燃驅(qū)離心式壓縮機組余熱利用研究

張 勇

（陜西省天然氣股份有限公司，西安 710016）

天然氣是一種高效、潔凈、環(huán)保的優(yōu)質(zhì)能源，在我國的使用率逐年提高，應用領(lǐng)域涉及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生活服務等方面，可以說天然氣的應用改變了人們的生活，帶來許多便利。在天然氣的使用過程中，人們需要運用天然氣輸送設備，其中燃氣輪機驅(qū)動壓縮機在天然氣增壓站中使用較為廣泛。燃氣輪機不僅具有良好的熱力性能以及低污染低排放等特點，還具有啟動快、運行平穩(wěn)靈活、效率高、功率大、體積小等優(yōu)勢，因此燃氣輪機的使用已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。

燃氣輪機在使用時，可在短時間內(nèi)將初始溫度升到1 400℃，超高溫條件會產(chǎn)生大量的熱能[1]。然而，目前燃氣輪機的簡單循環(huán)熱效率并不高，一般只有20%～45%，小型、微型燃氣輪機的熱效率更低，只有不到20%。經(jīng)簡單循環(huán)后，燃氣輪機的排氣溫度一般為450～600℃，排氣溫度相對較高。燃氣輪機的此種運行方式既浪費了大量燃氣熱能，又造成氮氧化物及碳化物等的超標排放，對環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展和燃氣輪機未來的應用與發(fā)展是極為不利的。

為了有效控制燃氣輪機余熱排放對環(huán)境造成的影響，為了推動燃氣輪機的進一步發(fā)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(fā)綠色產(chǎn)品，實現(xiàn)燃氣輪機余熱的高效回收利用，是我國當前燃氣輪機發(fā)展的必由之路。

1 陜西省天然氣股份有限公司壓縮機組余熱利用現(xiàn)狀

陜西省天然氣股份有限公司作為陜西省唯一的天然氣長輸管道運營商，承擔著保證陜西省天然氣穩(wěn)定供應及持續(xù)發(fā)展的重大責任，不僅要考慮公司的效益，還應該考慮如何提高天然氣輸送管道設備的利用率，使整體項目可持續(xù)發(fā)展。當前，陜西省天然氣股份有限公司正在不斷加快管輸設施建設，截至目前已經(jīng)建成長輸管網(wǎng)3 000 km，已建成投運壓氣站9座，其中有3座6（套）燃驅(qū)離心式壓縮機場站，燃驅(qū)離心式壓縮總裝機容量達42 MW。

陜西省天然氣股份有限公司使用的6套燃驅(qū)機組均為索拉T70燃機驅(qū)動陜鼓動力離心式壓縮機。上述離心式壓縮機具有以下特點：壓縮機的氣量大并且結(jié)構(gòu)相對簡單和緊湊，重量較輕，機組整體尺寸較小，使用時占地面積小；運轉(zhuǎn)平衡，操作可靠，運轉(zhuǎn)率高，摩擦件少，因此備件需用量少，維護費用及人員少；在化工流程中，離心式壓縮機對化工介質(zhì)可以做到絕對無油的壓縮處理；離心式壓縮機為一種回轉(zhuǎn)運動的機器，它適宜于工業(yè)汽輪機或燃汽輪機直接拖動。一般大型化工廠常用副產(chǎn)蒸汽驅(qū)動工業(yè)汽輪機作動力，這為熱能綜合利用提供了可能。在實際應用中，索拉T70燃機驅(qū)動陜鼓動力離心式壓縮機組為天然氣增壓，該機組效率高達34.8%，在運行過程中燃氣初溫約為1 200℃，同時尾氣的排放溫度也可以維持在較低的溫度，約為500℃。此型號的燃機效率高，尾氣的排放溫度得到了控制，但是沒有從根本上解決對環(huán)境的污染及節(jié)能減排的問題。因此，為提高能源利用效率，減少因機組運行而造成的環(huán)境破壞，降低公司生產(chǎn)運營成本，促進公司多元化發(fā)展，進行燃氣輪機余熱利用是可持續(xù)發(fā)展的必由之路[2]。

2 余熱利用解決方案

為了解決當前燃驅(qū)離心式壓縮機組運行中遇到的一系列問題，真正提高能源利用效率，在最大程度上減少因機組運行時進行大量余熱排放而造成的環(huán)境破壞，降低并有效控制公司生產(chǎn)運營成本，最終促進公司朝著多元化方向發(fā)展。合理利用燃驅(qū)離心式壓縮機組產(chǎn)生的余熱，不僅可以減少因余熱排放造成的環(huán)境污染，實現(xiàn)節(jié)能減排和綠色生產(chǎn)，還可以提高公司的經(jīng)濟效益。本文提出了兩種有效利用燃驅(qū)離心式壓縮機組所產(chǎn)生余熱的方式，具體方案如下。

2.1 余熱鍋爐換熱，降低場站能源消耗

目前，陜西省天然氣股份有限公司的燃驅(qū)離心式壓縮機組，運行時間主要集中在每年的11月中旬至次年的3月中下旬，長達4個月。運行期間，正值冬季氣溫最低時段，這時也是場站能源消耗最大的時期（見圖1），如場站生活區(qū)供暖、設備防凍保溫、機組油箱及燃料氣加熱、備用機組的暖機，上述情況均需要消耗大量熱能。而壓縮機組在運行過程中會產(chǎn)生大量的余熱排放，溫度可高達500℃，如果可以對壓縮機產(chǎn)生的余熱進行再利用，不僅可以節(jié)約成本還可以給公司帶來額外的經(jīng)濟效益。具體方案如圖1所示，首先利用擋板對燃氣輪機煙道進行改造，將部分熱量通過余熱鍋爐進行轉(zhuǎn)化回收，剩余部分通過擋板調(diào)整，通過另一側(cè)直接排放，通過鍋爐來向場站提供暖氣、熱水，向生產(chǎn)設備提供保溫。這樣不僅可以降低公司生產(chǎn)運營成本，提高設備可靠性，而且在條件允許的情況下還可以給附近城鎮(zhèn)及周邊居民進行供暖，提高經(jīng)濟效益。

表1 志丹壓氣站2016年11月至2017年3月能源消耗記錄

圖1 余熱鍋爐換熱流程

2.2 聯(lián)合循環(huán)（朗肯循環(huán)）

朗肯循環(huán)是指以水蒸氣作為工質(zhì)的一種理想循環(huán)過程，主要包括等熵壓縮、等壓加熱、等熵膨脹和一個等壓冷凝過程，目前廣泛應用于余熱回收利用領(lǐng)域。通過燃氣輪機煙道排氣對鍋爐進行加熱，產(chǎn)生過熱蒸汽，推動汽輪機做功發(fā)電，其產(chǎn)生的電量，一是可以作為自用消耗，二是可以作為附近企業(yè)及城鎮(zhèn)的動力電源，三是可以并網(wǎng)外售。朗肯循環(huán)目前在國內(nèi)余熱發(fā)電領(lǐng)域應用較為成熟，在水泥、冶金、鋼鐵等行業(yè)應用較為廣泛，為我國節(jié)能減排事業(yè)做出了重要貢獻。朗肯循環(huán)在國內(nèi)的應用已經(jīng)走向與卡琳娜動力循環(huán)的聯(lián)合應用，實現(xiàn)了在不同煙溫的優(yōu)勢互補。

總之，能源的合理利用關(guān)系到經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，提高能源利用效率，減少環(huán)境污染，建設資源節(jié)約型社會和生態(tài)保護型社會已成大勢所趨。鑒于能源供需緊張，燃氣輪機大量余熱直接排放造成能源的巨大浪費，大力發(fā)展燃機余熱利用不僅有助于環(huán)境保護和資源節(jié)約，也有助于降低企業(yè)運行成本，提升經(jīng)濟效益。

3 結(jié)語

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；朗肯循環(huán)在國內(nèi)的應用已經(jīng)走向與卡琳娜動力循環(huán)的聯(lián)合應用，實現(xiàn)了在不同煙溫的優(yōu)勢互補。本文提供了兩種有效解決壓縮機余熱利用的方式，大大降低了余熱排放對環(huán)境造成的污染，也最大程度地降低了能耗損失，提高了企業(yè)效益。

1 徐鐵軍，張偉偉，吳中林.輸氣管道壓氣站余熱利用[J].油氣儲運，2012，31（12）：887-890.

2 王鳳君，高新宇，張志偉.9FB燃氣輪機余熱鍋爐脫硝裝置的研究[J].發(fā)電設備，2013，27（1）：51-54.