余熱制冷技術在天然氣輸氣站場應用的可行性研究

2017-01-04 05:07:52張軒王華青向奕帆吳海辰張利勛楊峰丁昱孫波浪

石油石化節能 2016年4期

張軒王華青向奕帆吳海辰張利勛楊峰丁昱孫波浪

（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）

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（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）

以中亞天然氣管道輸氣站場為例，針對站場夏季溫度高導致燃氣輪機機組出力下降的問題，提出了一種余熱制冷解決方案，即通過余熱制冷系統冷凝器后節流閥實現對冷劑流量的控制，同時將準備進入燃機系統空壓機的空氣直接作為冷媒進行降溫。另外，還建立模型論證了不同降溫幅度下余熱制冷的經濟性指標。研究結果表明，本方法利用燃氣輪機余熱廢氣達到制冷目的，節能環保；同時，相比于傳統以水作為冷媒的制冷方案，提出的方案能夠較快響應控制信號，獲得較寬的溫度調節范圍，經濟效益顯著，具有良好的推廣應用價值。

輸氣管道；燃驅壓縮機；余熱制冷；節能

燃氣輪機性能與其所處的環境溫度密切相關，當溫度上升時，空氣的密度相對較小，由于燃氣輪機是定容式機械，從而導致流過壓氣機和透平的質量流量減少，引起燃氣輪機的出力下降；同時，機組內的壓氣機的耗功也在增大，將進一步降低機組效率[1]。

目前，在天然氣管道輸送行業中，選取燃氣輪機作為大型壓縮機的驅動設備已十分廣泛，降低燃氣輪機進氣溫度顯得十分必要[2-3]。基于此，以中亞某天然氣輸氣站為例，研究并分析了余熱制冷技術在輸氣站場應用的可行性。

1 余熱制冷技術方案

1.1吸收式制冷原理

吸收式制冷是一種技術成熟、自動化程度較高的余熱制冷技術。因為其具有活動部件少、冷量調節范圍廣、環境性能好等優點,目前應用較廣泛。它包含蒸發器、吸收器、冷凝器、發生器等設備[4]（圖1）。

1.2典型的進氣冷卻配置方案

圖2是一種典型的溴化鋰進氣冷卻配置方案[5]，整個系統由制冷機組、驅動熱源、進氣冷卻器、冷卻塔、配套的泵組（冷水泵、凝水泵、冷卻水泵）及管道組成。其工作原理是利用站內排放的多余高溫煙氣，將溴化鋰溶液的水分蒸發，冷劑蒸汽經過冷卻水冷卻后再進行真空蒸發，對冷媒水進行降溫，最后經過降溫的冷媒水通過安裝在燃氣進氣風道的表冷器對燃機進氣進行冷卻降溫。

然而，由于采用冷媒水為燃氣輪機進氣降溫，經過一次熱傳導后，系統效率必然降低，針對同樣的進氣降溫需求來講，這種方式的制冷量要求更多，造成不必要的成本增加；采用溴化鋰制冷方案，一般得到的冷媒水溫度在7℃左右，用其對進氣進行冷卻降溫所能得到冷卻后的空氣溫度范圍較窄，且響應較慢，不易控制。

圖1 吸收式制冷原理

1.3改進后的進氣冷卻系統

針對上一種進氣冷卻系統存在的缺點，作出如下改進：首先選用氨水吸收式制冷系統替換溴化鋰吸收式制冷系統，然后將燃氣輪機的進氣直接作為冷媒接收蒸發器中冷劑蒸發所帶來的制冷量，由于氨水余熱制冷系統能夠在零度以下工作，且燃氣輪機進氣與冷劑直接進行熱交換，改進后的進氣冷卻系統可以將進氣溫度降到較低的溫度；另外，與溴化鋰制冷相比，氨水吸收式制冷系統還具有密封要求性低、工質價格低廉、可采用風冷、便于節水等優點。

圖2 典型的氨水進氣冷卻配置方案

圖3 改進的溴化鋰進氣冷卻配置方案

改進后的余熱制冷系統工作原理如圖3所示。將蒸發器安裝在燃機進氣濾芯后，通過采集蒸發器后燃機進氣管道內的溫度、濕度等參數，控制節流閥開度，一方面調節進氣溫度，另一方面保證空氣中的水蒸氣不會凝結進入到機組空壓機內。

2 進氣溫度對燃機效率的影響

由于燃機的熱耗率與進氣溫度有關，不同進氣溫度下的燃料氣消耗量存在差異，針對這一情況，選取中亞天然氣管道公司某輸氣站場，分別于夏季與冬季不同環境溫度下測試燃驅壓縮機組的運行情況，測試結果如表1所示。

從表1可以看出，在冬季隨著環境溫度的降低，燃驅壓縮機組在出力相同的情況下，燃料氣消耗量呈現逐漸下降的趨勢。其中，單位體積燃料氣做功量隨環境溫度變化的關系如圖4所示。對數據點采用最小二乘法進行多項式擬合，得出單位體積燃料氣做功量與環境溫度的關系為

Hp=0.00008-0.00751T0+3.20720 （1）

式中：Hp——單位體積燃料氣做功量，kWh/m3（0℃，101.325 kPa）；

T0——環境溫度，℃。

表1 冬夏季測試情況對比

3 余熱制冷經濟性研究

3.1投資估算

以中亞某輸氣燃驅壓縮機組為例，該機組正常運行時空氣進氣量為82.51 kg/s，空氣定容比熱容為0.717 kJ/（kg·K）。一般余熱制冷機組的建設成本為0.224萬元/kW。假設夏季平均氣溫35℃，采用不同制冷量下余熱制冷投資估算如表2所示。

圖4 單位體積燃料氣做功量隨環境溫度變化關系

3.2經濟評價

余熱制冷系統耗電量一般為壓縮制冷系統的10%左右，取壓縮制冷系統制冷系數為2.0，電價取0.8元/kWh，夏季運行時間取90 d，則采用不同制冷量下余熱制冷運行成本估算如表3所示。

以中亞某輸氣燃驅壓縮機組為例，該機組輸氣量為45×104m3/d，壓縮機進口壓力為7.0 MPa，出口壓力為10.0 MPa，壓縮機多變效率取0.85，燃機效率取0.30，則該機組能耗如表4所示。

根據式（1）求得不同進氣溫度下單位體積燃料氣做功量，燃料氣單價取1.6元/m3，則不同制冷量下余熱利用系統經濟效益估算如表5所示。

從表5可以看出，隨著余熱制冷后進氣溫度的降低，單位體積燃料氣做功能力提升，經濟效益逐漸升高。當進氣溫度降低到1℃時，夏季采用余熱制冷技術的經濟效益達到387.68萬元，節能效果非常可觀。在該條件下，余熱制冷系統的建設成本為451萬元，年運營成本為15.6萬元，2年左右即可收回成本，具有較好的應用前景。