综述
SUMMARY

透平压缩机余热回收现状及发展趋势

   在提倡节能、环保、低碳的时代背景下,余热回收技术显得尤为重要,充分利用余热资源是企业节能工作的主要内容之一,能助企业充分利用剩余能源,提高能源的利用率,产生更大的价值。

  透平压缩机烟气余热系统是利用燃气透平机组在发电过程中产生的高温废气,通过烟道进入余热回收装置进行热量回收,回收的热量传递给中间热载体(热介质,如导热油),被加热的高温导热油在换热设备中与热工质进行换交热,从而将回收的热量间接传给热工质,实现加热油气系统的目的。换热后的导热油再返回到余热回收装置中进行二次加热,通过余热回收循环泵建立起导热油在整个余热回收系统的循环,系统完成导热油加热的目的。利用透平机烟气产生的余热,可为热用户提供低压压力及流量稳定的高温热源,减少了能源消耗,以导热油为传热中间媒体,实现了利用热介质的加热。
  燃气透平机组的核心设备是燃气发动机、燃气轮机、透平压缩机、膨胀机、还有辅助的换热设备、锅炉等相关设备。
  燃气发动机的烟气带走了燃料燃烧热的30%左右,是压缩机组能量损失的重要部分。大多数燃气发动机组都没有将发动机烟气余热进行回收利用,这不仅造成了能源的大量浪费,同时也对环境造成了热污染,影响了机组的经济运行。
  国内透平压缩机组的烟气余热回收技术在实际应用中,以及今后一段时间内的发展会朝着热能直接回收利用、吸收式制冷、ORC(有机朗肯循环)等技术方向不断深入。
 
  一.热能直接回收方式
  此方式是在发动机排气侧烟道内安装烟气换热器,利用高温烟气加热流经过烟气换热器的被动热介质(水或导热油),通过热交换将发动机烟气热量转换为被加热介质的热能,可通过旁通挡板、烟囱等组件对高温烟气流向进行调节,该方法是余热利用最直接,最简单,也是目前使用范围最广的一种方式。
 
  二.加装蒸汽轮机构成燃蒸联合循环发电方式
  这种方式是在燃气透平排气侧加装中温中压余热锅炉,回收燃气透平排出的余热,产生中温中压过热蒸汽驱动汽轮机发电。该方法中汽轮发电机组有三种形式:纯凝式汽轮发电机组、补气凝式汽轮发电机组和抽凝式汽轮发电机组;前两者蒸汽全部用于发电,后者则可抽出一部分蒸汽用于采暖或者制冷
  该方式可以全部回收燃气透平烟气排出的可以利用的中、高品质余热,工艺系统和设备均非常成熟,在生产使用上有较多的成功案例。但是,该方法系统结构相对复杂,操作、运行、维护均较为繁琐,对运行人员要求比较高;系统占地面积较大,投资较高,安装复杂,工作量大;采用水作为介质,需要较多的冷却水。
 
  三.加装余热锅炉或导热油炉构成热电联供方式
  这种方式是在燃气透平排气侧加装余热锅炉,并配套相应的补给水系统,该系统包括水处理系统、除氧系统和给水系统。余热锅炉吸收燃气透平排出的烟气余热,加热来自给水泵的除氧水,产生蒸汽,然后送至各热用户,从而构成热电联供方式。或者加装废气余热导热油炉,并配套相应的封闭式导热油系统,该系统包括热介质循环泵、膨胀油箱和相关换热器等。废气导热油炉吸收燃气透平排出的烟气余热,加热来自热介质循环泵的导热油,然后送至各热用户,从而构成热电联供方式。
  该方式可以部分或者全部回收燃气透平烟气可以利用的余热,工艺系统和设备比较成熟,系统简单、运行维护方便、投资少、占地少、安装快捷。但是,该方式受油气处理终端最终热负荷多少的影响较大,对于有足够热负荷的油气处理输送终端而言,该方式具有很高的热回收效率和实用性。
 
  四.加热制冷机构成热冷电三联供方式
  这种方式是在燃气透平排气侧加装高温烟气型双效吸收式制冷机,透平排出的高温烟气直接进入高温烟气型双效吸收式制冷机,产生冷水(7-14℃)或者热水(55-65℃),供整个处理输送终端冬季采暖和夏季制冷所需,同时还可以产生60-80℃的卫生热水,供整个处理输送端生活用热水所需。
  这种方式可以部分或者全部回收燃气透平烟气排出的可以利用的高品质余热,工艺系统和设备比较成熟,系统简单,运行维护方便,安装快捷,可实现热冷电三联供。
  目前,加装制冷机构的透平压缩机烟气余热利用的进口空气冷却技术主要有两种类型:
  1.制冷式冷却
  燃气轮机进气制冷式冷却方式根据所采用的制冷系统形式的不同,又可有多种类型,如:吸收式制冷冷却、压缩式制冷冷却、蒸汽喷射式制冷冷却以及吸收式制冷与压缩式制冷混合式冷却等。目前工程中应用的主要是前两种
  采用制冷式冷却方式时,制冷系统通过安装于燃气轮机进气道内的热交换器来降低燃气轮机进气的温度。所采用的热交换器也基本上有两种类型:直接接触式和非直接接触式。非直接接触式通常采用管翅式结构,冷流体于管内流动,空气于管外翅片侧流动。与常规管翅式换热器所不同的是,这种换热器要考虑空气中凝水的分离、收集与排出。直接接触式热交换是将冷却塔中的介质式材料垂直横放于气流之中,制冷系统所产生的低温冷却水由上部喷淋而下,与空气对流对其冷却。这种类型的冷却器的优点是初期投资低,对燃机进气造成的阻力相对较小;其缺点是由于要进行连续排污,造成耗水量较大,有时可能出现微生物的滋生累积,使维护费用增加。
  压缩式制冷冷却方式采用压缩式制冷循环,冷源的获得以消耗机械功或者电功为代价。这种冷却方式的优点是初期投资较低以及可以获得较低的制冷温度,需要耗用较大的数量的电力为代价。压缩式制冷系统用于燃气轮机的进气冷却,所存在的另外一个较明显的缺点是其效率随制冷负荷的降低而显著下降。这将给系统设计时,设计点(设计制冷容量)的选定造成较大困难。即使在设计点选定合理的前提下,随着大气温度变化,也难以保证系统的高效率运行,从而影响燃气轮机运行经济性的提高。
  吸收式制冷是利用吸收器中的稀溶液吸收来自蒸发器的制冷剂气体,在发生器中通过高温加热浓溶液,使制冷剂蒸发至冷凝器的一种循环制冷方式,利用压缩机组余热产生的热水或者蒸汽可作为吸收式制冷的热源。
  吸收式制冷装置有氨吸收式制冷和溴化锂吸收制冷两种类型。其中氨吸收式制冷虽然可获得较低的制冷温度,但其设备较大、占地面积多,造价高且防爆等级要求较高。因此,目前在燃机进气吸收式制冷冷却系统中主要采用溴化锂吸收式制冷装置。吸收式制冷系统可以利用低位热能进行制冷,对于余热相对较为丰富的燃气轮机装置而言是一个突出的优点。通常情况下吸收式制冷系统所需热量约占燃气透平余热的5%,由于吸收式制冷系统能够利用燃机的余热,而不以消耗电力作为代价进行制冷,因此对提高机组运行的经济性极为有利。另外,吸收式制冷在制冷负荷变化较大时(20-100%),其效率基本维持在一个较高的水平,这一点对燃气轮机装置的进气冷却也非常有利,特别是对于那些气温变化较大的地区。吸收式制冷冷却系统所存在的缺点是初期投资较大,但其维护费用较低,因为吸收式制冷装置不存在关键的转动部件。同时,吸收式制冷系统的环保性能优良,其工质对大气层无破坏作用,运行时无振动,噪声很低。
  2.蒸发式冷却
  其原理是利用水在空气中蒸发时所吸收的潜热来降低空气温度。当未饱和的空气与水相接触时,两者之间便会发生传热、传质过程。结果是空气的显热变为水蒸发时所吸收的潜热,从而使其温度降低。介质式蒸发冷却器具有冷却效率低,对燃机进气产生的阻力大等缺点,影响了它的广泛使用。
  通过对制冷式冷却和蒸发式冷却技术特点的分析可以看出,要除去进入燃机空气中的热量,采用制冷式冷却是最合适的方法。因为压缩式制冷需要消耗大量的电力,成本较高,在工程中应用较少。而选择溴化锂吸收式制冷机最为适宜,其动力源可利用燃气轮机排气余热,可节约能源,提高经济效益。
 
  五.有机朗肯循环(加装ORC模块)进行发电和产热
  这种方式是一种新型余热利用方法,利用有机工质吸收燃气发动机烟气余热,形成具有一定温度和压力的蒸汽,随后进入透平机械膨胀对外做功,传导给ORC系统模块进行发电和产热。ORC系统采用的是闭式循环,使用有机工质做功,特别适用于较低温度的废热热源(200℃左右),尤其在缺水的场合,冷却器可以采用空气冷却,目前这种方式可以做成撬装模块化形式,安装和使用非常方便。例如:在气田开采行业中,从烟气余热回收的热能可作为场站生活或工业用热,利用导热介质将热能就近输送至使用水套炉的井站,加热节流后的天然气,还可以用于蒸发气田水,减少气田水回流量,特别使用于气举增压站或与气水同产井距离较近的增压站,同时为办公,住宿,淋浴,冬季采暖,管线设备保温等提供热能。
  目前,国内透平压缩机烟气余热回收技术正得到广泛的应用,这就需要相应的余热资源利用理论研究不断发展,从而与相应的精确计算方法和配套的设备选型形成完善的透平压缩机余热回收技术体系。
透平压缩机余热回收现状及发展趋势

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