气田增压机组烟气余热利用技术

气田增压机组烟气余热利用技 术 0 引 言 气田开发 中 、 后期通常采 用增压开采和增压集输 工艺 ， 天然气增压机组因此 得到广泛应 用 。 仅在西 南 油气田公司 就 有各类大中型 天然气增压机组二百 余 台 。 研究 表 明 ， 增 压 机组的天然气燃烧热能只有 约 35% 转 变为有效 功 ， 约 30% 随烟气排 出 ， 25% 被发 动 机 冷 却 介 质 带 走 ， 通过机身散 发 等其它损失约 占 10% 1 。 气田增 压 机组的烟气余热资源基本上未 被 有效回收和 利 用 ， 不 仅造成了能源浪 费 ， 同 时 也 对 环 境造成热污 染 ， 影响了机组 的经济运行 。 随着能源 供 应 日益紧 张 ， 节 能 、 降 耗 、 提高能源利用 率 ， 越 来 越 引 起人们的重 视 ， 回收利用气田 增压机组的烟气余热已 成为必然趋 势 。 1 国内外研究及应用现状 气田增压机组的烟气余 热利用途径可分为三 类 : 电 、 热和机 械 2 。 电途径包括通过朗肯循 环 ( 循环 介 质 为水 、 有机物 或 CO2 ) 发电 和温差发 电 ， 为现场设 备 提供电 能 ， 富 余 部分 可 以 上 网 ; 热途径包括润滑油 预 热 ， 发动机进气制 冷 ， 工业和 生活用热或制冷 ， 天然 气 压 缩前后制冷以及其他工业 处理 ; 机械途径为通过朗 肯循环驱 动 压缩机 或 阀 门 等 。 国内外增压机组的 烟 气余热 回 收技术主要包括热能 直 接 回 收 、 吸 收 式 制 冷 、 有机朗肯循环和温差发电 等 。 1 1 热能直接回 收 气田增压机组的动力源一般为燃气式发动 机 。 在发动机排气烟道 内 ， 安装烟气换热 器 ， 利用高温 烟 气加热流经烟气换热器的被加热介 质 ( 水或导热 油 ) ， 通过热交换 将 发动机烟气热 量转换为被加热 介质 的 热能 。 可通过旁路挡 板 、 烟囱 挡板等部件对高温烟气 流 向进行调 节 。 该方案是余 热利用最直接 、 最简单 的 利 用 方 式 。 增 压 机 组 热 能 直 接 回 收 方 案 如 图 1 2 所示 。 图 1 热能直接回收方案 目前 ， 热能直接回收技术 在我国北方的油气田已 有应用 。 大港 油 田 3 西 二 联 合 站 、 南 一 联 合 站 ， 胜 利 油田胜采坨二 站 4 ， 文东油田文东气举增压 站 5 等 单 位 将回收的烟气余热用于加 热原 油 ， 以取代或部分取 代 原有 的加热 炉 。 以大港油 田西二联合站为 例 ， 采 用 热能直 接 回 收 技 术 ， 每 年 可减少天然气消 耗 113 44 万 m3 ， 排烟温度 从 356 64 下降 至 108 84 ， 有效 地 降低 了 排 烟 热 效 应 。 此 外 ， 利用该技术产生的热 水 或低压蒸汽 ， 也可以用于 工业或生活用 热 ， 如大罐 维 温 或升温 、 管线伴热或保 温 、 紧急解 冻 、 提供生活保 暖 热源 、 热水淋浴 等 。 回收烟气余热 时 ， 由于 气 -固换 热 系数较低 ， 因 此常 采用热管换 热 器 5-6 或 针 型 管 换 热 器 3 ， 以提高换热效 率 。 1 2 吸收式制 冷 冷却技 术 在 气田生产过程中必不可 少 ， 如 LNG 热 。 常用 的 工 质 有 全 氟 戊 烷 、 环 戊 烷 、 113、 245fa、 245ca、 123 和 141b 等 。 有机工质吸收 烟气余 热 ， 形 成具有一定温度和压力的 蒸 汽 ， 随后进入透平机械 膨胀对外做 功 ， 驱动发电机 或压缩 机 。 若采用导热 油 作为中间热 介 质 ， 通 过换热器与有机工质进行换 热 ， 即 可将有机朗肯循环系统置 于增压机组厂房之 外 ， 安 2 生产 、 生 产 或 生 活 区 域 供 冷 、 压缩后天然气冷却 等 。 全性更高 且 对气田增压站 的运行影响较 小 2 。 有 机 目前 ， 可采用的余热制冷技术 主要为吸收式和吸附式 制冷 ， 其中以 吸收式 制冷技术的研究利用最为广 泛 。 吸收式制冷 是 利用吸收器中 的稀溶液吸收来自蒸 发 器的制冷剂 气 体 ， 在 发生器中通过高温加热浓溶 液 ， 使 制冷剂蒸发至冷凝器的 一种循环制冷方 式 ， 利用 增 压机组烟气 余 热产生的热水 或者蒸汽作为吸收式 制 朗肯循环方案如 图 3 所示 。 冷的 热 源 。 常用的工质对有 水 -溴 化 锂 、 氨 -水 、 HFC- 134a 等 ， 其中以溴化锂吸收式制冷最为常 见 。 其特 点 是不需要压 缩 机 ， 可 直接利用烟气余热实现制 冷 ， 制 冷系数较 大 ， 具有运转部件 少 、 消 耗 电 力 少 、 噪 声 小 、 结构简单 、 冷量调节方便等 优 点 。 不足之处是溴化锂 水溶液腐蚀 性 强 ， 对 材料有较高的耐腐蚀性要 求 ， 对 真空度要求严 格 7 。 溴化锂吸收式制冷技术 较为成 熟 ， 目前在国内 油 气 田场站已有应 用 。 胜利油田现 河采油 厂 4 、 胜利 油 田动力机械 厂 8 及大港油田天然气公 司 天 然 气 处 理 站 9 等单位采 用溴化锂吸收式制冷机 组 回 收 烟 气 余 热 ， 实现对办 公 楼 、 操作间及 生活区域的夏季供 冷 ， 取 得了不错 的 效 果 。 该 技术也可以应用于气田增压 机 组的进气冷 却 、 降噪房降 温 ， 以及压缩后天然气冷 却 。 增压机组溴化锂吸收式制冷方案如 图 2 2 所示 。 图 2 溴化锂吸收式制冷方案 1 3 有机朗肯循 环 朗 肯循环是一种简单的 蒸汽动力循 环 ， 在工业 上 已经得到广泛应 用 。 由于增压机组烟气温 度不 高 ( 小 于 800 ) ， 采用水为循环工质无法得到较 高 的 循 环 效率 ， 而有机工质具有潜热 小 、 传热性能 好 、 易于蒸 发 和冷凝 压 力 低 等 特 点 ， 适 用 于 回 收 增压机组烟气 余 图 3 有机朗肯循环方案 利用有 机 朗肯循环回收 发动机烟气余热的研 究 始于 20 世 纪 80 年代 ， 近年 来发展十分迅 速 10-14 。 国 外已有部分 公 司可提供成 套 的 系 统 设 备 ， 如 美 国 GE 公司 、 德 国 GMK 公 司 、 意 大 利 Turboden 公 司 等 2 。 国内的吉林 大 学开发了一种 潜能利用式朗肯循环 自 由活塞压气系 统 ， 研究表明该 技术可有效地回收发动 机烟气余 热 ， 实 现节 约能源和保护环境的目 的 ， 目 前 正在进行 现 场试 验 。 虽然有机朗肯循环技术有较 大 的应用潜 力 ， 但在国内油气田开 采 行业还未成功 应 用 ， 大规模推 广 还有 很 多 工 作 要 做 ， 尤其是装置的 稳 定性和适应性还需要进一步研 究 。 1 4 温差发 电 目 前 ， 常用的温差发电技术为半导体温差发 电 ， 可 利用半导体材料的塞贝克 效 应 ， 将热能直接转化为 电能 。 该技术具有零排 放 、 无 噪 音 、 无传动部 件 、 寿 命 长且能 稳 定 输 出 等 优 点 ， 是 一 种 理 想的能量转换 方 式 。热电转换材料是温差发 电技术的基 础 ， 材料的 热 电 优值 ZT 直接影响热电转换效 率 。 常用 的热电转 换 材 料为 BiTe、 CeFeSb、 ZnBe、 SiGe 和 SnTe， 其 中 BiTe 及 其 固溶体合金在烟气余热回收中 应 用 最 为 广 泛 15 。热电转换效率 低是制约温差发电技术大规模 应用的重要因 素 。 目前 ， 半导 体温差发电材料的热电 转化效率约 为 4% 14 ， 最高约 为 7% 16 。 今后的研 究 方向在于进一步提高材料的热电转换效 率 。 国外 于 20 世 纪 70 年代提出了采用 温 差 发 电 技 术回收烟气 余 热的 方 法 ， 研究领域涵盖工业过 程 、 发 电站和运载 工 具 等 ， 输出功率级别各 异 ， 温 度 范 围 广 阔 17-18 。 例如 ， 内燃机电站烟气余热温 差发电的研 究 结 果 表 明 : 烟 气 温 度 为 370 ， 烟 气 流 量 为 6 104 m3 /h， 采 用温差发电技术 可 得 到 160 kW 功 率 ， 热 电 转换效率 为 3 88% 17 。 在 实 际 应 用 中 ， 应 考 虑 如 何 充分吸收 、 储 存 和传 输烟气中的热 量 ， 以 及 如 何 使 集 热器表面温度分布均匀或呈严格单调下降分 布 19 。 2 气田增压机组烟气余热利用分析 从烟气 余 热中回收的热 能可作为场站生活或 工 业用热 ， 如中控室 、 值班室 、 办 公室及员工宿舍等地的 冬 季采暖 、 食堂用蒸汽和热 水淋 浴 ， 或用于机组热 备 、 管线和设备 保 温 ， 也 可 以 新 建 管 线 ， 利用导热介质 将 热 能就近输送至使用水套炉 的井 站 ， 加热节流后的天 然气 。 此外 ， 还 可以用于蒸发气田 水 ， 减 少 气 田 水 回 注量 ， 特别适用于气举增压的 井站或与气水同产井距 离较近的增压 站 。 利用余热回收技术制得 的冷量可以用于办公 室 、 中控室 、 员工 宿 舍等 地 的 夏 季 降 温 ， 也可以用于增 压 机 组降 噪 房 的 降 温 20 ， 改善机组的运行环 境 。 还 可 以通过技术改 造 ， 将制得的冷 量用于发动机进气冷却 或压缩 后 的 天 然 气 降 温 ， 替 代 现 有 的空冷或水冷 装 置 ， 提高燃料利用 率 。 由于冷 却后的原料气温度直接 影响 到 LNG 产量 ， 若 将该技术应用 于 LNG 生产所 用 的原料气压缩机组 上 ， 效果更佳 。 利用有机朗肯循环或温 差发电技术产生的电 能 ， 可用于场站 的 用 电 设 备 ， 如 泵 、 风 机 、 照 明 等 ， 也 可 以 用于驱动小 型 电动 增 压 机 ， 增压部分天然 气 ， 停 用 部 分 负荷较低的燃气式增压机 组 ， 富余的电能可通过并 网设备上 网 ， 具有良好的经济效 益 。 在选择气 田 增 压 机 组 余 热 利 用 方 案 或 对 现 有机 组进行改造 时 ， 应 充 分考虑以下几方面的因 素 20 : 应 避免对增压机组的性能产 生较大影 响 ， 不能影响 其 正常运 行 及 功 率 输 出 ; 若 采 用 换 热器回收烟气 余 热 ， 装 置 的安装位置不能高于发 动 机气缸排气管 出 口 ; 需考虑 负 荷变 化对余热回收系统的影响 ; 应 尽可能实行电气自动化控制和 监 测 ;