為6萬元。

回收熱量替代天然氣加熱水套爐，按熱量計算每小時可節約天然氣32.24 Nm3，年節約天然氣22.57萬Nm3，減少天然氣成本23.7萬元。投資回收期0.25 a，考慮到運行維護費用，投資回收期不超過0.5 a。

3 結 論

利用熱管式換熱器回收燃氣發電機煙氣余熱可提高系統的整體綜合能源利用率。與傳統管板式換熱器相比具有換熱效率高、體積小、重量輕、煙氣阻力小、不易產生低溫腐蝕、可在線更換、投運率高等優點。如果天然氣中硫含量低，可進一步降低換熱器排煙溫度。

參考文獻：

[1]艾芊，鄭志宇.分布式發電與智能電網[M].上海：上海交通大學出版社，2012.

[2]莊駿，徐通明，石壽椿.熱管與熱管換熱器[M]上海：上海交通大學出版社，1989.

[3]張欣，趙清晨. 熱管換熱器在小型鍋爐上的應用[J] . 山西建筑，1998（03）.

[4]王斌斌，仇性啟. 熱管換熱器在煙氣余熱回收中的應用[J] .通用機械，2006（03）.

[5]孫州陽，徐光備，由世俊，等. 熱管余熱鍋爐的方案設計及經濟性分析[J] .煤氣與熱力，2013，10（23）：620-622.

[6]劉光鐸，張凱，曹玉民，等. 熱管換熱器回收鍋爐排煙余熱系統及其熱力分析[J].熱力發電，1993（04）.