壓縮空氣余熱利用及減排效果研究

宋濤濤 槐鮮妮 程思勇 王興華 張琦 倪豐平 向煜琪

1中國石油新疆油田公司實驗檢測研究院

2新疆維吾爾自治區油氣田環保節能工程研究中心

3華電克拉瑪依發電有限公司

4新疆油田公司采油一廠

某工業化注氣站位于克拉瑪依區西南20 km處，承擔著HQ1 井區稠油油藏開發注空氣的任務。注氣站采暖面積3 500 m2，投用初期采用蒸汽換熱采暖的方式，換熱蒸汽來源于油區油田注汽鍋爐。注氣站內建4組空氣壓縮機組，壓縮機組采用兩級空氣壓縮工藝，一級壓縮工藝采用SVK25-3S離心式壓縮機，增壓至0.8 MPa；二級壓縮工藝采用DKY2240 往復式壓縮機（電驅），增壓至6 MPa輸送到注氣系統，壓縮空氣量達90×104m3/d。往復式壓縮機采用三級壓縮模式，一級、二級排氣溫度120～150 ℃，三級排氣溫度100～150 ℃。壓縮機每一級進氣設有冷卻器，通過水冷方式將壓縮空氣溫度控制在60 ℃以下，交換后的熱能通過循環冷卻系統逸散至大氣中，造成能量的流失。

在國家“雙碳”背景下，若利用壓縮空氣余熱進行采暖換熱，可減少注汽鍋爐非生產蒸汽用量和天然氣消耗，并減少二氧化碳排放量，具有節能提效、減污降碳的雙重意義[1]。

1 余熱匹配分析

1.1 余熱計算

工業化注氣站有4 臺2 240 kW 的往復式壓縮機，2臺工頻、2臺變頻，設計是3用1備，實際運行中2用2備。按照理想氣體狀態方程[2]，空氣壓縮過程中處于升溫狀態，產生大量熱能。往復式壓縮機運行排氣溫度、排氣壓力、排氣量等數據如表1所示。

表1 往復式壓縮機運行參數Tab.1 Operation parameters of reciprocating compressor

熱能之間的相互轉換通過熱力循環實現，壓縮空氣熱力循環簡化為理想熱力循環，為表示壓縮空氣的余熱能力，依據熱量?理論計算原理[3]，壓縮空氣放出的熱量、熱量?可由下式求得：

式中：Q為熱量，kW(KJ/s)；cp為比定壓熱容，kJ/(kg·K)；ExQ為熱量?，kJ/kg；T0為環境溫度，℃，取-20℃；T1為壓縮機排氣溫度溫度，℃；T2為壓縮機進氣溫度，℃。

查閱氣體性質表2[4]，取cp為1.004 kJ/(kg·K)，計算得到壓縮機一級、二級、三級熱量?；標況下密度取1.293 kg/m3，得到壓縮空氣余熱的可用程度，計算結果如表2所示。

表2 往復式壓縮機壓縮空氣計算可用熱量Tab.2 Calculation of available heat for compressed air in the reciprocating compressor

1.2 采暖用熱需求

工業化注氣站汽-水換熱器換熱完成后，采用循環泵進行熱水循環，汽-水換熱器、熱水循環泵1 用1 備。熱水循環泵額定排量65 m3/h，揚程32 m，采暖出水溫度一般控制在55～70 ℃，回水溫度通常在40～55 ℃。泵排量按照100%、溫差按照30 ℃進行供熱需求計算，采暖用熱能力137 kW。

采暖用熱需求與壓縮機壓縮空氣余熱潛力良好匹配，是保障壓縮空氣余熱采暖系統穩定運行的關鍵。經綜合比較壓縮機空氣的可用熱量和采暖用熱量，采用壓縮空氣換熱的方式可滿足工業化注氣站采暖需求。

2 余熱利用技術

余熱利用技術按照熱源性質區分主要包含煙氣余熱回收、循環水余熱回收、空氣源余熱回收[3]，各種余熱利用的熱量來源和余熱源溫度如表3所示。

表3 余熱回收技術類型Tab.3 Type of waste heat recovery technology

煙氣余熱回收的熱源為鍋爐尾部排放的120～150 ℃的煙氣，通過換熱裝置加熱二次側流體達到余熱利用再回收的目的。

循環水余熱回收是直接利用未經冷卻的循環水熱量，通過換熱器或者熱泵提高采暖管網回水溫度，達到采暖用熱的要求，實現余熱的有效回收。

空氣源余熱回收技術的主要熱源為0～60 ℃的煙氣，通過空壓機將煙氣中的熱量提取出來用于預熱鍋爐的循環水，達到余熱回收的目的[4]。

按照余熱利用設備的類型，現有余熱利用技術主要有換熱器直接換熱技術、高效熱管換熱、吸收式熱泵技術、余熱鍋爐技術等。壓縮空氣排氣溫度在100～150 ℃，屬于低品位余熱資源[5]。壓縮空氣余熱利用與煙氣余熱利用相似，結合油氣田站場生產，壓縮空氣余熱利用采用換熱器直接換熱技術。常見的換熱器設備有管殼式換熱器、板式換熱器、熱管換熱器[6]。管殼式換熱器具有管程和殼程清洗方便、內漏時易維修的特點，且在石油石化領域應用技術成熟，本次改造選用管殼式換熱器。

3 方案設計

3.1 工藝流程

采用管殼式換熱器對往復式壓縮機壓縮空氣余熱利用，壓縮空氣一次側（管程）供熱，二次側（殼程）熱交換提高采暖循環用水溫度。考慮換熱器換熱效率、換熱器的熱損失以及新疆地區冬季極寒天氣，按照能量梯級利用原則，采用兩級換熱。在滿足供熱能力與換熱器運行安全條件下，一級換熱熱源采用一級壓縮空氣，二級換熱熱源采用二級壓縮空氣，采暖循環用水通過一級換熱器加熱后進入二級換熱器加熱，最后通過循環水泵供熱至站區。

一組采暖換熱器由一級和二級換熱器組成，考慮突發故障，設計2 組采暖換熱器，1 用1 備。正常情況下1 臺往復式壓縮機可滿足1 組采暖換熱器的換熱需求，考慮機組的維修及突發情況，2臺往復式壓縮機交替為1組采暖換熱器提供熱源，可根據生產運行情況切換壓縮機以保證熱源的持續性。

1 臺往復式壓縮機由3 個冷卻橇組成，對一級冷卻橇進口進行工藝改造，通過增加三通和閥門的方式將一級壓縮空氣引入一級換熱進氣主管，壓縮空氣經一級換熱進氣主管進入一級采暖換熱器一次側供熱（管程），余熱利用完成后經一級換熱出氣主管再回到壓縮機的一級冷卻橇，冷卻后再次進入壓縮機的二級進氣口。二級采暖換熱器的工藝流程與一級采暖換熱器一致，通過一級壓縮空氣與二級壓縮空氣對采暖循環水逐級加熱，最終出水溫度達到55～70℃，滿足采暖供熱需求。壓縮空氣余熱利用流程如圖1所示。

圖1 壓縮空氣余熱利用工藝流程Fig.1 Process flow of compressed air waste heat utilization

3.2 設備選型

工藝新增一級采暖換熱器2 臺，二級換熱器2臺。經計算，一級換熱器設計壓力按照往復式壓縮機一級排氣最高允許排氣壓力的1.2 倍系數取值，采用2.5 MPa 壓力等級的換熱器；二級換熱器設計壓力按照二級排氣最高允許排氣壓力的1.2 倍系數取值，采用4 MPa 壓力等級的換熱器。熱水循環泵、補水泵、軟化水箱采用系統已有設備。壓縮空氣余熱利用系統主要設備清單如表4所示。

表4 壓縮空氣余熱利用主要設備清單Tab.4 List of main equipment for compressed air waste heat utilization

壓縮空氣余熱利用實施后，經過一個采暖季（10 月至次年3 月）的運行滿足冬季采暖的需求，采暖出水溫度可根據需求控制調節至55～65 ℃范圍（圖2）。

圖2 采暖換熱器一、二級出水溫度Fig.2 First and second stage outlet water temperature of the heating heat exchanger

3.3 經濟性分析

壓縮空氣余熱利用技術實施前，通過汽-水換熱器采用蒸汽換熱采暖的方式，根據現場實際運行情況，每小時消耗蒸汽量7～10 t，每天消耗蒸汽168 t 以上。蒸汽綜合生產成本按照每噸83 元計算，站區每年蒸汽采暖費用需251萬元。

采用壓縮空氣余熱利用技術后，完全替代蒸汽換熱采暖，每年節約蒸汽費用251萬元，工程投資一個采暖期即可回收，經濟效益顯著。兩種采暖方式經濟對比如表5所示。

表5 壓縮空氣余熱利用經濟性對比Tab.5 Economic comparison of compressed air waste heat utilization

3.4 節能減排分析

壓縮空氣余熱利用主要節約天然氣和電力用能。注汽鍋爐天然氣單耗按照65 m3/t計算，采暖季消耗天然氣19.7×104m3(標況)，折合標煤2 614.2 t；電力單耗按照7.1 kW/t 計算，采暖季消耗電力215 MW，折合標煤26.4 t。一個采暖季節約用能合計2 640.6 t 標煤。采用排放因子法計算[7-8]，每年減排CO24 252.7 t（表6）；按照每萬立方米天然氣燃燒產生6.3 kgNOX[9]，每年減排NOX1.24 t，節能減排效果顯著，環境效益明顯。

表6 壓縮空氣余熱利用節能減排效果Tab.6 Energy saving and emission reduction effect of compressed air waste heat utilization

4 結論

在“雙碳”目標的指引下，新時代能源發展的核心目標是構建清潔低碳、安全高效的現代能源供應體系。節能降碳增效工程作為國家和企業“碳達峰”重要行動部署，是降低能耗總量和碳排放強度的重要組成部分。壓縮空氣余熱利用在滿足工業生產用氣的基礎上，通過能量梯級利用的的方式，有效提供了站區冬季采暖用熱，既提高了能源的利用效率，又減少了能源的消耗，降低了二氧化碳以及污染物排放，具有顯著的經濟效益和節能環保效益。