油氣田大功率燃氣發動機煙氣余熱回收與計算

趙衛東，李 鵬，黃建敏，孫 巍，葛永廣，侯永強

(1.塔里木油田分公司油氣工程研究院，新疆 庫爾勒 841000； 2.新疆油田西北油田節能監測中心，新疆 克拉瑪依 834000；3.東北石油大學 石油工程學院，黑龍江 大慶 163318； 4.東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318)

燃氣發動機是油氣田生產中大量使用的耗能設備，特別是在油氣田高壓注氣開采、地下儲氣庫的注氣過程中大量使用[1]，燃氣發動機的排煙溫度高達500～600 ℃，是國家標準GB/T 1028—2018中規定的1級余熱資源應充分利用。本文根據燃燒學理論對燃氣發動機余熱資源量進行分析評價。根據評價結果，提出通過增設余熱鍋爐，用燃氣發動機排放的高溫煙氣作為熱源，通往余熱鍋爐來加熱導熱油以回收煙氣余熱，供給需要用熱工藝環節，實現節約能源。根據本文建立的燃氣發動機余熱資源量的評價與計算方法，對余熱資源量進行評價，根據評價結果設計注氣壓縮機余熱回收方案與設備選型，同時評價設計方案的投資回收期，給出經濟可行的余熱資源回收方案。同時也為各油氣田企業及相關領域開展節能潛力及余熱資源量的分析評價及技術改造工作提供借鑒。

1 注氣壓縮機煙氣余熱回收方案

以塔里木油田高壓注氣壓縮機組為例，將注氣站 7 臺注氣壓縮機排煙余熱回收加熱導熱油，代替原有的3 臺導熱油爐。由于注氣站注氣壓縮機的內燃機尾氣排氣溫度較高，達到了500 ℃，屬于1級余熱資源，有大量的可利用熱能，在現有系統中這部分能量未加回收而直接排入大氣。在同一廠站內天然氣處理工藝中需要大量的熱，而這部分熱能是由3臺導熱油爐來提供的。因此，可通過增設余熱回收鍋爐，用內燃機排氣作為熱源，通過余熱回收鍋爐來加熱導熱油，最終減少天然氣的消耗量，從而實現節能降耗的目的。

注氣壓縮機余熱回收方案主要設備包括余熱鍋爐、泵、引風機、引風道、電控閥門、安全閥、儀表和控制系統等。注氣壓縮機余熱回收方案工藝圖如圖1所示。內燃機高溫煙氣在引風機的作用下經引風道進入余熱鍋爐，進行余熱回收。

圖1 注氣壓縮機余熱回收方案工藝圖

2 天然氣發動機煙氣量計算

2.1 天然氣燃燒理論空氣量

根據天然氣燃燒基本理論，計算天然氣發動機天然氣燃燒的理論空氣量、理論煙氣量、實際煙氣量和尾氣排放處煙氣成分體積分數。

下面的計算式中，天然氣組分的體積分數用組分的化學分子式符號(其數值是體積百分數的分子值)表示。所計算得到的氣體量的單位為m3/m3(標準)，即為每燃燒1 m3(標準)天然氣所耗空氣或所生成的氣體量。

供給天然氣發動機的剛好滿足天然氣完全燃燒所需的空氣量稱為理論空氣量。標準狀態下，1 m3(標準)天然氣完全燃燒的理論空氣量V0為[2-3]

(1)

2.2 天然氣燃燒理論煙氣量

在理論空氣量下天然氣完全燃燒產生的煙氣主要成分包含CO2、SO2、N2和水蒸氣。CO2和SO2通常被統稱為三原子氣體，用RO2表示[4]。

2.2.1 理論三原子氣體體積

(2)

2.2.2 理論氮氣體積

(3)

2.2.3 理論水蒸氣體積

(4)

式中：Md為天然氣所帶的水量，g/m3(標準)。

2.2.4 理論煙氣體積

(5)

2.3 排煙處實際煙氣量

考慮天然氣發動機在燃燒過程中，過量空氣對燃燒的影響，排煙處實際煙氣量為理論煙氣量與過量空氣之和。

2.3.1 實際空氣量

天然氣發動機燃料燃燒過程中，為了確保燃料完全燃燒，提高發動機效率，需要多供給一些空氣，這部分空氣稱過量空氣。實際空氣量與理論空氣量的比值稱為過量空氣系數，用α表示。1 m3(標準)天然氣完全燃燒所需的實際空氣量V為

V=α×V0

(6)

2.3.2 排煙處水蒸氣體積

考慮天然氣發動機在燃燒過程中過量空氣的影響，排煙處水蒸氣體積V3為

(7)

2.3.3 排煙處氧氣體積

實際空氣量V與理論空氣量V0差值為過量空氣量，排煙處氧氣體積V4為

V4=0.21(V-V0)=
0.21(αV0-V0)=0.21(α-1)V0

(8)

2.3.4 排煙處三原子氣體體積

三原子氣體體積V1為

V1=0.01(CO2+CO+H2S+∑mCmHn)

(9)

2.3.5 排煙處氮氣體積

排煙處氮氣體積V2為

(10)

2.3.6 排煙處干煙氣體積

排煙處的煙氣成分為RO2、O2、N2和H2O，其中干煙氣成分為RO2、O2和N2，排煙處干煙氣體積Vgy為3者體積之和：

Vgy=V1+V2+V4

(11)

2.3.7 排煙處煙氣體積

排煙處的煙氣體積Vpy為干煙氣和水蒸氣體積之和：

Vpy=Vgy+V3

(12)

2.4 排煙處干煙氣成分體積分數

干煙氣中氧氣的體積百分數φ(O2)為

(13)

干煙氣成分中三原子氣體的體積百分數φ(RO2)為

(14)

干煙氣成分中氮氣的體積百分數φ(N2)為

(15)

3 天然氣發動機煙氣余熱資源量計算

余熱鍋爐對天然氣發動機的高溫煙氣進行回收時要考慮煙氣對余熱鍋爐的低溫腐蝕問題。為了防止煙氣溫度低于煙氣露點而產生低溫腐蝕，一般要求余熱鍋爐的排煙溫度高于煙氣露點溫度。煙氣露點Halstead圖表法給出的最高露點溫度152 ℃[5]，因此大部分加熱爐要求排煙溫度不低于150 ℃。余熱鍋爐排煙溫度在不低于150 ℃的工況下運行，水蒸氣處于過熱狀態，天然氣發動機的高溫煙氣余熱回收只能對煙氣中的顯熱進行回收，煙氣中水蒸氣的汽化潛熱無法回收。因此燃氣加熱爐煙氣余熱資源量只對煙氣的顯熱部分進行計算。

3.1 煙氣顯熱余熱資源量計算

相同成分的天然氣在完全燃燒情況下，當天然氣發動機的過量空氣系數α相同時，每燃燒l m3(標準)天然氣產生的煙氣成分和煙氣量相同，因此以發動機燃燒l m3(標準)天然氣為例，計算煙氣顯熱余熱資源量。

3.1.1 干煙氣平均定壓熱容

尾氣排放處干煙氣平均定壓熱容用下式計算：

(16)

式中：cgy為排煙處干煙氣平均定壓比熱容，kJ/(m3· ℃)；c4為氧氣平均定壓比熱容，kJ/(m3· ℃)；c1為三原子氣體平均定壓比熱容，kJ/(m3· ℃)；c2為氮氣平均定壓比熱容，kJ/(m3· ℃)。

3.1.2 排煙處煙氣焓

尾氣排放處煙氣焓用下式計算：

hpy=Vgy+cgy+tpy+V2c3tpy

(17)

式中：hpy為排煙溫度為tpy時煙氣焓，kJ/m3；c3為水蒸氣平均定壓比熱容，kJ/(m3· ℃)。

3.1.3 理論可利用余熱

根據GB/T 1028—2018[7]《工業余熱資源評價方法》，理論可利用余熱量以標準環境參數溫度25 ℃為基準。余熱量一般以年計，天然氣發動機煙氣的理論可利用余熱為

(18)

式中：qll為天然氣發動機煙氣的年理論可利用余熱量，kJ/a；Bi為發動機天然氣年消耗量，m3/a；hpy為天然氣發動機排煙處煙氣焓，kJ/m3；hll為余熱鍋爐排煙溫度為25 ℃時煙氣焓，kJ/m3。

3.1.4 技術經濟可利用余熱

在保證不產生低溫腐蝕的情況下，余熱回收后煙氣溫度應不低于150 ℃，天然氣發動機的技術經濟可利用余熱量為

(19)

式中：qky為天然氣發動機煙氣的年技術經濟可利用余熱量，kJ/a；hky為技術經濟工況下(余熱鍋爐排煙溫度不低于150 ℃)時煙氣焓，kJ/m3。

3.1.5 余熱利用率

余熱利用率為

(20)

3.2 余熱資源量計算方法

對于天然氣發動機的煙氣余熱資源量測試和計算，需要測試排煙溫度、煙氣各組分含量和空氣系數，用式(16)、式(17)計算干煙氣比熱容、煙氣焓值，用式(19)計算余熱資源量。

4 注氣壓縮機余熱回收量計算

以塔里木油田高壓注氣壓縮機組為例進行計算。注氣站有 7 臺注氣壓縮機組，注氣壓縮機原動機為美國COOPER公司生產型號為16SGT天然氣發動機。額定天然氣消耗量為1.1×104m3/d(標準)。發動機的過量空氣系數為2.02。計算7臺注氣壓縮機尾氣一年的余熱回收量。

4.1 天然氣發動機燃料天然氣組分

天然氣發動機使用的天然氣成分如表1所示。

表1 塔里木油田生產用燃料天然氣成分

4.2 理論煙氣余熱資源量估算

根據表2給出的天然氣成分，按照式(1)～式(12)，計算在空氣系數α=2.02條件下每燃燒1m3天然氣所需空氣量與產生煙氣量，煙氣中包括氧氣、三原子氣體、氮氣和水蒸氣。計算結果見表2。根據表2計算結果，按照式(13)～式(15)計算干煙氣體積百分數，計算結果見表3。

表2 每燃燒1 m3天然氣所需空氣量與產生煙氣量 m3/m3

表3 加熱爐干煙氣體積分數比例 %

不考慮高溫煙氣在引風道中的熱損失，余熱鍋爐進口(天然氣發動機出口)煙氣溫度為tpy=500 ℃，余熱鍋爐出口煙氣溫度為tky=250 ℃。天然氣發動機年總耗氣量為1 476.20×104m3/a。根據干煙氣體積分數比例，根據式(16)～式(17)計算得余熱鍋爐進口處煙氣焓值為15 735 kJ/m3，出口處煙氣焓值為7 666 kJ/m3。

注氣壓縮機余熱回收方案，天然氣發動機的理論可利用余熱為2.21×1011kJ/a。天然氣發動機的技術經濟可利用余熱量為1.19×1011kJ/a。理論可利用余熱資源量折合標煤為7 545.65 t/a。技術經濟可利用余熱折合標煤為4 063.83 t/a。余熱利用率為53.84%。

4.3 余熱鍋爐的功率與投資回收期

根據天然氣發動機的理論可利用余熱計算結果，余熱載體為氣體，余熱載體流量為42 127 m3/h，總容量為2.25 MW，需要安裝1臺額定容量為3 MW余熱鍋爐。注氣站原有3臺導熱油爐年耗氣量262×104m3/a，按照導熱油爐效率85%計算，可產生有效熱量為8.35×1010kJ/a。技術經濟可利用余熱回收率高于70.14%就可以替代原有3臺導熱油爐產生的熱量。因此，每年可以減少消耗天然氣262×104m3/a，折合標煤2 850.28 t/a。按照一臺余熱鍋爐150萬元計算，煙道改造等其他費用投資費用大概為250 萬元。天然氣的價格1.09元/m3計算。每年回收余熱收益285.58萬元，投資回收期約為1.4年。

5 結 論

基于塔里木油田注氣站注氣壓縮機的運行現狀，提出了注氣壓縮機煙氣余熱加熱導熱油方案。對提出的方案進行了余熱資源量的分析與評價。通過本文的分析與研究得到如下結論：

(1)本文根據燃料天然氣的氣體組分、天然氣消耗量、排煙溫度和過量空氣系數對注氣站7臺燃氣注氣壓縮機余熱資源量進行了評價，計算結果表明本方案每年可以減少消耗天然氣262×104m3/a，節能潛力大。

(2)根據余熱資源量評估結果，進行了余熱鍋爐選型，需要安裝1臺額定容量為3 MW余熱鍋爐。核算了煙氣余熱加熱導熱油方案改造成本，并計算得到投資回收期為1.4年，經濟效益好。

(3)本文提出的方案及分析方法能夠為后續開展節能潛力分析，以及提出有效的改進措施等提供一定的數據支撐和技術導向，同時也為各油氣田企業及相關領域開展節能潛力及余熱資源量的分析及評價等工作提供借鑒。