壓氣站天然氣壓縮機組煙氣余熱利用

梁健 李明德 孫德靜 陳偉聰

摘 要：天然氣燃燒后所排出的煙氣中含有大量余熱，而壓縮機在運行過程中也會排放出大量的高溫煙氣，直接造成了熱能資源的浪費，而且還污染了大氣環境。如何有效利用天然氣壓縮機組煙氣余熱，是目前天然氣公司非常關注的話題和必須重視的問題。基于此，本文針對壓氣站天然氣壓縮機組煙氣余熱利用展開了分析和研究，以供參考。

關鍵詞：壓氣站;天然氣;壓縮機;煙氣余熱利用

中圖分類號：X743 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2022）02-0096-03

0 引言

近年來，伴隨著我國城市化進程的發展，人們對熱能的需求量越來越高，同時，國家又在大力倡導要降低環境污染，導致兩者之間的矛盾問題越來越嚴重。因此，人們如何正確利用天然氣是目前非常關注的問題，而且已經成為了有效解決城市環境問題的重要舉措。天然氣在燃燒以后所排放的煙氣中，含有非常多的水蒸氣，水蒸氣的冷凝替熱占天然氣發熱值的10%～11%，由此分析我們可以得知，如果將冷凝替熱進行回收利用，那么是可以在一定程度上提高天然氣利用效率的。而將天然氣壓縮機的煙氣余熱充分利用起來，不但能降低能源消耗，還能在提高壓縮機工作效率的同時，實現保護環境的作用。

1 案例分析

本文以陜西省天然氣公司XX壓氣站作為分析研究目標，它是靖邊到西安長輸管線的加壓單位，每年冬天是運行的高峰時期，此時是需要通過壓縮機組對長輸管線進行加壓的，這樣做的目的是為了更好的保證下游用氣。就目前壓氣站所應用的天然氣壓縮機來看，冬季壓縮機的運行時間在120 d左右，一共有四臺壓縮機組，其中正常運行的有三臺，留有一臺是備用。此壓氣站的位置處于陜北地區的嚴寒地帶，冬季室外溫度都在零下20 ℃左右，備用機組想要有效運行，是需要在油水加熱器的保障下來運行的，在此運行的過程中，如果采用強制啟動方式，是會引發冰堵情況的[1]。而回收利用的余熱可以用來對機組熱量的回收，也可以用在解決場站工業生產和生活所需的熱能。

2 壓氣站目前的供熱方式分析

2.1 生活用水和采暖

通過對XX壓氣站的分析發現，壓氣站的所有生活用水都是通過一臺0.12 MW天然氣來提供的，所供應開水量在1 250 kg每小時，而天然氣耗量是在11.9立方米每小時，采暖也是通過一臺0.35 MW天然氣熱水鍋爐提供，面積3 000 m2，天然氣耗量35.2 m3/h。總的來說，兩臺鍋爐相加，每天都需要消耗將近300 m2的天然氣。

2.2 需要在XX壓氣站新增的采暖場所

從當前XX壓氣站的現有設備來說，它的油料庫是需要安裝采暖設備的，因為一到冬天開始運行的時候，油料庫的潤滑油粘度非常大，在這種情況下，就會導致加油機給壓縮機補充潤滑油的時候產生較大困難，當然加油速度也會變得緩慢。此外，壓縮機房也沒有安裝采暖設備，所以到冬天壓縮機開始運行時，由于運行環境溫度較低，所以需要油水加熱器和高位油箱電伴熱系來輔助運行，因為目前壓氣站的排污系統和調壓計量支路采用的都是電伴熱系統，為此可以通過加熱方式，降低冰堵和凍裂的情況發生。因此，需要對油料庫、壓縮機房等進行改造，這時就需要新增采暖面積1 398 m2，但是目前采暖鍋爐的能力是無法滿足采暖設備伴熱需求的[2]。

2.3 改造后經濟性分析

針對改造提出的相關措施，不但能有效地降低能源消耗，還能實現大氣環境的保護。此外，還能滿足現有區域和新增區域的熱水和采暖供應問題。對于多余的熱水，還可以外輸給其他單位，例如，如果完成上述改造，不僅可以滿足現有的熱水和采暖供應，熱水大概7 t/h左右，還可以將富裕的88.328 t/h熱水外輸給鄰近的某集團和某寄宿制學校。以1 t熱水10元計算，每天外輸2 000 t熱水，一個采暖季（120 d）就可以出240萬元的經濟價值。同時還可以節約原有鍋爐使用的天然氣大約4萬m3[2]。此外，壓縮機組主要是利用煙氣余熱的回收技術來實現生活熱水、取暖需求，這不僅實現了廢舊煙氣的回收利用，還節約了能源消耗，真正實現節能和環境保護的作用和目的，而且通過煙氣余熱回收技術的應用，降低安全隱患問題的出現。

3 天然氣壓縮機組煙氣余熱回收利用技術分析

3.1 熱能直接利用方式

熱能直接利用的原理是：在發動機排氣煙道中，通過對煙氣換熱器的安裝并利用壓縮機排放的煙氣進行加熱，然后通過熱交換對煙氣熱量進行轉化，從而實現直接利用的目的。

（1）加熱原油。通過煙氣余熱回收利用，可以將回收的煙氣余熱用于加熱原油，取代或者部分取代原有的加熱爐。（2）工業和生活的用熱。通過利用煙氣余熱回收裝置所產生的熱水和低壓蒸汽，是可以將其應用在工業和生活用水方面的，其中蒸汽可以提高保溫、保暖效果;熱水可以為中控室、值班室、員工宿舍等提供保暖熱源。（3）其他直接應用。有研究人員利用煙氣余熱回收裝置結合蒸餾水的方式進行試驗，結果顯示此方案非常可行，而且應用過程中還具有改造方便、費用低和空間占用小等優點。

3.2 余熱制冷

在余熱制冷技術中又包含以下幾種制冷方式：吸收式制冷、吸附式制冷、熱聲式制冷、噴射式制冷等，其中被廣泛應用是前兩種制冷方式，即吸收和吸附式。

（1）制冷吸收方式。它是通過對吸收蒸發器的制冷劑在吸收器稀溶液的作用下，通過高溫加熱溶液，使制冷劑蒸發或者冷凝的循環制冷方式。此制冷方式最常用的工質是水-溴化鋰，因為此工質是不需要借助于壓縮機的，是可以直接利用煙氣余熱來實現制冷的方式，具有非常大的制冷系數，而且它還具有耗能少、噪音小等優點。當然也有缺點，就是具有比較強的腐蝕性，對材料要求非常高。（2）制冷吸附方式。吸附式制冷的方式是通過有效的固體物質，在一定溫度和壓力下吸附制冷氣體，同時還需要在另外溫度和壓力下將其釋放出來。由于在吸氣和放氣的過程中是會有壓力變化的，所以能將壓縮機的作用很好地體現出來。吸附式的制冷方式常用的介質有氨氣、水等。此外，吸附式制冷技術還具有污染小、可以直接利用等特點，所以越來越被重視，非常適應于大量低品位余熱排放的工業過程中。（3）制冷的其他方式。熱聲式制冷技術主要是利用發動機的高溫煙氣通過與工質的結合，實現加熱。這種情況下的加熱是具有周期特性的，它的對外輸出方式采用的是斯特林型脈管制冷機，在此制冷機的作用下實現制冷。此外，還有噴射式制冷方式。是將壓縮機替換成噴射器，然后結合熱能的消耗來實現制冷。此制冷技術結構非常簡單，除了循環泵以外，是沒有應用其他運動部件的，所以耗工量也比較小。

3.3 溫差發電

在調查研究中顯示，半導體溫差發電是最為常用的一種溫差發電方式，此項發電方式具有無污染、無噪音、穩定并且壽命長的特點。屬于一種理想的能量轉換方式。在使用此項技術進行天然氣壓縮機煙氣余熱回收利用的時候，一定要重視熱能轉材料的選擇。對于溫差發電技術來說，熱能轉換材料是最基礎的，材料的質量直接影響著熱電轉換效率。目前，常用的熱能材料有BiTe、ZnBe、SnTe等，其中BiTe材料是獲取容易、應用比較多的材料，在煙氣余熱回收過程中應用也是非常廣泛的。溫差發電技術在應用過程中受到制約因素最大的就是熱能轉換效率低的問題。在調查研究分析中發現，半導體溫差發電材料的熱能轉化效率是在4%左右，最高在7%，所以如何有效地提高熱能轉換效率，是需要重點關注的問題。除此之外，還需要考慮的是，關于煙氣中熱量的有效吸收、儲存和傳輸等。

3.4 有機朗肯循環系統

有機朗肯循環系統相對來說比較簡單，屬于蒸汽動力循環裝置之一，目前在工業上的應用范圍是非常廣泛的。壓縮機煙氣溫度如果沒有超過800 ℃，是很難通過水循環工質提高效率的，而有機工質還具有潛熱小、顯熱大、傳熱性能好等優點，所以非常適合應用在壓縮機煙氣余熱回收中，雖然有機朗肯循環技術有很大的應用優勢，能在實現發電的同時，還能對外做功，但是此項技術并沒有大規模的應用，而且關于裝置的穩定性和適應性也是需要進一步研究的。

4 壓氣站天然氣壓縮機煙氣余熱利用分析

通過回收的煙氣熱能，可以將其用于生活中的用熱，如實現冬季的取暖和熱水供應，滿足淋浴需求;同時還能實現工業用熱需求，如回收的熱能用于機組熱備、管線、設備保溫等。當然，通過相關技術的應用和改造，還能提高燃料利用率。冷卻后的天然氣溫度會直接影響到LNG的產量，所以還可以將其應用于LNG生產所用的天然氣壓縮機組上，效果也是非常不錯的。

但是就目前來看，煙氣余熱回收技術受國家政策影響比較大，余熱電能上網還是有一些困難的，所以為了解決這種情況，還可以將回收得到的電能加以利用，將其用在用電的加氣站設備中，還可以將其應用在小型的電動增壓機上。為了更好地保證煙氣余熱回收利用的功能和效果，還要將壓氣站天然氣壓縮機煙氣余熱回收利用的設計重視起來，需要考慮以下因素。

（1）在應用煙氣回收裝置的時候，需要考慮壓縮機性能，避免兩者之間存在沖突，發生制約作用;（2）換熱器的安裝位置是非常重要的，與煙氣余熱回收有很大的關系，需要重點關注，最好不是安裝在排氣管出口位置;（3）發動機是否屬于負荷運行也是會影響到余熱回收系統的，所以需要重點關注;（4）因為整個回收流程需要很大的控制范圍，所以在設計煙氣余熱回收系統的時候，要融入自動化設計，實現自動化控制和監測;（5）在設計的時候，還需要考慮維護和操作系統的安全性。

5 天然氣壓縮機煙氣余熱利用狀態分析

天然氣有物理和化學性質之分，通過對天然氣特點的分析可以知道，天然氣是具有易燃易爆特點的，所以為了更好地保障天然氣壓縮機有效地開展和運行，回收更多煙氣余熱，降低環境的污染，需要重點分析和研究天然氣化學和物理特點。

首先，我們要知道天然氣的主要成分是甲烷，甲烷相信大家都是不陌生的，具有很明顯的物理和化學性質，為了更好地滿足天然氣壓縮機技術的要求，一定要不斷地提高天然氣壓縮機和天然氣管道輸送的效率，更好地實現煙氣余熱的回收利用。其次，甲烷的主要成分是碳和氫，同時還會有少量的硫、氮等元素，因具有壓縮性，所以在壓力增高的時候，天然氣的體積會變小，而當天然氣壓力下降的時候，天然氣體積會膨脹。天然氣的溫度其實就是天然氣的冷熱程度，當溫度降低以后，天然氣中的水蒸氣就會很容易凝結，并形成水滴，生成天然氣水合物，這種物質會在一定程度上堵塞天然氣輸送的管道系統，進而增加煙氣熱能，由此我們可以知道，想要更好地保證天然氣輸送過程中的安全，一定要科學合理地控制天然氣中的水含量。天然氣壓縮機組煙氣余熱回收利用，是將天然氣壓縮機加壓處理之后，對煙氣余熱所產生的熱能進行回收和利用，通過對回收熱量的計算，提高其經濟價值和經濟利益。而且將天然氣煙氣余熱進行回收和利用，還能有效提高天然氣壓縮的效率，降低資金投入，提高天然氣企業的經濟效益。常用的天然氣輸送方式有天然氣管道輸送，天然氣運輸結合等方式，能夠對天然氣煙氣的回收利用有更好的保證效果。當然，還需要不斷的研究和應用自控系統，實現對天然氣壓縮機的優化，有效降低壓縮機發生故障的概率，使天然氣在合適的壓力下，能夠順利、方便地輸送到管道系統中。

6 結語

綜上所述，我們可以得出幾點結論：（1）通過煙氣余熱的有效回收和利用，可以為壓氣站提供更好的生活條件，如生活熱水和供熱的供應，大大解決了目前壓氣站冬季機房溫度低、潤滑黏度大的問題，保證了壓縮機的質量和工作效率。（2）將煙氣余熱回收利用能停用電伴熱，進而降低安全隱患問題，提高安全生產，而且還有效地保護了環境污染問題，實現了節能減排。（3）通過對回收熱能還能實現外輸，不但解決了煙氣排放污染和浪費問題，還解決了產能過剩的問題，提高和創造了經濟價值。

參考文獻

[1] 馬帥杰，林文勝.利用燃氣輪機煙氣余熱的復合有機朗肯循環系統優化分析[J].制冷學報，2019（06）：39-45.

[2] 韋鑫.壓氣站天然氣壓縮機組煙氣余熱利用[J].設備管理與維修，2015（S2）：293-294.

Utilization of Flue Gas Waste Heat of Natural Gas Compressor Unit in Compressor Station

LIANG Jian1， LI Mingde2， SUN Dejing2， CHEN Weicong2

（1.Shaanxi Natural Gas Co.， Ltd.， Xi'an? Shaanxi? 710016;

2.China National Petroleum Pipeline Engineering Co.， Ltd.， Langfang? Hebei? 065000）

Abstract： The flue gas discharged after natural gas combustion contains a large amount of waste heat， and the compressor will also discharge a large amount of high-temperature flue gas during operation， which not only directly causes the waste of thermal energy resources， but also pollutes the atmospheric environment. How to effectively utilize the waste heat of flue gas from natural gas compressor unit is a topic of great concern and must be paid attention to by natural gas companies. Based on this， in this paper the utilization of flue gas waste heat of natural gas compressor unit in compressor station is analyzed and studied， for reference.

Keywords： compressor station; natural gas; compressor; waste heat utilization of flue gas

收稿日期：2021-12-10

作者簡介：梁健（1984—），男，陜西岐山人，碩士，高級工程師，研究方向：天然氣、消防、節能。