燃氣輪機余熱回收技術比較研究

曹彥青，劉寶玉，戰麗華，陳 印，殷麗秋

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院， 遼寧 撫順 113001）

燃氣輪機主要是用作發電用的原動機，也可以驅動各種泵、風機、壓縮機和船舶螺旋槳等機械，它具有啟動方便快捷、運行靈活、變負荷相應快的特點以及占地少、效率高、污染小、建設工期短等優點，在最近幾年來迅速發展，已經成為提供清潔、可靠、高質量發電及冷熱電聯供的最佳方式[1]。但是，燃氣輪機排煙溫度高，一般為 450~600 ℃[2]，如果直接排放到大氣當中，不僅造成能量的損失，使得燃機的熱利用率低，還會污染環境。目前，燃氣輪機單循環熱效率一般為20%~42%[2],然而微、小型燃氣輪機的熱效率不到20%[2],大部分熱量隨著煙氣被排入大氣中,造成能量的浪費，并且氮氧化物排放量嚴重超過國家標準。這嚴重制約了燃氣輪機的應用與發展，因而有效回收與利用燃氣輪機排氣余熱是推動和擴大燃氣輪機發展的最有效途徑。設備，近幾年來發達國家都在加速研制和推廣這項技術。圖1是燃氣-蒸汽聯合循環發電系統圖。

圖1 燃氣-蒸汽聯合循環發電系統圖Fig.1 The diagram of gas-steam combined circulation generating power system

1 燃氣-蒸汽聯合循環發電系統

燃氣-蒸汽聯合循環實質是把兩個使用不同工質、獨立的動力循環，通過能量交換聯合在一起的循環。燃氣一蒸汽聯合循環發電系統以其發電效率高，投資額少，建設周期短，占地面積小，污染程度低等顯著優點而受到世界各國重視的新一代發電

油或天然氣與經過壓縮的空氣混合后進入燃氣輪機的燃燒室燃燒，燃燒后，氣體溫度急速升高，壓力也隨之加大，經加熱、加壓后的氣體通過燃汽輪機噴嘴噴向葉輪驅動發電機發電，做功后的煙氣，仍然具很高的溫度，用其熱能加熱余熱鍋爐產生蒸汽，并將高溫高壓的蒸汽再次送到汽輪機中做功發電或者供暖，這樣燃氣循環與蒸汽循環構成了聯合循環。采用燃氣-蒸汽聯合循環發電的經濟效益是我們關心的問題，因此，對深圳金崗燃機電力有限公司采用燃氣-蒸汽聯合循環的一臺PG5301型燃氣輪機發電機組進行了經濟效益分析。按當地上網電價或用相當發電量時燃料耗量折算計算，通過對PG5301型燃氣輪機燃料消耗折算，利用燃氣-蒸汽聯合循環發電每年可節省柴油8 736 t，約合人民幣1 747.2萬元[3]。設備的維修、折舊以及運行等費用大約是151.64萬人民幣，每年的凈收入為1 595.56萬人民幣。因此，在八個月內可全部收回在整個聯合循環余熱利用部分的投資，而余熱鍋爐使用期限一般在15~20年，因此這樣的投資是有利可圖的。對我國來說不但企業每年可收益約人民幣1 600萬元，而且可有效緩解電力供需，減少大氣污染。

2 蒸汽回注式燃氣輪機余熱利用

蒸汽回注式燃氣輪機實質上是一種雙工質并行復合回熱式熱機。它是利用簡單循環燃氣輪機的排氣余熱產生過熱蒸汽，將此過熱蒸汽回注入該燃氣輪機，與以空氣為代表的第一種工質共同參與循環做功的一種回熱式燃機。蒸汽回注式燃氣輪機的優點：它能夠使熱效率和輸出功率兩者同時獲得驚人的提高；排放物減少，減輕了環境污染；占地面積小；第一次投資成本低；它對不同的電力負荷和熱負荷需求具有良好的適應性。自20世紀70年代末、80年代初，在這一方面獲得一系列專利申請后，蒸汽式燃氣輪機開始受到有關部門和商業集團甚至一些國家的重視和關注。國際動力技術公司在艾利遜燃氣輪機公司產生的501-KB型談起輪機上，進行回注蒸汽的驗證性試驗獲得了令人滿意的結果。到1985年，該公司就向國際燃氣輪機市場推出了由501-KB型燃氣輪機的改裝機外加余熱鍋爐組成的蒸汽回注式燃氣輪機成套機組，并且該機組已于同年投入了商業運行。除此之外，日本和意大利等國也投入相當大的力量，積極參與了蒸汽回注式燃氣輪機的開發研制活動，并且取得了可觀的成果[4]。

我國也已成功研制了 PG5361蒸汽回注燃氣輪機余熱鍋爐的設計，并投入運行。鍋爐重量輕，尺寸小，金屬耗量少，投資費用低，在國內外市場上推廣應用的前景十分廣闊。蒸汽回注式燃氣輪機作為航空母艦新型推進動力的主動力裝置而得到廣泛應用。該系統的主要裝置是燃氣輪機和余熱鍋爐,利用燃氣輪機的高溫煙氣對余熱鍋爐裝置加熱，產生高溫、高壓蒸汽,用于燃氣輪機蒸汽回注，提高燃氣輪機的熱效率和功率,從而構成適用于航空母艦的回注—彈射蒸汽共用的燃氣輪機推進動力系統[5]。

3 燃氣輪機內環水余熱加熱進氣

燃氣輪機通常采用除鹽水來間接冷卻潤滑油、霧化空氣、燃油泵及發電機等部件。冷卻后，除鹽水的溫度升高，此時，與水質較差的另一路冷卻水進行熱交換,溫度降低后循環再利用。這一路的除鹽水稱為“內環水”,用于內環水冷卻的另一路水稱為“外環水”。內環水出口溫度比外環水的溫度高,正常運行時內環水出口溫度一般保持在 45 ℃以上而進口溫度保持在 35 ℃左右。從余熱等級來看內環水屬低溫余熱資源, 回收難度很大。但內環水的流量高達220 t/h[6],這部分熱量是相當大的。因此，采用氣-水換熱器,用內環水的這部分能量加熱天然氣。這樣每年可多發電100×12×300 =360 MW·h[6]。用內環水加熱天然氣使內環水的溫度從 45 ℃降低到 42.3 ℃,回收了部分余熱，并增加了發電量。雖然增加了1臺換熱器，但每年可多發電360 MW·h，在國家大力提倡節能降耗的21世紀,這是一個很有效的方案。

4 導熱油回收燃機余熱系統

對于天然氣深冷初加工系統，節能降耗是關鍵。為了滿足生產要求，穩前原油需要從 48 ℃加熱到 65 ℃，而加熱穩前原油需要大量的熱量。在深冷分離工藝中，燃氣輪機的排煙溫度大約為 405℃[7],但是，當溫度高于180 ℃會使天然氣產生酸露點腐蝕，因此為了防止腐蝕排煙溫度一般不低于180 ℃,由此可知深冷初加工的燃氣輪機排煙余熱量還很大，回收這部分余熱用來加熱穩前原油，將會大大降低天然氣深冷初加工系統的能耗。

圖2 導熱油回收燃機余熱系統圖Fig.2 The diagram of waste heat recovery system of gas turbine using conducting oil

其工藝過程為（圖 2）：空氣經壓縮機壓縮后進入燃燒室，與燃料充分混合后燃燒，產生高溫高壓的煙氣，推動燃氣輪機做功，對天然氣進行深冷加工。做完功的煙氣（400~600 ℃）進入導熱油—煙氣換熱器與高溫燃機煙氣換熱，吸收尾氣余熱。導熱油升溫后經循環系統在換熱器中對穩前原油加熱,進而實現燃氣輪機煙氣余熱的回收。換熱后的導熱油回到泵入口進行連續循環。對于大慶油田天然氣公司，對采用導熱油回收余熱進行效益分析可知整個系統的熱效率達到95%，每年可節電6.41萬度及節約天然氣479萬m3，節水4.75萬t，節約其他費用12萬元，最后折合年效益283.9萬元，投資回收期為1.4年[8]。由此可知，此項技術在大慶具有很好的經濟效益。

5 燃氣輪機余熱制冷進氣

提高燃氣輪機的溫比t/t0（t為燃氣初溫，t0為空氣入口溫度） 可有效提高其性能，傳統的熱力循環是追求更高的循環吸熱溫度比，燃氣初溫已經從早期的600~700 ℃提高到目前的1 430 ℃[8]左右，由于受冷卻技術和材料所能承受溫度的影響，單純的提高燃氣初溫t來提高系統性能受到很大的限制。因此，可以考慮降低空氣入口溫度t0，亦可提高溫比而提高燃機性能。

余熱制冷進氣的回熱燃氣輪機是一種由吸收式制冷機和回熱式燃氣輪機組合而成的聯合動力裝置。它能夠更充分地利用燃氣輪機的排氣余熱較大幅度的提高燃機動力裝置的性能[9]。首先，燃氣輪機的排氣余熱先在回熱器中用來加熱壓氣機后的空氣，而后從回熱器流出的煙氣再進入吸收式制冷機驅動制冷機，以降低進入壓氣機的空氣溫度。由于進氣初溫t0降低，因此在燃氣輪機燃氣初溫t不變的情況下提高溫比[11]，進而提高循環比功和熱效率，出力變大，經濟性變好。這種由吸收式制冷機和回熱燃氣輪機聯合組成的新型燃氣輪機組的排氣余熱得到了更加充分的利用，這種性能的改善在大氣溫度較高時尤其顯著。

由于燃氣輪機結構比較復雜并且變工況工作時需要調節的參數比較多，特別是調節的實施比較困難，因而這種燃氣輪機不適合于變工況使用方式的運輸式燃氣輪機。并且，這種新型燃氣輪機的研究與開發難度較大。主要體現是：

(1)小巧低回熱度回熱器無可用成品；

(2)普通簡單循環燃氣輪機改裝成回熱燃氣輪機技術上的實際困難；

(3)選擇性能參數合適的吸收式制冷機不容易，并且調節系統上的經驗不足。

6 總 結

對于燃氣輪機余熱回收的各種方案，我們應因地制宜，使其回收率達到最高。燃氣-蒸汽聯合循環多用于熱電聯供，為大容量機組，自動化程度很高，需要工作人員較少，易于調節管理。在航空母艦上作為彈射蒸汽共用的燃氣輪機，采用蒸汽回注式則具有明顯的優勢。利用內環水的熱量來預熱天然氣大多數情況下用于北方寒冷的地方，在這些地方，天然氣的溫度比較低，為保證進入燃機的天然氣無凝結液析出，用內環水的熱量來加熱天然氣是一種可行、經濟的途徑。采用導熱油系統回收燃機排氣余熱與采用余熱鍋爐回收燃機排氣余熱相比，系統效率可提高35%，在大慶油田此項技術得到應用，可進一步在其他地方推廣使用。利用排氣余熱冷卻進氣的新型燃氣輪機，最大的優點就是對大氣的敏感度減小，適用于大氣溫度變化幅度較大的地方，但它在實際推廣應用中，存在一些問題，有待解決。

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［6］李嶸峰．燃氣輪機內環水余熱回收研究[J]．燃氣輪機技術，2009，22（4）：63．

［7］董成云，蔡棟，林慶澤．天然氣深冷裝置余熱回收技術[J]．油氣田地面工程，1999，18（4）：28.

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［11］胡舜鋒．余熱制冷進氣冷卻的回熱燃氣輪機熱力系統的研究[D]．中國科學院研究生院碩士論文，2007．