浅谈天然气分布式能源中燃气增压机的余热利用

浅谈天然气分布式能源中燃气增压机的余热利用

谢毅1杨再清2

（1廊坊新奥泛能网络科技服务有限公司河北廊坊065001；2湖南省电力设计院有限公司湖南长沙410007）

摘要:目前分布式能源项目中燃气增压机为燃气轮机的必用设备，其运行过程中在消耗了大量的电能同时也产生了大量的余热，本文简要介绍如果合理利用这部分余热，以达到减少能源消耗，提高项目经济性的目的。

关键词:分布式能源燃气增压机余热利用节能

1引言

气体压缩机在现代工业领域中应用越来越广泛，如压缩空气成为工业领域中最广泛的动力源之一，但是要得到品质优良的压缩空气需要消耗大量能源。

图1：压缩机做功过程中的热量平衡图

由上图不难看出，空压机在工作的时候，真正用于增加空气势能所消耗的电能在总耗电量中只占很小的一部分，约15%左右。约85%的耗电转化为热量，通过风冷或者水冷的方式排放到空气中去。

根据流体力学，空气在压缩过程中分子的势能的转化将产生大量的热能，压缩机的热量如果不排放，将影响空压机的正常工作，影响压缩空气的质量。当然这些热量如果排放即浪费了大量的热能又加剧大气“温室效应”，造成热污染。

而在分布置式能源系统中，燃气轮机配套的天然气增压机与空气压缩机十分类似，同样会产生大量的余热，如能对这部分余热加以利用，将对降低能源消耗成本、提高分布式能源项目经济性有积极意义。

2天然气增压机运行现状

目前，天然气增压机基本上通过空气冷却和水冷却的方式最终都将余热白白散发到大气中去了。这部分余热不被重视的原因大概有以下几种：

a.燃气增压机的运行稳定性对整个分布式能源系统的运行稳定性影响较大，担心增加余热利用系统造成系统的不确定性和增加系统复杂性；

b.另外增加的了设备投资，增加的收益对整个能源站影响不明显；

c.不了解这部分余热回收的数量。

下文将简单从以上3个方面分析回收这部分余热是否价值。

3系统分析

一般常规的燃气增压机有水冷却水式和空气冷却方式，水冷方式系统如下图所示：

图2：压缩机常规水冷系统图

从上图可知，通过泵将循环冷却水送入压缩机的冷却器，将热量带走，再通过冷却塔将冷却水中的热量以蒸发的方式散发到空气中，同时因考虑蒸发、排污、漂水还得损失了大约2%的冷却水损失，需要通过自来水来补充。这个过程中冷却水泵和冷却塔风机都耗了大量电能。

因此，此种传统冷却方式不但浪费了热能和冷却水，还耗了高品质的电能。

另一种常规的方式为空气冷却，通过集成在压缩机本体的风扇和散热器进行强制散热，这种方式虽然简单，但是散热效果比水冷差，天然气降温后最低温度仍然比环境温度高15度左右，而水冷可以做到比环境温度只高5度左右。且工作温度对压缩机的效率有直接影响，因此，空气冷却方式在环境温度较高地区不常用。

现将上述水冷方案改成余热利用方案来分析对增压机的冷却系统的稳定运行是否有影响，改后的系统图如下图所示：

图3：压缩机加余热利用系统图

从上图可知，余热利用系统在原水冷方案上热源侧增加了一个板式换热器和三个隔离阀，在从压缩机冷却器返回的主管上增设的阀门为一个常闭的阀，热源水从常闭阀前的旁路流向新增设的板式换热器，热源水在板式换热器中与用户的水源充分换热后再从常闭阀后管道流入冷却塔水池，在常闭阀后还设置了一个温度反馈信号，当余热利用不佳时，温度信号立即反馈到冷却塔的控制系统，控制系统发出指令启动冷却塔的散热风机对冷却水进行散热，保证冷却回水温度能使燃气压缩机正常运行。

因此，增加余热利用后的系统安全性、稳定性很高，不会对燃气增压机的正常运行以及整个能源站的正常运行带来任何影响，在项目有热需求的情况下完全可以进行合理的利用余热，如通过图中的板式换热器将余热转换为生活用热水、采暖用热水、锅炉给水预热等多种应用。

4设备投资及能源消耗情况

增加余热利用系统会相应的增加一些设备的投资和增加能源消耗（如电能），现以某项目为例将余热利用方案与常规方案对比，对比数据详见下表（某项目10MW燃气轮机配套的增压机数据）：

表1：设备及能耗方案对比

从上表中可知，方案1集成风冷装置方案的初投资最省，但能其换热效率最低，能耗最高，长期运行不经济；方案3带余热利用方案的初投资最高，但相差并不大，且能耗小还能回收余热，长期运行来看比较划算；方案2常规水冷方案初投资居中，但不回收余热还有较大的电能损耗。

因此，余热利用的方案是合理可行的，至于投资余热利用的经济性如何，需要结合项目进行详细的计算。

5经济性分析

以下将通过实例数据对本文探讨的余热利用的经济性进行分析：

某项目建设一台10MW的燃气轮机，配套一台额定天然气流量约为3500Nm3/h的增压机，增压机进出口压力参数为0.3MPa和2.5MPa，天然气进口温度按20度，经咨询设备厂家天然气压缩后温度大约可以升到85度，通常水冷方式机型冷却后的燃气温度按比环境温度约高5度即为25度来设计。则本项目理论可回收的总热量可按下表估算：

表2：估算理论可回收的总热量

本项目的天然气价格为2.6元/Nm3，天然气的热值按35000KJ/Nm3，能源站年运行小时数按8000小时，如余热利用回收的热量用于能源站给水的预热，则根据上表中的计算结果，理论上每年可节省天然气量为：408375&pide;35000*8000=93342.9Nm3，可节省费用24.3万元。另从表1可知，对比方案1，每年还可节省电费约（20-6）*8000=112000度电，市电按0.85元/度，则可节省电费9.52万元；对比方案2，每年还可节省电费约（16-8）*8000=64000度电，市电按0.85元/度，则可节省电费5.44万元。随着能源价格的进一步上涨，回收燃气增压机余热的经济效益将越加明显。

为更直观了解余热回收的经济性，现将余热回收方案与两种常规方案的增加量投资进行对比，并计算增量回收期，如下表：

表3：方案3相对于方案1对比

从以上两表中可知增量回收期都很短，说明对分布式能源项目中的天然气增压机的余热回收项目进行投资的经济效益很好。

6结论

天然气增压机的余热回收系统将增压机以往浪费的热能回收利用，间接降低了分布式能源站系统中的天然气消耗，保护了环境，实现了真正意义上的节能环保，带来了良好的经济效益和社会环境效益，在目前甚至未来都有着良好的市场前景。