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天然氣發動機煙氣餘熱回收現狀

       隨著我國對可持續發展戰略的推行,清潔能源的利用不僅是我國亟需麵對的問題,同時也成為各個國家發展的重大挑戰。現階段天然氣作為僅次於石油的二大商品能源,我國在其勘探工作方麵取得了很大突破。天然氣產量逐年上升,在非常規天然氣勘探技術方麵也有著長足的進步。於此,我國更與其他產氣大國進行合作,期待更快解決我國對天然氣的需求。
       壓縮機在油氣田場應用的用途是增壓,其中包括天然氣淨化廠和天然氣增壓站。我國天然氣輸送項目的不斷建設,壓縮站的存在已是整個運輸工程的關鍵,其為天然氣的輸送提供了強大動力。天然氣壓縮機組由壓縮機和發動機兩部分構成,發動機以消耗天然氣為動力來源為壓縮機提供動力,天然氣壓縮機及發動機在油氣田行業應用非常廣泛。圖 1-1 為天然氣壓縮機及發動機用途。
 
圖1 1 天然氣壓縮機及燃氣發動機在油氣場的應用
 
       隨著天然氣壓縮機及發動機在油田的大規模使用,為天然氣輸送提供了強大動力,但同時天然氣發動機產生的高溫煙氣不經處理直接排放將會使得大量熱量浪費,並且對環境產生汙染。 如今,我國對天然氣的應用遠不如其他發達國家。整個餘熱利用領域 日本的餘熱能回收利用率高,但餘熱回收效率僅接近 50% 。我國能源消耗量占總耗量的70%,但利用率僅占 33%,究其根本原因就是餘熱的浪費,其中工業耗能就約占50%。有回收並高效使用餘熱能避免造成廢熱能源的浪費及對環境的汙染是我國要麵對的問題。圖1- 2為油氣田場天然氣壓縮機組。

圖1 2 天然氣壓縮機組
 
       一、現有餘熱回收技術方法
       油氣田場壓縮機的動力來自以使用天然氣為燃料的燃氣式發動機。當前,國內外燃氣發動機采用的煙氣餘熱回收再利用方法包含有以下幾種:
       1.熱能直接利用
       通過在燃氣發動機尾部裝設換熱器,達到回收發動機排放煙氣多餘熱量的目的。一般將回收的餘熱能量用來加熱其他流體介質,並將其使用在工業生產或者生活區域。
       1.1加熱原油
       油氣田場通常將回收的煙氣餘熱直接用於加熱原油,以代替原來的加熱爐。在陸梁油田,文東油田等處都有使用[7,8]。西二聯合站[9],通過在排氣通道內安 裝回收設備,利用天然氣發動機煙氣餘熱加熱流體介質,再使用換熱器將加熱後的熱流介質與原油進行熱交換,從而代替原來的加熱爐進行加熱。結果顯示:使用餘熱回收裝置,每年可節約天然氣 113.44m³,減少費用 87.35 萬元,大 約 3 年便可收回投資,煙氣溫度從 356.64℃回收至 108.84℃,有效地降低了煙氣餘熱的浪費。陸梁油田餘熱主要用於原油摻熱用熱需求,原油摻蒸汽用熱來源是煙氣通過餘熱鍋爐加熱軟化水,生產壓力 0. 8 MPa,蒸汽溫度為 170.4℃, 並回收熱量 4588.65KJ/s。
       1.2工業或生活用熱
       煙氣餘熱回收裝置加熱生成的熱水或低壓蒸汽,可用於工業生產和生活用熱,如管線加熱、保溫、解凍、住宅區的采暖、浴室供洗浴使用。以陝西省天然氣股份有限公司富縣壓氣站[10]為例,當地處於嚴寒的陝北地區,冬季環境溫度可達-20℃,要做好保溫工作,就必須使用大量熱水。使用煙氣餘熱回收裝置, 每小時可得到熱水9600kg以上,不僅滿足壓氣站采暖需求,還可將富裕的8800kg/h 熱水外輸給鄰近的陝西交建集團和富縣九年寄宿製學校。就一個采暖季提供熱水可創造經濟價值約 246 萬元,相較於使用煤炭,可少向環境排放 44.2t粉塵、162.5tCO2,4.8tSO2,0.24NOx。2015 年新疆油田公司在陸梁天然氣集中處理站對兩台 470 kW 天然氣壓縮機的餘熱鍋爐進行了試驗運行,餘熱鍋爐表現為運行狀況良好,回收效果穩定。西北油田節能監測中心並對其鍋爐換熱效率進行了測試,結果顯示煙氣餘熱回收效率高達 87%,實驗處理站高效利用了天然氣發動機排氣餘熱的潛在價值,減少了天然氣的消耗,緊靠國家節能減排政策,平均每年少向大氣排放二氧化碳 2500t、二氧化硫 23 t、氮氧化物 6 .7t。
       1.3其他
       淡化海水設備能有效利用燃氣式內燃機煙氣餘熱,通過使用低壓多效閃蒸法的技術手段蒸餾淡化海水。結果表明:利用內燃機排氣餘熱結合低壓多級閃蒸的方法在淡化海水的技術上是完全可行的,其裝置優點表現為:結構簡單改造便易,設備體積小占用空間少,經濟效益可觀。等研製的瀝青加熱設備是使用發動機排氣的廢熱代替原有的明火加熱爐在瀝青運輸過程中對其加熱。結果顯示:其裝置具有節約能源、保護環境、提高作業效率的優點,並未對發動機動力等其他性能產生明顯的影響。
       2.餘熱製冷
       2.1吸收式製冷
       吸收式製冷係統中煙氣餘熱可作為完成製冷循環的動力。吸收式製冷不需配備壓縮機,煙氣餘熱可直接使用達到製冷效果[13]。其以製冷係數大,運轉部件少、耗電能低的優點被國內外油氣田場站廣泛采用。因氨吸收式製冷係統所需設備大、結構複雜、占地多且造價費用高。而溴化鋰吸收製冷憑借動力部件少、結構簡單、冷量易調節等優點被油氣田廣泛應用。如勝利油田使用溴化鋰吸收式製冷機組對熱量進行回收,並用於廠區的製冷,其效果顯著。
       2.2吸附式製冷
       吸附式製冷是利用某些物質吸附和解吸過程產生的壓力變化代替壓縮機的作用實現製冷。通常用活性炭-氨氣,沸石-水,作為製冷物質。吸附式製冷係統較吸收式製冷結構簡單、無運動部件、造價低廉、對環境無汙染、能直 接使用一次能源,但熱利用率相對較低,因此吸附式製冷技術未能在國內外油氣田開采領域得到普遍應用,僅適用於低品位餘熱存在的工作場合或震動比較劇烈的設備上。今後研究要側重於強化吸附器傳熱傳質,加強設備工作狀態的穩定性和可靠性,以便提高係統總體工作效率,來拓寬技術產品的應用範圍。
       2.3其他製冷
       現階段製冷技術還包括熱聲式製冷、噴射式製冷、金屬氫化物製冷。熱聲式製冷 20 世紀末就已經被開始研究,但相應的應用案例還未見報導;噴射式製冷以噴射器替代壓縮機的作用,動力來源隻有循環泵,功率消耗低,並且可使用低溫位熱能,但噴射式製冷工作噪音較大,係統亟需優化改進。金屬氫化物製冷是基於貯氫合金大量、可逆地吸氫和放氫時會產生明顯的伴隨熱效應的原理達到製冷或熱泵目的,金屬氫化物製冷無運動結構,不產生噪音且對設備沒有腐蝕,工作溫度不僅範圍大還可以進行調控,一些低品位熱源也可加以利用,如煙氣餘熱。利用天然氣燃料發動機排氣餘熱作為該技術動力來源的應用,國內外還未見報導。
       3.溫差發電
       20 世紀 70 年代使用該方法來回收煙氣餘熱的想法就被提出,研究領域寬廣包括工業鍋爐、發電站和一些運載設備等。以某電站燃氣機排氣餘熱的溫差發電為例,當假定排氣溫度為 370℃,流量為 6×104m³/h,使用該方法可得到功率 160 kW,效率約為 3.88%。熱電轉換材料的好壞決定其轉換效率的高低]。目前,BiTe 和 BiTe 固溶體合金以具有工作溫度範圍大[24]且容易獲取的特點,普遍被煙氣餘熱回收工程采用。
       4.有機朗肯循環
       有機郎肯循環是以低沸點有機物為工質的動力裝置循環,在低溫餘熱回收工程中已被普遍應用。因發排氣溫度不高,采用潛熱小、顯熱大、傳熱能力強、易蒸發和工作狀態所需冷凝壓力低的有機工質,在回收發動機煙氣餘熱時能夠獲得較高的工作效率。在多機組壓氣工作站為獲得比較大的輸出功率其通常采用煙氣並聯或熱油循環的方法來提高。相較於蒸汽郎肯循環,有機郎肯循環對工作環境要求低,可用於嚴寒,幹燥的地區,並能實現智能無人化操作,更適合壓氣站餘熱回收利用。
       20 世紀 80 年代有機郎肯循環就被開始應用,現技術已較為成熟。如今Ormat、Turboden 和 GE 以及 GMK 公司能夠提供完整的係統設備。我國國內油氣田開采領域關於有機郎肯循環技術的應用還未得到普及,但在國外已有成功的應用業績。以美國北疆氣田為例,1 台 RB211 設備通過有機郎肯循環可得到 5.5MW 的電能,2 台索拉 Mars100 設備能得到 4MW 的電能,所以該技術對我國西部地區壓氣站大規模推廣會有相當不錯的經濟效益。
       5.冷、熱、電三聯供
       目前在既需要製冷又需要製熱的場合,可通過溴化鋰製冷機加熱交換器方式,行業內將這種方式稱為冷熱電三聯供。圖 1-3 為三聯供回收天然氣煙氣餘熱結構示意。勝利油田動力機械廠發明了一套使用燃氣機餘熱的於冷、熱、電聯供係統,主要對廠內辦公大樓和廠房的進行聯供,實現了對餘熱能量梯級利用,係統占用空間小、結構簡易且容易操作為該廠帶來了巨大經濟效益。

圖 1-3 冷、熱、電三聯供回收方式
 
       二、換熱設備研究現狀
       隨著地球能源儲量日漸減少,企業在發展的的同時也重視餘熱的回收利用。換熱器作為工業節能回收係統的核心設備,其性能及使用時間決定了餘熱回收成套裝備的性能與使用時間。隨著科技技術的進步,工業餘熱的用途也越來越廣,也越加高效,同時餘熱回收所用的設備和技術也在被不斷完善。根據流體物理狀態,餘熱回收裝置分為:氣-氣換熱裝置、氣-液換熱裝置、液-液換熱裝置。由於在氣-氣換熱裝置中,熱交換效率較低,因此煙氣餘熱回收工程多數使用氣-液換熱裝置。
       餘熱回收換熱裝置在餘熱回收係統中處於關鍵位置。隨著能源緩慢枯竭,對能源的節約迫在眉睫,因此對換熱器的的優化設計提出了更嚴峻的挑戰,要求其類型和結構要與工作場合相適應,對於不同介質、溫度以及壓力條件下使用的結構和型式也要不同,以便新式、高效率的換熱器開發不斷更新。
       目前,國內使用較多的換熱設備有以下四種:(1)管殼式換熱器是使用多的換熱設備之一。按其結構的不同分為固定管板式、U 形管式、浮頭式和填料函式。(2)高效間壁式換熱器近幾十年應用越來越廣泛。其包括螺旋板式、板式換熱器、板翅式、翅片管式及熱管換熱器、微型熱交換器。(3)混合式熱交換器普遍應用 於化工廠、鋼鐵廠以及其他動力和空調工程類生產單位,以結構簡單、消耗材料少、接觸麵積大,直接接觸使熱量能比較完全利用的特點應用範圍日漸廣泛。按照用途分為冷水塔、洗滌塔、噴射式熱交換器、混合式冷凝器。(4)蓄熱式熱交換器通常使用在流量比較大的氣-氣熱交換場合,如動力、石油化工等工業場合的餘熱回收利用等方麵。其工作原理為冷、熱流體分別地流過同一固體傳熱麵,利用傳熱麵具有的熱容實現冷、熱流體熱量的交換。
       目前,從事煙氣餘熱回收利用技術的學者日趨增長。在煙氣餘熱回收過程中,由於換熱器換熱管壁與煙氣的傳熱係數較低,因此通常使用熱管換熱器或者針型管換熱器以加強換熱器的熱交換效率。熱管是一種高性能的熱交換元件,技術成熟,其工作原理為管內被密封的工質在熱端吸熱汽化,冷端冷凝液化,反複的進行物理相變來傳遞熱量。熱管的傳熱特性與通常的固體傳熱有著本質的區別,具有冷流和熱流分開流動不易串流、質量輕、無運動機構的結構特點,又具有熱響應迅速,傳熱效率高的工作特點,是設備導熱和散熱理想的選擇。但熱管管內工作介質溫度一般不高,如以鋼-水作為管內工作介質的熱管溫度通 常不能超過 300℃,因此在熱管的應用時要注意換熱器進口的煙氣流量要適量。目前,400℃以下煙氣餘熱使用熱管換熱器作為回收設備是很有效的。高效間壁式換熱器以其結構的緊湊性,被普遍使用在高溫餘熱回收場合。
2020/08/17 08:54:52 158 次