1. 綜述
      SUMMARY

      透平壓縮機余熱回收現狀及發展趨勢

         在提倡節能、環保、低碳的時代背景下,余熱回收技術顯得尤為重要,充分利用余熱資源是企業節能工作的主要內容之一,能助企業充分利用剩余能源,提高能源的利用率,產生更大的價值。

        透平壓縮機煙氣余熱系統是利用燃氣透平機組在發電過程中產生的高溫廢氣,通過煙道進入余熱回收裝置進行熱量回收,回收的熱量傳遞給中間熱載體(熱介質,如導熱油),被加熱的高溫導熱油在換熱設備中與熱工質進行換交熱,從而將回收的熱量間接傳給熱工質,實現加熱油氣系統的目的。換熱后的導熱油再返回到余熱回收裝置中進行二次加熱,通過余熱回收循環泵建立起導熱油在整個余熱回收系統的循環,系統完成導熱油加熱的目的。利用透平機煙氣產生的余熱,可為熱用戶提供低壓壓力及流量穩定的高溫熱源,減少了能源消耗,以導熱油為傳熱中間媒體,實現了利用熱介質的加熱。
        燃氣透平機組的核心設備是燃氣發動機、燃氣輪機、透平壓縮機、膨脹機、還有輔助的換熱設備、鍋爐等相關設備。
        燃氣發動機的煙氣帶走了燃料燃燒熱的30%左右,是壓縮機組能量損失的重要部分。大多數燃氣發動機組都沒有將發動機煙氣余熱進行回收利用,這不僅造成了能源的大量浪費,同時也對環境造成了熱污染,影響了機組的經濟運行。
        國內透平壓縮機組的煙氣余熱回收技術在實際應用中,以及今后一段時間內的發展會朝著熱能直接回收利用、吸收式制冷、ORC(有機朗肯循環)等技術方向不斷深入。
       
        一.熱能直接回收方式
        此方式是在發動機排氣側煙道內安裝煙氣換熱器,利用高溫煙氣加熱流經過煙氣換熱器的被動熱介質(水或導熱油),通過熱交換將發動機煙氣熱量轉換為被加熱介質的熱能,可通過旁通擋板、煙囪等組件對高溫煙氣流向進行調節,該方法是余熱利用最直接,最簡單,也是目前使用范圍最廣的一種方式。
       
        二.加裝蒸汽輪機構成燃蒸聯合循環發電方式
        這種方式是在燃氣透平排氣側加裝中溫中壓余熱鍋爐,回收燃氣透平排出的余熱,產生中溫中壓過熱蒸汽驅動汽輪機發電。該方法中汽輪發電機組有三種形式:純凝式汽輪發電機組、補氣凝式汽輪發電機組和抽凝式汽輪發電機組;前兩者蒸汽全部用于發電,后者則可抽出一部分蒸汽用于采暖或者制冷。
        該方式可以全部回收燃氣透平煙氣排出的可以利用的中、高品質余熱,工藝系統和設備均非常成熟,在生產使用上有較多的成功案例。但是,該方法系統結構相對復雜,操作、運行、維護均較為繁瑣,對運行人員要求比較高;系統占地面積較大,投資較高,安裝復雜,工作量大;采用水作為介質,需要較多的冷卻水。
       
        三.加裝余熱鍋爐或導熱油爐構成熱電聯供方式
        這種方式是在燃氣透平排氣側加裝余熱鍋爐,并配套相應的補給水系統,該系統包括水處理系統、除氧系統和給水系統。余熱鍋爐吸收燃氣透平排出的煙氣余熱,加熱來自給水泵的除氧水,產生蒸汽,然后送至各熱用戶,從而構成熱電聯供方式?;蛘呒友b廢氣余熱導熱油爐,并配套相應的封閉式導熱油系統,該系統包括熱介質循環泵、膨脹油箱和相關換熱器等。廢氣導熱油爐吸收燃氣透平排出的煙氣余熱,加熱來自熱介質循環泵的導熱油,然后送至各熱用戶,從而構成熱電聯供方式。
        該方式可以部分或者全部回收燃氣透平煙氣可以利用的余熱,工藝系統和設備比較成熟,系統簡單、運行維護方便、投資少、占地少、安裝快捷。但是,該方式受油氣處理終端最終熱負荷多少的影響較大,對于有足夠熱負荷的油氣處理輸送終端而言,該方式具有很高的熱回收效率和實用性。
       
        四.加熱制冷機構成熱冷電三聯供方式
        這種方式是在燃氣透平排氣側加裝高溫煙氣型雙效吸收式制冷機,透平排出的高溫煙氣直接進入高溫煙氣型雙效吸收式制冷機,產生冷水(7-14℃)或者熱水(55-65℃),供整個處理輸送終端冬季采暖和夏季制冷所需,同時還可以產生60-80℃的衛生熱水,供整個處理輸送端生活用熱水所需。
        這種方式可以部分或者全部回收燃氣透平煙氣排出的可以利用的高品質余熱,工藝系統和設備比較成熟,系統簡單,運行維護方便,安裝快捷,可實現熱冷電三聯供。
        目前,加裝制冷機構的透平壓縮機煙氣余熱利用的進口空氣冷卻技術主要有兩種類型:
        1.制冷式冷卻
        燃氣輪機進氣制冷式冷卻方式根據所采用的制冷系統形式的不同,又可有多種類型,如:吸收式制冷冷卻、壓縮式制冷冷卻、蒸汽噴射式制冷冷卻以及吸收式制冷與壓縮式制冷混合式冷卻等。目前工程中應用的主要是前兩種
        采用制冷式冷卻方式時,制冷系統通過安裝于燃氣輪機進氣道內的熱交換器來降低燃氣輪機進氣的溫度。所采用的熱交換器也基本上有兩種類型:直接接觸式和非直接接觸式。非直接接觸式通常采用管翅式結構,冷流體于管內流動,空氣于管外翅片側流動。與常規管翅式換熱器所不同的是,這種換熱器要考慮空氣中凝水的分離、收集與排出。直接接觸式熱交換是將冷卻塔中的介質式材料垂直橫放于氣流之中,制冷系統所產生的低溫冷卻水由上部噴淋而下,與空氣對流對其冷卻。這種類型的冷卻器的優點是初期投資低,對燃機進氣造成的阻力相對較??;其缺點是由于要進行連續排污,造成耗水量較大,有時可能出現微生物的滋生累積,使維護費用增加。
        壓縮式制冷冷卻方式采用壓縮式制冷循環,冷源的獲得以消耗機械功或者電功為代價。這種冷卻方式的優點是初期投資較低以及可以獲得較低的制冷溫度,需要耗用較大的數量的電力為代價。壓縮式制冷系統用于燃氣輪機的進氣冷卻,所存在的另外一個較明顯的缺點是其效率隨制冷負荷的降低而顯著下降。這將給系統設計時,設計點(設計制冷容量)的選定造成較大困難。即使在設計點選定合理的前提下,隨著大氣溫度變化,也難以保證系統的高效率運行,從而影響燃氣輪機運行經濟性的提高。
        吸收式制冷是利用吸收器中的稀溶液吸收來自蒸發器的制冷劑氣體,在發生器中通過高溫加熱濃溶液,使制冷劑蒸發至冷凝器的一種循環制冷方式,利用壓縮機組余熱產生的熱水或者蒸汽可作為吸收式制冷的熱源。
        吸收式制冷裝置有氨吸收式制冷和溴化鋰吸收制冷兩種類型。其中氨吸收式制冷雖然可獲得較低的制冷溫度,但其設備較大、占地面積多,造價高且防爆等級要求較高。因此,目前在燃機進氣吸收式制冷冷卻系統中主要采用溴化鋰吸收式制冷裝置。吸收式制冷系統可以利用低位熱能進行制冷,對于余熱相對較為豐富的燃氣輪機裝置而言是一個突出的優點。通常情況下吸收式制冷系統所需熱量約占燃氣透平余熱的5%,由于吸收式制冷系統能夠利用燃機的余熱,而不以消耗電力作為代價進行制冷,因此對提高機組運行的經濟性極為有利。另外,吸收式制冷在制冷負荷變化較大時(20-100%),其效率基本維持在一個較高的水平,這一點對燃氣輪機裝置的進氣冷卻也非常有利,特別是對于那些氣溫變化較大的地區。吸收式制冷冷卻系統所存在的缺點是初期投資較大,但其維護費用較低,因為吸收式制冷裝置不存在關鍵的轉動部件。同時,吸收式制冷系統的環保性能優良,其工質對大氣層無破壞作用,運行時無振動,噪聲很低。
        2.蒸發式冷卻
        其原理是利用水在空氣中蒸發時所吸收的潛熱來降低空氣溫度。當未飽和的空氣與水相接觸時,兩者之間便會發生傳熱、傳質過程。結果是空氣的顯熱變為水蒸發時所吸收的潛熱,從而使其溫度降低。介質式蒸發冷卻器具有冷卻效率低,對燃機進氣產生的阻力大等缺點,影響了它的廣泛使用。
        通過對制冷式冷卻和蒸發式冷卻技術特點的分析可以看出,要除去進入燃機空氣中的熱量,采用制冷式冷卻是最合適的方法。因為壓縮式制冷需要消耗大量的電力,成本較高,在工程中應用較少。而選擇溴化鋰吸收式制冷機最為適宜,其動力源可利用燃氣輪機排氣余熱,可節約能源,提高經濟效益。
       
        五.有機朗肯循環(加裝ORC模塊)進行發電和產熱
        這種方式是一種新型余熱利用方法,利用有機工質吸收燃氣發動機煙氣余熱,形成具有一定溫度和壓力的蒸汽,隨后進入透平機械膨脹對外做功,傳導給ORC系統模塊進行發電和產熱。ORC系統采用的是閉式循環,使用有機工質做功,特別適用于較低溫度的廢熱熱源(200℃左右),尤其在缺水的場合,冷卻器可以采用空氣冷卻,目前這種方式可以做成撬裝模塊化形式,安裝和使用非常方便。例如:在氣田開采行業中,從煙氣余熱回收的熱能可作為場站生活或工業用熱,利用導熱介質將熱能就近輸送至使用水套爐的井站,加熱節流后的天然氣,還可以用于蒸發氣田水,減少氣田水回流量,特別使用于氣舉增壓站或與氣水同產井距離較近的增壓站,同時為辦公,住宿,淋浴,冬季采暖,管線設備保溫等提供熱能。
        目前,國內透平壓縮機煙氣余熱回收技術正得到廣泛的應用,這就需要相應的余熱資源利用理論研究不斷發展,從而與相應的精確計算方法和配套的設備選型形成完善的透平壓縮機余熱回收技術體系。
      透平壓縮機余熱回收現狀及發展趨勢

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