压气站天然气压缩机组烟气余热利用

梁健 李明德 孙德静 陈伟聪

摘 要：天然气燃烧后所排出的烟气中含有大量余热，而压缩机在运行过程中也会排放出大量的高温烟气，直接造成了热能资源的浪费，而且还污染了大气环境。如何有效利用天然气压缩机组烟气余热，是目前天然气公司非常关注的话题和必须重视的问题。基于此，本文针对压气站天然气压缩机组烟气余热利用展开了分析和研究，以供参考。

关键词：压气站;天然气;压缩机;烟气余热利用

中图分类号：X743 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2022）02-0096-03

0 引言

近年来，伴随着我国城市化进程的发展，人们对热能的需求量越来越高，同时，国家又在大力倡导要降低环境污染，导致两者之间的矛盾问题越来越严重。因此，人们如何正确利用天然气是目前非常关注的问题，而且已经成为了有效解决城市环境问题的重要举措。天然气在燃烧以后所排放的烟气中，含有非常多的水蒸气，水蒸气的冷凝替热占天然气发热值的10%～11%，由此分析我们可以得知，如果将冷凝替热进行回收利用，那么是可以在一定程度上提高天然气利用效率的。而将天然气压缩机的烟气余热充分利用起来，不但能降低能源消耗，还能在提高压缩机工作效率的同时，实现保护环境的作用。

1 案例分析

本文以陕西省天然气公司XX压气站作为分析研究目标，它是靖边到西安长输管线的加压单位，每年冬天是运行的高峰时期，此时是需要通过压缩机组对长输管线进行加压的，这样做的目的是为了更好的保证下游用气。就目前压气站所应用的天然气压缩机来看，冬季压缩机的运行时间在120 d左右，一共有四台压缩机组，其中正常运行的有三台，留有一台是备用。此压气站的位置处于陕北地区的严寒地带，冬季室外温度都在零下20 ℃左右，备用机组想要有效运行，是需要在油水加热器的保障下来运行的，在此运行的过程中，如果采用强制启动方式，是会引发冰堵情况的[1]。而回收利用的余热可以用来对机组热量的回收，也可以用在解决场站工业生产和生活所需的热能。

2 压气站目前的供热方式分析

2.1 生活用水和采暖

通过对XX压气站的分析发现，压气站的所有生活用水都是通过一台0.12 MW天然气来提供的，所供应开水量在1 250 kg每小时，而天然气耗量是在11.9立方米每小时，采暖也是通过一台0.35 MW天然气热水锅炉提供，面积3 000 m2，天然气耗量35.2 m³/h。总的来说，两台锅炉相加，每天都需要消耗将近300 m2的天然气。

2.2 需要在XX压气站新增的采暖场所

从当前XX压气站的现有设备来说，它的油料库是需要安装采暖设备的，因为一到冬天开始运行的时候，油料库的润滑油粘度非常大，在这种情况下，就会导致加油机给压缩机补充润滑油的时候产生较大困难，当然加油速度也会变得缓慢。此外，压缩机房也没有安装采暖设备，所以到冬天压缩机开始运行时，由于运行环境温度较低，所以需要油水加热器和高位油箱电伴热系来辅助运行，因为目前压气站的排污系统和调压计量支路采用的都是电伴热系统，为此可以通过加热方式，降低冰堵和冻裂的情况发生。因此，需要对油料库、压缩机房等进行改造，这时就需要新增采暖面积1 398 m2，但是目前采暖锅炉的能力是无法满足采暖设备伴热需求的[2]。

2.3 改造后经济性分析

針对改造提出的相关措施，不但能有效地降低能源消耗，还能实现大气环境的保护。此外，还能满足现有区域和新增区域的热水和采暖供应问题。对于多余的热水，还可以外输给其他单位，例如，如果完成上述改造，不仅可以满足现有的热水和采暖供应，热水大概7 t/h左右，还可以将富裕的88.328 t/h热水外输给邻近的某集团和某寄宿制学校。以1 t热水10元计算，每天外输2 000 t热水，一个采暖季（120 d）就可以出240万元的经济价值。同时还可以节约原有锅炉使用的天然气大约4万m³[2]。此外，压缩机组主要是利用烟气余热的回收技术来实现生活热水、取暖需求，这不仅实现了废旧烟气的回收利用，还节约了能源消耗，真正实现节能和环境保护的作用和目的，而且通过烟气余热回收技术的应用，降低安全隐患问题的出现。

3 天然气压缩机组烟气余热回收利用技术分析

3.1 热能直接利用方式

热能直接利用的原理是：在发动机排气烟道中，通过对烟气换热器的安装并利用压缩机排放的烟气进行加热，然后通过热交换对烟气热量进行转化，从而实现直接利用的目的。

（1）加热原油。通过烟气余热回收利用，可以将回收的烟气余热用于加热原油，取代或者部分取代原有的加热炉。（2）工业和生活的用热。通过利用烟气余热回收装置所产生的热水和低压蒸汽，是可以将其应用在工业和生活用水方面的，其中蒸汽可以提高保温、保暖效果;热水可以为中控室、值班室、员工宿舍等提供保暖热源。（3）其他直接应用。有研究人员利用烟气余热回收装置结合蒸馏水的方式进行试验，结果显示此方案非常可行，而且应用过程中还具有改造方便、费用低和空间占用小等优点。

3.2 余热制冷

在余热制冷技术中又包含以下几种制冷方式：吸收式制冷、吸附式制冷、热声式制冷、喷射式制冷等，其中被广泛应用是前两种制冷方式，即吸收和吸附式。

（1）制冷吸收方式。它是通过对吸收蒸发器的制冷剂在吸收器稀溶液的作用下，通过高温加热溶液，使制冷剂蒸发或者冷凝的循环制冷方式。此制冷方式最常用的工质是水-溴化锂，因为此工质是不需要借助于压缩机的，是可以直接利用烟气余热来实现制冷的方式，具有非常大的制冷系数，而且它还具有耗能少、噪音小等优点。当然也有缺点，就是具有比较强的腐蚀性，对材料要求非常高。（2）制冷吸附方式。吸附式制冷的方式是通过有效的固体物质，在一定温度和压力下吸附制冷气体，同时还需要在另外温度和压力下将其释放出来。由于在吸气和放气的过程中是会有压力变化的，所以能将压缩机的作用很好地体现出来。吸附式的制冷方式常用的介质有氨气、水等。此外，吸附式制冷技术还具有污染小、可以直接利用等特点，所以越来越被重视，非常适应于大量低品位余热排放的工业过程中。（3）制冷的其他方式。热声式制冷技术主要是利用发动机的高温烟气通过与工质的结合，实现加热。这种情况下的加热是具有周期特性的，它的对外输出方式采用的是斯特林型脉管制冷机，在此制冷机的作用下实现制冷。此外，还有喷射式制冷方式。是将压缩机替换成喷射器，然后结合热能的消耗来实现制冷。此制冷技术结构非常简单，除了循环泵以外，是没有应用其他运动部件的，所以耗工量也比较小。

3.3 温差发电

在调查研究中显示，半导体温差发电是最为常用的一种温差发电方式，此项发电方式具有无污染、无噪音、稳定并且寿命长的特点。属于一种理想的能量转换方式。在使用此项技术进行天然气压缩机烟气余热回收利用的时候，一定要重视热能转材料的选择。对于温差发电技术来说，热能转换材料是最基础的，材料的质量直接影响着热电转换效率。目前，常用的热能材料有BiTe、ZnBe、SnTe等，其中BiTe材料是获取容易、应用比较多的材料，在烟气余热回收过程中应用也是非常广泛的。温差发电技术在应用过程中受到制约因素最大的就是热能转换效率低的问题。在调查研究分析中发现，半导体温差发电材料的热能转化效率是在4%左右，最高在7%，所以如何有效地提高热能转换效率，是需要重点关注的问题。除此之外，还需要考虑的是，关于烟气中热量的有效吸收、储存和传输等。

3.4 有机朗肯循环系统

有机朗肯循环系统相对来说比较简单，属于蒸汽动力循环装置之一，目前在工业上的应用范围是非常广泛的。压缩机烟气温度如果没有超过800 ℃，是很难通过水循环工质提高效率的，而有机工质还具有潜热小、显热大、传热性能好等优点，所以非常适合应用在压缩机烟气余热回收中，虽然有机朗肯循环技术有很大的应用优势，能在实现发电的同时，还能对外做功，但是此项技术并没有大规模的应用，而且关于装置的稳定性和适应性也是需要进一步研究的。

4 压气站天然气压缩机烟气余热利用分析

通过回收的烟气热能，可以将其用于生活中的用热，如实现冬季的取暖和热水供应，满足淋浴需求;同时还能实现工业用热需求，如回收的热能用于机组热备、管线、设备保温等。当然，通过相关技术的应用和改造，还能提高燃料利用率。冷却后的天然气温度会直接影响到LNG的产量，所以还可以将其应用于LNG生产所用的天然气压缩机组上，效果也是非常不错的。

但是就目前来看，烟气余热回收技术受国家政策影响比较大，余热电能上网还是有一些困难的，所以为了解决这种情况，还可以将回收得到的电能加以利用，将其用在用电的加气站设备中，还可以将其应用在小型的电动增压机上。为了更好地保证烟气余热回收利用的功能和效果，还要将压气站天然气压缩机烟气余热回收利用的设计重视起来，需要考虑以下因素。

（1）在应用烟气回收装置的时候，需要考虑压缩机性能，避免两者之间存在冲突，发生制约作用;（2）换热器的安装位置是非常重要的，与烟气余热回收有很大的关系，需要重点关注，最好不是安装在排气管出口位置;（3）发动机是否属于负荷运行也是会影响到余热回收系统的，所以需要重点关注;（4）因为整个回收流程需要很大的控制范围，所以在设计烟气余热回收系统的时候，要融入自动化设计，实现自动化控制和监测;（5）在设计的时候，还需要考虑维护和操作系统的安全性。

5 天然气压缩机烟气余热利用状态分析

天然气有物理和化学性质之分，通过对天然气特点的分析可以知道，天然气是具有易燃易爆特点的，所以为了更好地保障天然气压缩机有效地开展和运行，回收更多烟气余热，降低环境的污染，需要重点分析和研究天然气化学和物理特点。

首先，我们要知道天然气的主要成分是甲烷，甲烷相信大家都是不陌生的，具有很明显的物理和化学性质，为了更好地满足天然气压缩机技术的要求，一定要不断地提高天然气压缩机和天然气管道输送的效率，更好地实现烟气余热的回收利用。其次，甲烷的主要成分是碳和氢，同时还会有少量的硫、氮等元素，因具有压缩性，所以在压力增高的时候，天然气的体积会变小，而当天然气压力下降的时候，天然气体积会膨胀。天然气的温度其实就是天然气的冷热程度，当温度降低以后，天然气中的水蒸气就会很容易凝结，并形成水滴，生成天然气水合物，这种物质会在一定程度上堵塞天然气输送的管道系统，进而增加烟气热能，由此我们可以知道，想要更好地保证天然气输送过程中的安全，一定要科学合理地控制天然气中的水含量。天然气压缩机组烟气余热回收利用，是将天然气压缩机加压处理之后，对烟气余热所产生的热能进行回收和利用，通过对回收热量的计算，提高其经济价值和经济利益。而且将天然气烟气余热进行回收和利用，还能有效提高天然气压缩的效率，降低资金投入，提高天然气企业的经济效益。常用的天然气输送方式有天然气管道输送，天然气运输结合等方式，能够对天然气烟气的回收利用有更好的保证效果。当然，还需要不断的研究和应用自控系统，实现对天然气压缩机的优化，有效降低压缩机发生故障的概率，使天然气在合适的压力下，能够顺利、方便地输送到管道系统中。

6 结语

综上所述，我们可以得出几点结论：（1）通过烟气余热的有效回收和利用，可以为压气站提供更好的生活条件，如生活热水和供热的供应，大大解决了目前压气站冬季机房温度低、润滑黏度大的问题，保证了压缩机的质量和工作效率。（2）将烟气余热回收利用能停用电伴热，进而降低安全隐患问题，提高安全生产，而且还有效地保护了环境污染问题，实现了节能减排。（3）通过对回收热能还能实现外输，不但解决了烟气排放污染和浪费问题，还解决了产能过剩的问题，提高和创造了经济价值。

参考文献

[1] 马帅杰，林文胜.利用燃气轮机烟气余热的复合有机朗肯循环系统优化分析[J].制冷学报，2019（06）：39-45.

[2] 韦鑫.压气站天然气压缩机组烟气余热利用[J].设备管理与维修，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，陕西岐山人，硕士，高级工程师，研究方向：天然气、消防、节能。