基于壓縮機煙氣余熱回收的熱傳導技術應用研究

張華 曾學軍 倪繼華 程琪 王斌（長慶油田分公司第四采氣廠）

1 項目背景及現狀

蘇里格氣田屬于“三低”氣田，天然氣開采主要依靠壓縮機工藝技術實現，目前采氣四廠作業一區有壓縮機26 臺。相關研究顯示，天然氣的燃燒熱只有約35%轉變為有效功，約30%隨煙氣排出，25%被發動機冷卻介質帶走，通過機身散發等其它損失約占10%左右。目前，煙氣余熱回收通常采用方法是預熱工件和預熱空氣[1]。煙氣預熱工件需占用較大的體積進行熱交換，往往受到作業場地的限制。預熱空氣主要解決中低溫的余熱回收，在100 ℃以下煙氣余熱回收中取得了顯著的效果，但在高溫下仍因換熱器的材質所限，使用壽命低，維修工作量大或固造價昂貴而影響推廣使用[2]。天然氣壓縮機煙氣余熱利用技術的開發和應用尚處于起步階段，余熱資源基本上未被有效回收和利用，造成能源大量浪費[3]。

2 熱傳遞方式與特點

熱傳遞是通過熱傳導、熱對流和熱輻射三種方式來實現的。在實際的熱傳導過程中，這三種方式往往不是單獨進行的[4]。熱傳導是由于大量分子、原子等相互碰撞，使物體的內能從溫度較高部分傳至較低部分的過程[5]。熱傳導是固體熱傳遞的主要方式，在氣體和液體中，熱傳導往往與對流同時進行[6]。對流是靠液體或氣體的流動，使內能從溫度較高部分傳至較低部分的過程。對流是液體和氣體熱傳遞的主要方式，氣體的對流比液體明顯。熱輻射是物體不依靠介質，直接將能量發射出來，傳給其他物體的過程，熱輻射是遠距離傳遞能量的主要方式。

3 熱傳導技術的應用設計

3.1 結構及組成

壓縮機排氣管由3 根直徑為250 mm 的鋼管并列組成，具有散熱面積大、換熱均勻的特點[7]。根據熱傳遞的方式與特點，采用熱傳導技術設計一種盤管式換熱器熱循環采暖系統，該系統主要由加熱盤管、儲水裝置、散熱片及采暖房組成，加熱盤管循環系統見圖1。

圖1 加熱盤管循環系統

3.2 工作原理

該系統是不用任何動力設備，通過自然（重力）循環熱水供暖系統。系統由1 個加熱中心（排氣管）和1 個冷卻中心（散熱片）組成，用出、回水管路把散熱片和加熱盤管連接起來。其工作原理是：在水的循環流動過程中，供水和回水由于溫度差的存在而產生密度差，系統就是靠供、回水的密度差作為循環動力進行自循環[8]。系統循環溫度與重力高度差成正比，與管線出、回水管線的斜度成反比，在熱循環過程中受管線長度的影響。

4 熱循環系統應用分析

管道設計一定的坡度，暖氣片和鍋爐之間的高度一般是在0.5 m 以上，管道的直徑一般為DN25 和DN40 兩種，最遠端距離一般不應超過15 m，這是滿足換熱自循環系統必須的技術要求；同時，換熱自循環系統的正常運行主要受加熱盤管介質、加熱盤管距排氣管高度和氣溫變化的影響。使采暖房的溫度保持恒定，需要對換熱溫度進行控制，使熱傳導的熱量與熱循環系統的溫度成正比，這既能滿足換熱量的控制，又能保持管線循環水溫熱傳導的穩定性。

4.1 換熱介質的影響

換熱器選擇水作為循環介質時，在水溫80 ℃的條件下其密度為0.613 kg/m3；在水溫20 ℃的條件下其密度為0.998 kg/m3，兩者的密度差為0.385 kg/m3。水溫與密度成正比，水溫越高密度越大，自循環的效果就越好。但是，當壓縮機出現停機狀態時，在冬季運行中水容易結冰，造成管線膨脹破裂，導致熱循環系統故障；同時，水的蒸發量比較大，通過現場試驗，在相同條件下水的蒸發量為10 mL/d，嚴重影響熱循環系統的正常運行。

針對水作為循環介質存在的不利因素，防凍液具有防腐、防垢的保護作用，選擇使用壓縮機殼牌防凍液作為熱循環系統的介質。該防凍液冰點為-45 ℃，沸點為115 ℃，具備防凍和防開鍋的特點；同時，防凍液蒸發量比較小，在現場循環使用1 個月，儲水裝置內的水位下降2 cm（約400 mL），完全能夠滿足冬季安全生產的要求。

4.2 加熱盤管高度的影響

加熱盤管可通過調節4 根支撐桿的高度來控制熱循環的溫度。當室外溫度一定時，加熱盤管距離排氣管高度上升或下降調整1 cm，熱傳導循環溫度降低或提高5～8 ℃，采暖房溫度在20～30 ℃。機油桶在采暖房靜置存放1～3 天，固定式燃氣發動機7905/40 （無灰型） 機油的動力黏度變化在26.5～20.5 mm2/s，油流阻力相對減小，加熱盤管高度與循環溫度關系對照見表1。

表1 加熱盤管高度與循環溫度關系對照

4.3 熱損失的影響

熱循環系統在運行過程中存在加熱盤管、循環管路及采暖房熱損失的問題。加熱盤管的熱損失受風、雪天氣影響，熱傳導效果差，熱損失較大。針對該問題，采用阻燃毛氈和不銹鋼保溫蓋預防熱流失[9]。對于循環管路，采用鍍鋅鋼管連接，金屬管路熱損失較大，給循環管路加裝保溫棉，減少熱流失。由于采暖房距離地面20 cm，底部未加裝隔熱層，四周通風造成熱損失，應在其底部加裝阻燃保溫棉，四周安裝擋板，減少采暖房熱損失。以上預防措施能有效降低加熱盤管熱損失，可再次提高熱循環的效率。

4.4 應用效果

目前，在集氣站壓縮機高溫煙氣換熱中應用1套加熱盤管循環系統（圖2）。經過六個月的運行，取得了顯著的效果。

圖2 熱循環系統現場應用

1） 節約電費。以一座集氣站為例進行計算，安裝一套加熱盤管循環系統的費用合計為2 680 元，現場應用后比傳統采用電伴熱加熱方式每天可節約電量28 kWh，節約電費23.24 元，按照冬季運行4 個月的時間可節約電量3 360 kWh，節約費用2 788.8 元（按0.83 元/kWh 計算）。

2）天然氣效益。一臺壓縮機的平均日處理氣量是25×104m3，機油在低溫環境下加注后易造成壓縮機潤滑系統無油流報警停機，停機1 h 影響氣量是1×104m3，按照每月加注2 次計算，正常運行可處理天然氣24×104m3，產生經濟效益28.8 萬元（按1.20 元/m3計算）。

3）節省維修費。采暖房溫度恒定，起到加熱機油筒體保溫的作用，提高了機油加注效率，同時解決了機油因加注粘稠高造成電機過載運轉損壞的問題，每年可節約電機維修費用39 萬元。

5 結論

高溫煙氣余熱回收的方式很多，在選擇回收方式上要結合現場實際情況，體現投資成本低、熱能利用率高的特點；同時，還要注重工藝安全的可靠性。目前，隨著煙氣余熱回收利用技術的不斷應用，進一步實現余熱回收的自動化控制，為煙氣余熱回收創造良好的條件，推動再生能源的可持續發展，達到安全、節能、環保的目的[10]。