余熱發(fā)電對天然氣壓縮機(jī)組效率影響的研究

張軒陳子鑫張鑫劉國豪吳海辰張巍

（1.中國石油管道科技研究中心油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油中亞天然氣管道有限公司；3.中國石油北京油氣調(diào)控中心）

余熱發(fā)電對天然氣壓縮機(jī)組效率影響的研究

張軒1陳子鑫2張鑫1劉國豪1吳海辰3張巍1

（1.中國石油管道科技研究中心油氣管道輸送安全國家工程實(shí)驗(yàn)室；2.中國石油中亞天然氣管道有限公司；3.中國石油北京油氣調(diào)控中心）

針對天然氣長輸管道輸氣站場壓縮機(jī)組余熱利用對燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組效率影響的問題，介紹了燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)的工作原理，研究不同煙氣背壓情況下，燃?xì)廨啓C(jī)的運(yùn)行效率情況，并通過現(xiàn)場測試進(jìn)行驗(yàn)證。測試結(jié)果表明，隨著燃驅(qū)壓縮機(jī)組煙氣背壓的提高，燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組效率呈現(xiàn)下降的趨勢，與理論分析相符；同時(shí)得出隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的提高，背壓對燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響逐漸減小，即在進(jìn)行余熱發(fā)電時(shí)，提高機(jī)組的運(yùn)行工況有利于節(jié)能降耗，為現(xiàn)場實(shí)際生產(chǎn)提供了一定的參考與建議。

輸氣管道 燃驅(qū)壓縮機(jī) 余熱利用 背壓

近年來，為提高能源利用效率，我國天然氣長輸管道增加了一些余熱利用設(shè)備，通過回收燃?xì)廨啓C(jī)尾部高溫?zé)煔鈦磉M(jìn)行發(fā)電。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，余熱發(fā)電會對壓縮機(jī)組的運(yùn)行產(chǎn)生一定的影響。以西部管道某輸氣站為例，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究余熱發(fā)電對壓縮機(jī)組效率的影響。

1 燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)

近年來，針對余熱利用較為成熟的技術(shù)是將燃?xì)廨啓C(jī)和汽輪機(jī)結(jié)合[1]，利用余熱鍋爐回收煙氣熱量進(jìn)行發(fā)電，原理如圖1所示。余熱不用來發(fā)電時(shí)，閥門2全關(guān)，閥門1全開，煙氣放空；余熱用來發(fā)電時(shí)，閥門1全關(guān)，閥門2全開，燃機(jī)煙氣通過引風(fēng)管道進(jìn)入余熱鍋爐，通過調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)前擋板開度，實(shí)現(xiàn)對煙氣進(jìn)風(fēng)量的控制。由圖1可知，余熱利用對于壓縮機(jī)組產(chǎn)生的影響相比于煙氣放空時(shí)只在于余熱發(fā)電時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)尾部煙道的背壓值發(fā)生了改變。

圖1 燃驅(qū)壓縮機(jī)組余熱利用工作流程示意圖

2 煙氣背壓對機(jī)組運(yùn)行情況的影響

針對燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)，在空氣和燃?xì)獾闹饕鞒讨袃H考慮由空氣壓縮機(jī)、燃燒室以及燃?xì)馔钙饺糠纸M成的簡單循環(huán)，如圖1所示。為了方便分析研究，對該過程循環(huán)做如下理想化處理：

◇工質(zhì)為理想氣體，比熱容恒定；

◇噴入的燃料氣忽略不計(jì)；

◇工質(zhì)經(jīng)歷的都是可逆過程，其中在空壓機(jī)與燃?xì)馔钙街袨榭赡娴慕^熱過程，在燃燒室視為定壓加熱過程，排氣視為定壓放熱過程。

2.1 背壓對燃?xì)馔钙降挠绊?/p>

考慮到煙氣背壓的改變直接影響到燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)馔钙降呐艢鈮毫Γ匀細(xì)馔钙綖檠芯繉ο螅細(xì)庠谌細(xì)馔钙街凶龉κ且唤^熱可逆過程，則燃?xì)廨啓C(jī)透平實(shí)際做功計(jì)算[2]如下式所示：

式中：

Nt——燃?xì)廨啓C(jī)透平實(shí)際做功，kJ；

mf——燃?xì)廨啓C(jī)透平工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；

cp——工質(zhì)定壓比熱容，kJ/（kg·K）；

T3——透平進(jìn)口溫度，K；

T4——透平出口溫度，K；

ε——透平壓縮比；

k——工質(zhì)絕熱指數(shù)；

ηt——透平絕熱效率，%。

由式（1）可知，隨著煙氣背壓的逐漸升高，透平壓縮比逐漸減小，進(jìn)而透平實(shí)際做功量減小，即單位質(zhì)量下煙氣的做功能力減弱，將會造成燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組效率降低。

2.2 背壓對燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)效率的影響

對于燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)，其單位質(zhì)量工質(zhì)所做的功以及單位質(zhì)量工質(zhì)吸收的熱量的計(jì)算公式分別如式（2）、式（3）所示：

式中：

wn——單位質(zhì)量工質(zhì)所做的功，kJ；

q——單位質(zhì)量工質(zhì)吸收的熱量，kJ；

wt——單位質(zhì)量工質(zhì)在燃?xì)馔钙街凶龅墓Γ琸J；

wc——單位質(zhì)量工質(zhì)在空壓機(jī)中消耗的功，kJ；

T1——空壓機(jī)進(jìn)口溫度，K；

T2——空壓機(jī)出口溫度，K。

在計(jì)算中，近似認(rèn)為 p2/p1≈p3/p4=ε則燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)的效率計(jì)算如下式所示：

式中：

η——燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)的效率，%；

p1——空壓機(jī)進(jìn)口壓力（大氣壓），MPa；

p2——空壓機(jī)出口壓力，MPa；

p3——燃?xì)馔钙竭M(jìn)口壓力，MPa；

p4——燃?xì)馔钙匠隹趬毫Γ琈Pa。

理想狀態(tài)下，燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)的效率僅與壓縮比有關(guān)，關(guān)系如圖2所示。隨著壓縮比的升高，燃?xì)廨啓C(jī)簡單循環(huán)的效率逐漸升高，并且循環(huán)效率的增加幅度逐漸減小。在其他條件不變的情況下，隨著煙氣背壓的升高，燃?xì)馔钙綁嚎s比逐漸減小，循環(huán)效率逐漸降低；同時(shí)，隨著燃?xì)廨啓C(jī)負(fù)荷的升高，透平壓縮比逐漸增大，此時(shí)背壓的改變對燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)效率的影響逐漸降低。

圖2 燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)效率與壓縮比對比關(guān)系

3 現(xiàn)場測試情況

3.1 站場情況

以某輸氣站場現(xiàn)場測試為例，該長輸管道壓氣站共有4臺GE燃驅(qū)機(jī)組，配用燃?xì)廨啓C(jī)額定功率31.372 MW。余熱發(fā)電廠配備1臺110 t/h余熱鍋爐、1臺25 MW汽輪發(fā)電機(jī)組。現(xiàn)場測試前，站內(nèi)共運(yùn)行2臺燃驅(qū)壓縮機(jī)組，2臺機(jī)組煙氣均用來發(fā)電，壓縮機(jī)組及余熱發(fā)電裝置均運(yùn)行正常。

針對其中某1臺壓縮機(jī)組進(jìn)行測試，調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速共測試了4組工況，壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速分別為5100、5300、5500、5700 r/min。在每組工況下，通過調(diào)節(jié)余熱利用鍋爐擋板開度，將連接管路的煙氣入口壓力分別調(diào)至0、100、200、300、400、500、600 Pa（僅在轉(zhuǎn)速5700 r/min下），監(jiān)測不同引風(fēng)機(jī)閥門開度情況下的機(jī)組能效情況。

3.2 燃?xì)廨啓C(jī)效率計(jì)算方法

多變效率是評價(jià)機(jī)組運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要指標(biāo)，其表示多變壓縮功與實(shí)際消耗總功率的比值。離心壓縮機(jī)多變效率計(jì)算公式[3]如下：

式中：

ηT——離心壓縮機(jī)多變效率，%；

m——多變壓縮指數(shù)；

R——天然氣氣體常數(shù)，kJ/（kg·K）；

Ti——壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度，K；

To——壓縮機(jī)出口溫度，K；

hi——壓縮機(jī)進(jìn)口焓值，kJ/kg；

ho——壓縮機(jī)出口焓值，kJ/kg。

氣體在級中的實(shí)際壓縮過程可用與其始態(tài)、終態(tài)的壓力和溫度相同的可逆多變過程來表示，按穩(wěn)流體系計(jì)算得多變壓縮能量頭[4-5]為

式中：

ε——壓縮比；

Hpol——壓縮機(jī)多變能量頭，kJ/kg；

ηr——燃?xì)廨啓C(jī)效率，%；

G——壓縮機(jī)進(jìn)口天然氣流量（標(biāo)況），m3/h；

ρ——天然氣密度（標(biāo)況），kg/m3；

Zi——壓縮機(jī)進(jìn)口天然氣壓縮因子；

Br——燃?xì)怛?qū)動壓縮機(jī)燃料氣消耗量（標(biāo)況），

m3/h；

Q——天然氣收到基低位發(fā)熱量（標(biāo)況），kJ/m3。

3.3 測試結(jié)果

3.3.1 相同轉(zhuǎn)速下背壓對燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響

通過現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，根據(jù)式（5）、式（6）以及式（7）計(jì)算得出在4個(gè)測試轉(zhuǎn)速下，不同引風(fēng)機(jī)閥門開度情況下的燃?xì)廨啓C(jī)的效率如圖3所示。

根據(jù)測試結(jié)果可以看出，在5100 r/min背壓值為0時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)效率達(dá)到最高，為24.30%；在背壓值為400 Pa時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)效率達(dá)到最小，為23.43%；在5300 r/min背壓值為100 Pa時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)效率達(dá)到最高，為24.38%；在背壓值為500 Pa時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)效率達(dá)到最小，為23.68%；在5500 r/min背壓值為0時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)效率達(dá)到最高，為24.67%；在背壓值為500 Pa時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)效率達(dá)到最小，為24.11%；在5700 r/min背壓值為0時(shí)，燃?xì)廨啓C(jī)效率達(dá)到最高，為25.06%；在背壓值為300 Pa時(shí)燃?xì)廨啓C(jī)效率達(dá)到最小，為24.72%。

圖3 不同轉(zhuǎn)速下機(jī)組煙氣背壓與燃?xì)廨啓C(jī)效率的變化關(guān)系

通過圖3可以看出，在每一轉(zhuǎn)速工況下，隨著引風(fēng)機(jī)擋板開度減小，機(jī)組煙氣背壓增大，燃?xì)廨啓C(jī)效率呈現(xiàn)下降的趨勢。

3.3.2 不同轉(zhuǎn)速下背壓對燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果，在不同工況下，燃?xì)廨啓C(jī)效率的變化值如圖4所示：

圖4 不同轉(zhuǎn)速下煙氣背壓對燃?xì)廨啓C(jī)效率影響的變化關(guān)系

隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的提高，煙氣背壓對燃?xì)廨啓C(jī)效率的影響逐漸降低，與理論分析一致。故針對輸氣站場來說，在進(jìn)行余熱發(fā)電時(shí)提高壓縮機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷有利于降低余熱利用對機(jī)組效率產(chǎn)生的影響。

4 結(jié)論

1）隨著壓縮機(jī)組背壓的升高，燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組效率呈現(xiàn)下降的趨勢。

2）隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速（負(fù)荷工況）提高，背壓變化對燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組效率的影響呈逐漸減小趨勢。

因此，輸氣站場在余熱利用的情況下，提高壓縮機(jī)組轉(zhuǎn)速或增大煙氣擋板開度均能增加壓縮機(jī)組運(yùn)行效率，為現(xiàn)場生產(chǎn)提供了參考與建議。

[1]張鑫,吳瓊,李榮光,等.燃?xì)廨啓C(jī)余熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于輸氣管道的可行性[J].油氣儲運(yùn),2013,32(2):196-198.

[2]李瑩瑩.30 kW微燃機(jī)冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)的性能研究[D]．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012．

[3]崔高鋒,陳玉春,黃興,等.天然氣離心式壓縮機(jī)組特性仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2008,25(6):228-231.

[4]劉興旺,王華,劉振全,等.轉(zhuǎn)速對變頻渦旋壓縮機(jī)多變效率的影響研究[J].壓縮機(jī)技術(shù),2008（1）:8-11．

[5]中國石油管道分公司管道科技研究中心.SY/T 6637-2012天然氣輸送管道系統(tǒng)能耗測試和計(jì)算方法[S]．北京:石油工業(yè)出版社,2013.

10.3969/j.issn.2095-1493.2015.007.001

2015-03-18）

張軒，工程師，2013年畢業(yè)于華北電力大學(xué)（檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)），從事油氣管道輸送系統(tǒng)耗能設(shè)備節(jié)能監(jiān)測工作，E-mail：zhangxuan03@petrochina.com.cn，地址：河北省廊坊市金光道51號，065000。