26 2019年11月 石 油 规 划 设 计 第30卷 第6期
* 邢通，男，工程师。2008年本科毕业于西安石油大学电子信息科学与技术专业。现在中国石油工程建设有限公司从事从事仪表自动化工程设计工作。
地址：北京市东城区鼓楼外大街28号，100120。E-mail：xing600_@126
文章编号：1004-2970（2019）06-0026-03
邢通*1 宋江涛1 张继承2 杨帅
1
（1.中国石油工程建设有限公司；2.中国石油集团工程股份有限公司）
邢通等. 天然气管道压缩机余热利用设计浅析. 石油规划设计，2019，30（6）：26～28 摘要 天然气管道压缩机在运行过程中会产生大量余热。将余热回收利用不仅可以提高站场
热效率，还可以减少污染，降低能耗。根据对不同项目的调研，对比分析了九种压缩机余热回收利用方式，为未来天然气管道余热利用的设计提供了建议。
关键词 天然气管道 余热利用 对比分析
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中图分类号：TE89 文献标识码：A DOI ：10.3969/j.issn.1004-2970.2019.06.008
0 引言
管道天然气的传输动力设备主要采用燃气轮机驱动的离心式压缩机。燃气轮机是以连续流动的气体为工质带动叶轮高速旋转，将燃料的能量转变为有用功的内燃式动力机械。其主要组成部分包括压气机、燃烧室、高低压透平、轴流空压机等。空气经过滤并干燥后吸入压气机，经过多级叶轮增压后进入燃烧室与燃料混合燃烧；燃烧产生的高温高压气体先进入高压涡轮膨胀做功，再进入低压涡轮带动负载压缩机，然后由烟道排入大气。如果能够合理的回收利用烟气热量，不仅提高站场综合热效率，还可以减少污染，降低能耗。 1 余热回收原理
燃气轮机有两个重要指标：CO 2排放量和ISO
热效率。根据压气站上燃气轮机的使用经验，燃气涡轮装置燃烧室中燃烧产生的热能，不能完全有效地作用于压气机轴杆产生动力，其中很大一部分热能损失掉了，特别是从涡轮中排出的400～500 ℃燃
烧产物的余热。燃气轮机ISO 热效率一般在35%以下，热效率较低。合理充分利用余热是压缩机组设计阶段和运行阶段的重要任务。有计算结果表明，未来燃气轮机燃料利用效率可达80%，其中34%～36%直接作用于压气机转轴产生动力，其他为排气
余热的合理利用。理论可回收单位热量［1］
能测量出质量的流量计是用下式表示：
e
pm N t t GC q )(off waste -= （1）
式中：q ——理论可回收单位热量，kJ/（kW ·s）；
G ——燃气涡轮装置排气量，kg/s；pm C ——排气
定压热容，kJ/（kg ·K）；waste t ——排气进入余热装
置前温度，℃；off t ——排气进入余热装置后温度，℃；e N ——燃气涡轮装置额定功率，kW。
实际可回收热量的多少取决于燃气涡轮装置型号与结构、功率与工况、周围环境温度、热能再利用装置的结构与类型等，可用公式表示为：
load amb off
k k k
qN Q e p = （2）
式中：p Q ——实际可回收热量，kJ/（kW ·s ）；off k ——燃气涡轮装置余热回收系数；amb k ——周
围空气温度影响系数；load k ——
燃气涡轮装置负荷
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影响系数。
以索拉大力神130燃气轮机为例，燃机额定功
率14.8 MW，排气量180 kg/s。烟气自485℃降温至
200℃，烟气密度取1.295 kg/m3，全过程平均体积
定压热容1.403 kJ/（kg·K）。根据公式（1），理论
上可回收的热量为6.3 kJ/（kW·s）。
索拉燃气轮机性能参数见表1［2］。
表1 索拉燃气轮机性能参数
型号 额定功率/
MW
热效率ISO/
脱毛机胶棒
%
排气流量/
（kg·s-1）
排气温度/
℃
Saturn20 1.185 24.5 23 520
Centaur40 3.505 27.9 68 446
Taurus60 5.740 32 77 510
Mars90 9.695 33.1 141 464
Titan130 14.8 35.7 180 485
2 余热利用
目前燃气轮机余热利用技术主要应用在以下九个方面：燃料气预热、燃机入口制冷、余热锅炉、蒸汽—燃气联合循环、燃气轮机回热循环、有机朗肯循环、热能存储、热电利用及综合利用。
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燃料气预热是通过换热器将高温烟气的热量回收加热燃料气。寒冷地区环境温度偏低，容易造成燃料气中有水或液态烃析出，将对燃气透平及压缩机产生严重影响［3］。燃料气以较高的温度进入燃气轮机更容易点燃，燃料气预热会极大地提高燃气轮机效率，减少燃气消耗量。
燃机入口制冷是利用换热器吸收烟气余热并将其传输到吸收式制冷机，通过吸收式制冷机的内部转换，二元溶液蒸发来制冷，降低进入燃气轮机介质的温度。此应用主要考虑在冬夏季温差较大的地区，大气温度升高时，压气机及机组增压比降低，空气质量流量减少，机组有效功下降［4］。对燃气轮机的吸入空气进行冷却来增加燃气轮机的出力，提高机组效率。
余热锅炉是燃气轮机最简单、最直接的余热利用方式。燃气轮机排放的高温烟气进入余热锅炉，与余热锅炉中的水进行换热。
蒸汽—燃气联合循环发电系统由燃气轮机和蒸汽轮机发电系统组成。燃气轮机的废热烟气进入余热锅炉产生高压蒸汽，高压蒸汽带动蒸汽涡轮驱动汽轮机发电，废热蒸汽经冷凝器冷凝后进入下一步循环。联合循环装置启动快，技术相对成熟。由于压气站长时间不间断运行的方式，蒸汽—燃气联合循环的应用可提供稳定的电力，提高余热利用效率［5］。
燃气轮机的回热循环是在压缩空气进入燃烧室同燃料气混合前，利用余热提高燃机效率的方案。阿意输气管道（阿尔及利亚到意大利）对Messina 压气站的燃气轮机组进行改造，采用回热联合循环系统后，每台燃气轮机的综合热效率由原来的36.5%上升到47.5%［6］。但是该方法需对燃气轮机的内部管路进行改造，对于不稳定工况有一定风险。
有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle, ORC）是以低沸点有机物为工质的朗肯循环，广泛应用于低温余热回收领域。目前国际上ORC技术大多数基于以列Ormat公司的技术［7］。此外，意大利Turboden 公司、美国GE公司和德国GMK公司的ORC余热利用技术也较为成熟，部分可提供成套的系统设备。
头部跟踪热能存储实际上是通过一定的媒介，将暂时空余的能量以热的形式存储起来。这项技术能有效处理热能供求不匹配的问题，提高能源利用率［8］。
热电利用是根据热电效应，利用烟气热能驱动热电发电机产生电能。提高热电设备的温度上限和整体效率是该项技术的研究重点。具体的设计方案要根据烟气余热的能量，进行多组热电发电机串行或并行配置，以获得不同等级的电力。
余热综合利用相对比较灵活广泛，主要是为具备余热利用条件的工业生产或民用提供热源。如农产品干燥、石膏板生产煅烧、温室供暖、铸造厂的燃料气源等均可考虑利用燃气轮机的余热。
3 对比分析
针对九种余热回收技术的应用，在规模、余热利用失效对站场影响、负荷变化对余热设备影响、维护程度及投资回报几方面进行分析。余热回收技术应用对比见表2。
表2 余热回收技术应用对比微型直线电机
余热利用规模
余热利用失效
对站场影响
负荷变化对余
热设备影响
维护
程度
投资回报
燃料气预热小有 小 小大
燃机入口制冷小有 小 小大
余热锅炉供暖大无 大 小需综合分析蒸汽—燃气联
合循环
大无 大 大需综合分析回热循环 大有 大 大需综合分析有机朗肯循环大无 大 大需综合分析热能存储 小无 小 小大
热电利用 小无 大 小需综合分析综合利用 小无 小 小大
282019年11月邢通等：天然气管道压缩机余热利用设计浅析第30卷 第6期
由表2可以看出，燃料气预热、燃机入口制冷、热能存储、热电利用以及综合利用等适用于小规模的余热回收利用，部分应用只需对现有管路进行升级改造，不需要大量的前期投资。这些余热利用方案适合我国各省市支线管网及小型的压气站场。
余热利用失效对站场的影响程度主要是指余热回收装置失效是否会对站场的运行造成影响。站场的运
行主要是压缩机的运行。燃料气预热、燃机入口制冷、回热循环等三种余热利用需要与压缩机内部工艺流程密切配合。余热利用失效对压缩机产生一定影响，严重时会造成全厂停车。因此这些应用需要联合压缩机供货商制定合理、适用的控制方案，并编制严格的运营操作规程，对操作人员的技术水平要求也较高。
负荷变化对余热设备的影响是指管道内的输气量随温度、压力的不同呈现季节性变化，同时压缩机也会根据负荷分配的情况不断调整运营状况，可能会出现产热过量或不足的情况。余热锅炉供暖、蒸汽—燃气联合循环、回热循环、有机朗肯循环和热电利用等设备，均需要稳定的热能来源，余热的过剩或不足会影响余热设备，增加负荷波动对下游热能利用和设备维修的风险。因此，有些设备可以考虑备用热源，如燃料气预热，可以在燃料气入口增设热水换热器来减小余热波动的影响。
维护程度首先取决于余热利用规模，其次取决于市场的成熟程度。规模较大的余热回收利用方案往往包含高额的维护费用。进口压缩机占我国的压缩机市场很大额度，由于进口设备制造商的技术垄断，管道压气站通常又地处偏远地区，国外公司现场维护人员的人工成本很高，维护费用极高。因此，涉及压缩机本体的升级改造需要充分考虑维护费用。目前我国的锅炉生产厂商技术较为成熟，在西气东输以及中亚天然气管道中已有部分余热锅炉余热回收的技术应用，维护费用较低。
从投资回报的角度考虑，小规模的余热利用产生的经济回报较好，尤其是热能存储，建成后会带来持
续的经济收入。蒸汽—燃气联合循环、余热锅炉供暖等大规模余热应用由于投资较大，在设计时要充分考虑经济上的可行性。投资回报既要考虑余热利用节约的热能，又要考虑投资成本。例如目前中压气管道上通常采用1.4 MW余热锅炉供暖，全部投资每台约100×104元。如果采用燃气锅炉供暖则投资大大降低，但却消耗了天然气。所以，燃气锅炉的使用年限及运行成本与余热利用、余热发电等投资成本，均应综合核算，选择合理可行的投资回报方案。
4 结束语
结合我国目前天然气管网发展现状，输气干线尤其是西部地区的输气干线，由于气温季节性变化大，电力网的相对匮乏，应大力推广余热锅炉供暖、蒸汽—燃气联合循环、有机朗肯循环应用。东部地区应大力推广热能存储、热电利用和综合利用。寒冷的北部地区，要着重考虑燃料气预热、余热锅炉供暖等。
全国范围内应积极推广热能存储和余热综合利用，优化企业成本结构，降低生产成本，获得较高的社会经济效益。
除了上述九种余热利用技术方案，压缩机的余热利用还包括改进火炬燃烧效率、工艺气干燥、二氧化碳朗肯循环等。在新的天然气管道项目设计阶段，业主方要采取积极的节能措施，设计方要结合压缩机供货商，有针对性地提出合理有效的余热利用方案。
参考文献：
[1]Nikishin Andrey. Energy saving technologies during
operation of the gas pipeline systems[D]. KTH School of Industrial Engineering and Management.
2013:76.
[2]刘宏斌，孔祥国，陈路，等.输气管道工程设计[M].东
营：中国石油大学出版社,2010:166.
[3]EPRI, Fuel Composition Impacts on Combustion
Turbine Operability. Palo Alto, CA: EPRI,2006.
1005035.
[4]李孝堂.现代燃气轮机技术[M].北京：航空工业出版
社,2006:68-69.
[5]徐铁军，张伟伟，吴中林.输气管道压气站余热的利
用[J].油气储运,2012,31(12):887-890.
[6]刘雯，邹晓波.国外天然气管道输送技术发展现状
[J].石油工程建设,2005,31(3):20-23.
[7]Bruce A. Hedman status of waste heat to power
projects on natural gas pipelines, Prepared for INGAA[R]. Arlington: Energy and Environmental Analysis,Inc,2009.
[8]Ataer, O. Ercan.“Storage of Thermal Energy, in
Energy Storage Systems.” Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS),2006.
修改回稿日期：2019-05-22
编辑：潘力
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