余熱發電對天然氣壓縮機組效率影響的研究

張軒陳子鑫張鑫劉國豪吳海辰張巍

（1.中國石油管道科技研究中心油氣管道輸送安全國家工程實驗室；2.中國石油中亞天然氣管道有限公司；3.中國石油北京油氣調控中心）

余熱發電對天然氣壓縮機組效率影響的研究

張軒1陳子鑫2張鑫1劉國豪1吳海辰3張巍1

（1.中國石油管道科技研究中心油氣管道輸送安全國家工程實驗室；2.中國石油中亞天然氣管道有限公司；3.中國石油北京油氣調控中心）

針對天然氣長輸管道輸氣站場壓縮機組余熱利用對燃氣輪機機組效率影響的問題，介紹了燃氣蒸汽聯合循環發電技術的工作原理，研究不同煙氣背壓情況下，燃氣輪機的運行效率情況，并通過現場測試進行驗證。測試結果表明，隨著燃驅壓縮機組煙氣背壓的提高，燃氣輪機機組效率呈現下降的趨勢，與理論分析相符；同時得出隨著機組轉速的提高，背壓對燃氣輪機效率的影響逐漸減小，即在進行余熱發電時，提高機組的運行工況有利于節能降耗，為現場實際生產提供了一定的參考與建議。

輸氣管道 燃驅壓縮機 余熱利用 背壓

近年來，為提高能源利用效率，我國天然氣長輸管道增加了一些余熱利用設備，通過回收燃氣輪機尾部高溫煙氣來進行發電。然而，在實際生產過程中發現，余熱發電會對壓縮機組的運行產生一定的影響。以西部管道某輸氣站為例，基于現場監測數據，研究余熱發電對壓縮機組效率的影響。

1 燃氣蒸汽聯合循環發電技術

近年來，針對余熱利用較為成熟的技術是將燃氣輪機和汽輪機結合[1]，利用余熱鍋爐回收煙氣熱量進行發電，原理如圖1所示。余熱不用來發電時，閥門2全關，閥門1全開，煙氣放空；余熱用來發電時，閥門1全關，閥門2全開，燃機煙氣通過引風管道進入余熱鍋爐，通過調節引風機前擋板開度，實現對煙氣進風量的控制。由圖1可知，余熱利用對于壓縮機組產生的影響相比于煙氣放空時只在于余熱發電時燃氣輪機尾部煙道的背壓值發生了改變。

圖1 燃驅壓縮機組余熱利用工作流程示意圖

2 煙氣背壓對機組運行情況的影響

針對燃氣輪機系統，在空氣和燃氣的主要流程中僅考慮由空氣壓縮機、燃燒室以及燃氣透平三部分組成的簡單循環，如圖1所示。為了方便分析研究，對該過程循環做如下理想化處理：

◇工質為理想氣體，比熱容恒定；

◇噴入的燃料氣忽略不計；

◇工質經歷的都是可逆過程，其中在空壓機與燃氣透平中為可逆的絕熱過程，在燃燒室視為定壓加熱過程，排氣視為定壓放熱過程。

2.1 背壓對燃氣透平的影響

考慮到煙氣背壓的改變直接影響到燃氣輪機燃氣透平的排氣壓力，以燃氣透平為研究對象，燃氣在燃氣透平中做功是一絕熱可逆過程，則燃氣輪機透平實際做功計算[2]如下式所示：

式中：

Nt——燃氣輪機透平實際做功，kJ；

mf——燃氣輪機透平工質質量流量，kg/s；

cp——工質定壓比熱容，kJ/（kg·K）；

T3——透平進口溫度，K；

T4——透平出口溫度，K；

ε——透平壓縮比；

k——工質絕熱指數；

ηt——透平絕熱效率，%。

由式（1）可知，隨著煙氣背壓的逐漸升高，透平壓縮比逐漸減小，進而透平實際做功量減小，即單位質量下煙氣的做功能力減弱，將會造成燃氣輪機機組效率降低。

2.2 背壓對燃氣輪機循環效率的影響

對于燃氣輪機簡單循環，其單位質量工質所做的功以及單位質量工質吸收的熱量的計算公式分別如式（2）、式（3）所示：

式中：

wn——單位質量工質所做的功，kJ；

q——單位質量工質吸收的熱量，kJ；

wt——單位質量工質在燃氣透平中做的功，kJ；

wc——單位質量工質在空壓機中消耗的功，kJ；

T1——空壓機進口溫度，K；

T2——空壓機出口溫度，K。

在計算中，近似認為 p2/p1≈p3/p4=ε則燃氣輪機簡單循環的效率計算如下式所示：

式中：

η——燃氣輪機簡單循環的效率，%；

p1——空壓機進口壓力（大氣壓），MPa；

p2——空壓機出口壓力，MPa；

p3——燃氣透平進口壓力，MPa；

p4——燃氣透平出口壓力，MPa。

理想狀態下，燃氣輪機簡單循環的效率僅與壓縮比有關，關系如圖2所示。隨著壓縮比的升高，燃氣輪機簡單循環的效率逐漸升高，并且循環效率的增加幅度逐漸減小。在其他條件不變的情況下，隨著煙氣背壓的升高，燃氣透平壓縮比逐漸減小，循環效率逐漸降低；同時，隨著燃氣輪機負荷的升高，透平壓縮比逐漸增大，此時背壓的改變對燃氣輪機循環效率的影響逐漸降低。

圖2 燃氣輪機循環效率與壓縮比對比關系

3 現場測試情況

3.1 站場情況

以某輸氣站場現場測試為例，該長輸管道壓氣站共有4臺GE燃驅機組，配用燃氣輪機額定功率31.372 MW。余熱發電廠配備1臺110 t/h余熱鍋爐、1臺25 MW汽輪發電機組?，F場測試前，站內共運行2臺燃驅壓縮機組，2臺機組煙氣均用來發電，壓縮機組及余熱發電裝置均運行正常。

針對其中某1臺壓縮機組進行測試，調節機組轉速共測試了4組工況，壓縮機轉速分別為5100、5300、5500、5700 r/min。在每組工況下，通過調節余熱利用鍋爐擋板開度，將連接管路的煙氣入口壓力分別調至0、100、200、300、400、500、600 Pa（僅在轉速5700 r/min下），監測不同引風機閥門開度情況下的機組能效情況。

3.2 燃氣輪機效率計算方法

多變效率是評價機組運行經濟性的一個重要指標，其表示多變壓縮功與實際消耗總功率的比值。離心壓縮機多變效率計算公式[3]如下：

式中：

ηT——離心壓縮機多變效率，%；

m——多變壓縮指數；

R——天然氣氣體常數，kJ/（kg·K）；

Ti——壓縮機進氣溫度，K；

To——壓縮機出口溫度，K；

hi——壓縮機進口焓值，kJ/kg；

ho——壓縮機出口焓值，kJ/kg。

氣體在級中的實際壓縮過程可用與其始態、終態的壓力和溫度相同的可逆多變過程來表示，按穩流體系計算得多變壓縮能量頭[4-5]為

式中：

ε——壓縮比；

Hpol——壓縮機多變能量頭，kJ/kg；

ηr——燃氣輪機效率，%；

G——壓縮機進口天然氣流量（標況），m3/h；

ρ——天然氣密度（標況），kg/m3；

Zi——壓縮機進口天然氣壓縮因子；

Br——燃氣驅動壓縮機燃料氣消耗量（標況），

m3/h；

Q——天然氣收到基低位發熱量（標況），kJ/m3。

3.3 測試結果

3.3.1 相同轉速下背壓對燃氣輪機效率的影響

通過現場采集數據，根據式（5）、式（6）以及式（7）計算得出在4個測試轉速下，不同引風機閥門開度情況下的燃氣輪機的效率如圖3所示。

根據測試結果可以看出，在5100 r/min背壓值為0時，燃氣輪機效率達到最高，為24.30%；在背壓值為400 Pa時燃氣輪機效率達到最小，為23.43%；在5300 r/min背壓值為100 Pa時，燃氣輪機效率達到最高，為24.38%；在背壓值為500 Pa時燃氣輪機效率達到最小，為23.68%；在5500 r/min背壓值為0時，燃氣輪機效率達到最高，為24.67%；在背壓值為500 Pa時燃氣輪機效率達到最小，為24.11%；在5700 r/min背壓值為0時，燃氣輪機效率達到最高，為25.06%；在背壓值為300 Pa時燃氣輪機效率達到最小，為24.72%。

圖3 不同轉速下機組煙氣背壓與燃氣輪機效率的變化關系

通過圖3可以看出，在每一轉速工況下，隨著引風機擋板開度減小，機組煙氣背壓增大，燃氣輪機效率呈現下降的趨勢。

3.3.2 不同轉速下背壓對燃氣輪機效率的影響

根據現場測試結果，在不同工況下，燃氣輪機效率的變化值如圖4所示：

圖4 不同轉速下煙氣背壓對燃氣輪機效率影響的變化關系

隨著機組轉速的提高，煙氣背壓對燃氣輪機效率的影響逐漸降低，與理論分析一致。故針對輸氣站場來說，在進行余熱發電時提高壓縮機組的運行負荷有利于降低余熱利用對機組效率產生的影響。

4 結論

1）隨著壓縮機組背壓的升高，燃氣輪機機組效率呈現下降的趨勢。

2）隨著機組轉速（負荷工況）提高，背壓變化對燃氣輪機機組效率的影響呈逐漸減小趨勢。

因此，輸氣站場在余熱利用的情況下，提高壓縮機組轉速或增大煙氣擋板開度均能增加壓縮機組運行效率，為現場生產提供了參考與建議。

[1]張鑫,吳瓊,李榮光,等.燃氣輪機余熱發電技術應用于輸氣管道的可行性[J].油氣儲運,2013,32(2):196-198.

[2]李瑩瑩.30 kW微燃機冷熱電聯供系統的性能研究[D]．哈爾濱:哈爾濱工業大學,2012．

[3]崔高鋒,陳玉春,黃興,等.天然氣離心式壓縮機組特性仿真[J].計算機仿真,2008,25(6):228-231.

[4]劉興旺,王華,劉振全,等.轉速對變頻渦旋壓縮機多變效率的影響研究[J].壓縮機技術,2008（1）:8-11．

[5]中國石油管道分公司管道科技研究中心.SY/T 6637-2012天然氣輸送管道系統能耗測試和計算方法[S]．北京:石油工業出版社,2013.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.007.001

2015-03-18）

張軒，工程師，2013年畢業于華北電力大學（檢測技術與自動化裝置專業），從事油氣管道輸送系統耗能設備節能監測工作，E-mail：zhangxuan03@petrochina.com.cn，地址：河北省廊坊市金光道51號，065000。