天然气压缩机组烟道废气余热利用技术探讨

杨玉林 张建华 尚用兰 尚丽 杨振峰

摘要：靖边气田在开发开采过程中地层压力逐年下降，区域增压已成为气田主要的增产手段之一。压缩机组成为了集气站增压生产的核心设备，然而天然气压缩机组在运行过程中烟道排放的高温废气造成大量的热能浪费和空气污染，本文立足实际，本着节约能耗、环保减排的目的，提出将天然气压缩机在运行过程中产生的热能进行回收利用，并采用大量数据及计算证明其可行性，为气田节能降耗提供了新思路。

关键词：压缩机组；烟道废气；余热；利用；节能减排

一、生产现状

靖边气田随着开发年限的增加，气田地层压力不断下降，已逐步进入增压开采阶段，目前靖边气田在用天然气压缩机组已达到40台。天然气压缩机组运行过程中，由于天然气体积压缩，压缩机组出口气温度较高，中15站压缩机出口气温度在20-50℃之间，严重影响该站天然气脱水效果，导致外输露点不合格，压缩机动力缸正常运行过程中，排烟温度在380℃左右，造成大量热能浪费和大气污染，热能回收利用存在较大潜力。

二、改造方案设计

烟气余热回收利用技术设计方案是将压缩机动力缸与消音器之间的排气管线上安装热交换器。排气温度的底限是尾气的露点，如果低于露点温度，烟气中含有的二氧化硫等气体会形成硫酸，造成腐蚀，天然气发动机排气温度一般不得低于120-150℃[1]。因此设计将烟气温度由初期的380℃降低到150℃所释放的能量进行回收利用。

因燃烧的是经过站内分离、脱水后的天然气，气体组分相对较纯净，因此方案中只考虑热量换热回收，不考虑因粉尘、杂质等造成的烟道结垢使热传导系数改变引起的后续问题。

（一）压缩机组烟气可回收利用的热量。中15站压缩机自用气消耗120方/小时，陕京天然气的热值一般在36Mj[2]，即每小时天然气燃烧产生热能4320Mj，其中约10%在发动机运行过程中以热量散失行驶损失掉。

根据中15站压缩机组目前运行参数计算得出目前运行功率为设备额定功率的80%，得出目前中15站压缩机组燃气热能有1362.24Mj转化为压缩机动能，根据能量守恒定律得出压缩机组每小时产生的烟气携带的总热量为2525.76Mj。

设计将排出的烟气从380℃经过余热回收降低到150℃，考虑到换热器的热能回收率受其他因素影响，实际回收率只有60%-85%，此时按照60%进行计算，该压缩机组每小时可回收热量为1515.456Mj，即420.96Kw·h。

（二）中15站供暖、制冷需消耗热量

1、提供室内取暖及气井节流前加热。从生活区散热器回来的采暖循环水、设备区加热炉回来的气井加热循环水，经过除污器、循环泵后，进入烟气换热器中，吸收烟气中的余热后再进入生活区散热片及设备区加热炉。

中15站冬季采暖炉运行过程中出水温度65℃，回水温度30℃，室内采暖用水量约3m3，约3小时循环一次。计算得出中15站室内采暖每小时需热量147Mj。目前中15站建设有3台水套加热炉，经数据计算得每台加热炉每小时燃烧天然气34.16方，提供热量为1229.76Mj。

2、提供生活热水。生活水经过给水泵进入烟气换热器，经过与烟气热交换后，吸收烟气热量，产生90℃热水，直接与洗浴供水泵相连，通过洗浴间龙头调节冷、热水比例，控制水温。

中15站热水需求量最大时为0.5m3/h，生活用水的进水温度为10℃，出水温度为90℃，计算每小时所需最大热量值为168Mj。

3、提供压缩机出口天然气降温。设计方案采用溴化锂吸收式制冷机原理为压缩机出口天然气制冷降温，烟气余热将水加热产生蒸汽，以蒸汽作为制冷机的热能，在发生器中将溴化锂溶液浓缩的同时，将溴化锂溶液中的水蒸发成水蒸气；水蒸气先在冷凝器中凝结成水，再在蒸发器中蒸发，在蒸发过程中吸收大量的热能，使制冷水变冷，变冷的制冷水经过压缩机出口管先与天然气换热，实现天然气制冷。蒸发器内的低压蒸汽由吸收器中的溴化鋰溶液吸收，使溶液变稀，如此循环达到连续制冷的目的。

夏季压缩机组出口天然气温度约50℃，将其降温至20℃，可以满足脱水橇正常脱水及外输露点合格，由于天然气在系统压力（5.00Mpa）的定压比热容为1.603Kj/（Kg·℃） [3]，压缩系数为1.0632，中15站外输瞬时流量约为55万方/天。因此在换热过程中压缩机组出口天然气释放的热量为840.6Mj。溴化锂吸收式制冷机热量损失不大于30%的情况下，需要从压缩机组烟气中利用的热量为1200.86Mj。

综上所述，冬季运行过程中中15站压缩机组烟气余热可同时满足站内供暖及一台加热炉运行并提供站内生活热水。夏季运行过程中能有效提供站内生活热水并提供溴化锂吸收式制冷机降低压缩机出口天然气温度，提高脱水效果，保证了外输气露点的合格。

三、压缩机组烟气余热回收利用技术经济评价

（一）压缩机烟气余热回收资产投入

压缩机烟气余热回收主要用于生活热水、气井加热、室内供暖、压缩机组出口天然气降温等4方面，通过对设备及材料的优选，测算出整体式压缩机余热回收系统所需主要设备及价格，其中供水泵、水箱、补水泵、循环泵站内已有，无需再购买，计算得出总投入为104.58万元。

（二）压缩机组烟气余热回收效益

1、节约加热炉、采暖炉燃烧所消耗天然气量。中15集气站加热炉及采暖炉使用时间段为每年的10月中旬至次年的3月中旬，1台加热炉及1台采暖炉的天然气年消耗量约为4.37×104m3，天然气价格按2.3元/m3计算（西安市非居民类燃气价格），则每年费用为10.05万元，改造后2台设备可留存备用。

2、解决生活持续热水供应问题。站内热水器功率为2KW，按照每天运行5小时计算，一天耗电量为10KW·h，电费价格按元0.99/KW·h计算，则每年费用为0.36万元。

3、解决夏季压缩机出口天然气温度高问题。由于压缩机出口天然气温度高，导致脱水橇脱水效果差，天然气露点降不符合要求，外输天然气露点高，不满足外输气质要求。若实施此项改造能够有效降低出口天然气温度，确保夏季运行过程中集气站外输露点合格率。

（三）节能减排。使用天然气压缩机组烟气余热回收技术是通过将烟气中的热量传递给换热器中的水通过各种途径利用到站场各个方面，实现废气的二次利用，取代了其他外部天然气设备提供供暖、控制温度的方法，节约了供暖和生活热水所使用的资源消耗，减少了因废气排放造成的环境污染，实现了节能减排的目的。

从安全角度考虑，使用烟气余热回收利用技术可以省去场站3台加热炉、1台采暖炉，消除了场站内的明火源，生产安全风险降低。

四、结论

1、烟气余热回收利用可以提供生活热水、供暖和气井加热，节省了加热炉、采暖炉供热所消耗的天然气，生活热水所消耗的电能。

2、烟气余热回收利用可以提供压缩机出口天然气降温，有效避免了夏季天然气增压后温度过高，导致外输露点不合格的现象。

3、烟气余热回收利用可将集气站加热炉停用，消除了站内唯一的明火源，降低了安全隐患，同时降低了因加热炉燃烧产生的粉尘和二氧化碳等物质排放量，实现节能的目的。

4、烟气余热回收利用能有效降低压缩机余热的浪费，实现减排的目的。

参考文献：

[1]贾廷钰，GHP系统发动机余热回收探讨[J]，能源与环境，2010，（3）

[2]温军英，统一天然气热值的探讨[J]，煤气与热力，2009，（2）

[3]范砧，燃料气比热容的计算方法[J]，工业炉，2006.（1）