长输管道烟气余热回收应用前景

修钰翔

中石化石油工程设计有限公司,　山东　东营　257026



长输管道烟气余热回收应用前景

修钰翔

中石化石油工程设计有限公司,山东东营257026

燃气轮机烟气的温度一般高达500 ℃,直接排放到大气中既造成了大量热源浪费,又产生热污染,传统的回收方式利用率较低、经济效益有限。为提高燃驱压缩机能源利用率,减少环境污染,研究了目前燃气轮机烟气利用现状,提出有机朗肯循环余热回收用于发电或作为动力驱动小功率压缩机的方法,实现节约能源、提高能源利用率的目的,分析了其经济效益和社会效益,并对燃驱压气站的余热回收利用前景进行了展望。

燃气轮机；有机朗肯循环；余热回收；经济效益；社会效益

0　前言

目前国内长输管道压气站中燃驱压气站超过40座,燃气轮机超过100台,燃气轮机靠燃烧大量天然气提供动力,每产生1 MW动力需消耗7 000～7 500 m3天然气,产生的烟气温度高达500 ℃,直接排放到大气中既造成大量热源浪费,又产生热污染[2-3],根据GB/T 1028-2000《工业余热术语、分类、等级及余热资源量计算方法》[4]中余热资源等级划分,燃气轮机烟气余热属一类余热资源,应优先回收。近年来,在国家大力倡导“节能减排”能源利用政策的大环境下,烟气余热回收技术得到了越来越多的发展,在提高能源综合利用率、带来可观经济效益的同时,减少了二氧化碳、氮氧化物的排放,对节约能源、改善大气环境具有重要意义。

1　有机朗肯循环

有机朗肯循环(Organic Rankine Cycle,ORC)是以低沸点有机物(戊烷)为工质的朗肯循环,主要由余热锅炉、透平、冷凝器和工质泵四部分组成,工艺流程见图1。有机工质在换热器中从余热流中吸收热量,生成具有一定压力和温度的蒸汽,蒸汽进入透平机膨胀做功,带动发电机或拖动其他动力机械。从透平机排出的蒸汽在冷凝器中冷凝成液态,最后借助工质泵重新回到换热器,如此不断地循环下去。由于无压力或低压力的热源无法利用其他办法实现热功转换,有机朗肯循环膨胀机是唯一选择,在有机朗肯循环中,工质的作用是将热源的热值提取出来,将温度转化为压力、动力,实现热源的动力输出[8-14]。

该技术始于20世纪60年代,技术较成熟,装置规模10 kW～17 MW不等,在水泥、钢铁、冶金等行业的余热回收中应用广泛,国外长输管道方面,加拿大运输管道公司、美国北方管道公司等均采用有机朗肯循环开展余热回收,回收功率最大16 MW。有机朗肯循环与常规水蒸气朗肯循环相比优点如下：

1)对较低温度热源的利用效率更高。

2)戊烷比水蒸气密度大、比容小,所需膨胀机、排气管道及冷凝器中的管道直径均较小。

3)与水蒸气不同,戊烷在膨胀做功过程中,从高压到低压始终保持干燥状态,可以减少对膨胀机的腐蚀。

4)有机工质冷凝压力高,整个系统在接近和稍高于大气压力的情况下工作,降低有机工质的漏失。

图1　有机朗肯循环(ORC)工艺流程图

5)有机工质凝固点很低(低于-73℃),允许在较低温度下仍能释放能量；在寒冷天气可增加出力,冷凝器也无需增加防冻设施。

2　有机朗肯循环余热回收的应用

燃气轮机烟气属于一类余热资源,鉴于有机朗肯循环余热回收良好的经济效益、社会效益,已引起长输管道运营单位的高度关注,并进行了大量研究,以实现余热回收的经济效益、社会效益最大化。目前主流的发展方向有两种：一是膨胀机带动发电机发电进行上网交易[15-18]；二是膨胀机带动离心压缩机对天然气进行增压[19]，流程见图2。以国内某干线天然气管道1座燃驱压气站年平均温度工况为例,对上述两种余热回收方式进行分析,由于拟建管道达产较快,因此以达产工况进行分析,该压气站设计参数见表1,压气站不同工况机组配置见表2。

表1压气站设计参数

流量/(104m3·d-1)高程/m压缩机进口压力/MPa压缩机出口压力/MPa压缩机进口温度/℃压缩机出口温度/℃877015007.8511.8532.267.4压比计算功率/MW机组选型最冷月平均气温/℃全年平均气温/℃最热月平均气温/℃1.549.0830MW(2+1)70.09483.916187

表2压气站不同工况机组配置

工况运行台数/台燃机负荷率/(%)燃机单机运行轴功率/MW动力透平转速/(r·min-1)每台燃机烟气流量/(kg·s-1)每台燃机烟气温度/℃每台燃机耗气量/(m3·h-1)冬季28124.6595073.77434.966100春秋季29124.6595070.09483.916187夏季37616.4550056.45500.964629

图2　余热回收用于发电、驱动增压

2.1用于发电

余热回收用于发电是指有机工质进入膨胀机膨胀做功,带动发电机发电,经计算,在表2压气站不同工况下发电功率见表3。

表3不同工况发电功率

工况运行台数/台燃机负荷率/(%)燃机单机运行轴功率/MW余热发电功率/MW冬季28124.610.0春秋季29124.611.0夏季37616.411.6

在冬季工况下,2台机组运行,发电功率10 MW；春秋季工况下,2台机组运行,发电功率11 MW；夏季工况,3台机组运行,发电功率11.6 MW。由于不同季节发电功率相差不大,近似按11 MW进行效益分析,按照每年工作8 400 h、上网电价0.32元计算,每年产生效益为2 957万元,按照标准煤折算,每年减少二氧化碳排放量78 897 t,减少氮氧化物排放量219 t,整套余热回收装置投资约 17 000 万元,投资回收期约6年,如果考虑减排的碳交易费用,回收期将更短。

通过该方式产生的电能直接进行上网交易,对站内生产流程无影响,经济效益较可观,但电能上网交易存在不确定性,电力资源充足地区上网交易困难,且在发输电过程中需要与地方供电部门交涉,存在升压、建设输电线路等问题。

2.2用于机械传动

余热回收用于驱动离心压缩机是指有机工质进入膨胀机膨胀做功,带动压缩机做功,对天然气进行增压,即在站内已建压缩机非满负荷运行的情况下,增加1台小压缩机组,与已建压缩机组并联运行来增压,新增压缩机组的动力通过余热回收的热量转换获得。

对表1的压气站参数进行分析,在考虑余热回收驱动小功率压缩机组的情况下,站场其他机组的运行工况均会发生变化,经过优化后,站场机组的主要运行参数见表4。

表4用于驱动压缩机方案的机组主要运行参数

工况机组配置运行台数/台燃机负荷率/(%)运行功率/MW每台燃机耗气量/(m3·h-1)全站耗气量/(m3·h-1)直驱方案节约燃气/(m3·h-1)冬季燃机28149.2666313325燃机+ORC2+ORC6640+9.25417108332492春秋季燃机29149.2666313325燃机+ORC2+ORC7239+10.25281105632763夏季燃机37649.2444213325燃机+ORC2+ORC8938.6+10.45227104542871

根据表4的对比结果,燃机+ORC的混合驱动操作方案除在夏季工况可以直接减少1台燃机运行外,在全年其他工况都可以比单独应用燃机驱动输气的方案节省燃料气,按照每季度操作2 100 h计算,每年可减少天然气消耗2 286×104m3,按照天然气出厂价+站场所在地管输费计算,每年节省费用6 032万元,按照标准煤折算,每年减少二氧化碳排放量64 391 t,减少氮氧化物排放量179 t,整套余热回收装置投资约24 000万元,投资回收期约4年,如果考虑减排的碳交易费用,回收期将更短。另外夏季减少1台燃气轮机运行,可以减少运行维护费用(主要为热部件费用)。

该方式的经济效益明显高于余热发电,但站场压缩机组的运行需要与增加的小功率机组统一调配,对生产运行人员要求较高,社会效益略低于余热发电方案,同时对已建站场的适用性不强。如果在压气站设计初期将余热利用作为设计内容，统一考虑燃气轮机的选型,提高燃气轮机的负荷率,充分利用燃气轮机的烟气,将产生更高的经济效益、社会效益。

3　结论

通过上述分析可知,燃气轮机排放的烟气通过有机朗肯循环进行余热回收,用于发电或驱动离心压缩机与站内压缩机并联对天然气进行增压,经济效益、社会效益较好,尤其是驱动小功率压缩机与站内压缩机并联运行,可实现经济效益、社会效益最大化。从减少污染物排放、改善大气环境,节约能源、提高能源综合利用率,以及企业的经济收益角度考虑,燃驱压气站余热回收应用前景广阔,是未来的发展趋势。

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2015-09-23

修钰翔(1984-)，男，山东龙口人，工程师，学士，主要从事油气工艺设计工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.023