燃气轮机余热发电技术应用于输气管道的可行性分析

摘要：文章介绍了一种燃气蒸汽联合循环发电技术，通过实例中的现场测试数据并计算各项指标参数，来探讨并论证其应用于输气管道压气站的可行性和优越性。

关键词：燃气轮机；余热发电技术；输气管道；有机朗肯技术

中图分类号：TE832 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）07-

压气站主要用于输气管道加压，以保持其正常输送功能。而目前其运营成本就占用管道运营成本的大部分，而大部分是用于电能与热能消耗。在压气站实施余热利用方案是提高输气管道运营水平、实现节能减排的重要途径。本文提出的燃气蒸汽联合循环发电技术是在原有的余热利用方案上的一种改良技术，不仅具有节能减排的基本功效，还节省了经济成本。

1 燃气轮机余热发电技术原理

1.1 压气站的余热利用方案

原始的余热利用方案按照应用途径主要分为热、电与机械三类。而这三类方案在未经技术改良前，往往只能作为新思路，尚须在技术上进一步完善方可实现利用。其中燃气轮机余热锅炉回收、燃气轮机回热循环、蒸汽朗肯循环、有机朗肯循环、燃气轮机进气制冷等技术，是当前技术比较成熟、应用较为广泛的余热利用方案。

而不同的压气站在选择余热利用方案时，应结合其现有条件、机组性能以及运行模式等因素进行综合评估后，做出正确抉择。一般而言所选方案确保产热过量或不足以及压气站机组正常启停机不会对余热利用设备造成影响，在设备失效时不影响压气站的正常运行和功率输出。考虑到现场的运行维护，所选余热利用方案以流程简单、运行维护相对容易，进而可实现自动化控制和监测最为宜。同时还应综合考虑项目成本、运行维护费用等经济因素，对方案进行比选，确保方案的实施具有较好的投资回报。当然还有环保利用问题也应在评价一个系统的可行性和优越性的范畴内。

1.2 有机朗肯技术原理

所谓有机朗肯技术，也即是一种将燃气蒸汽联合循环发电回收烟气中的热量，产生的电能供其他用户使用的技术，故也称为燃气蒸汽联合循环技术。这种技术不仅能够将低品位热量转化为高品位电能，较大地提高燃驱机组的效率；更解决了其他余热利用方案无法解决的排气污染和能量大量耗费等问题。该技术在国外早有先例，而在国内仍未得到应用，主要源于两个原因：一方面该技术所产生的电能不适用于常规电网，仅供输气站自用，使得电能无法得到充分使用；另一方面该技术增设了汽轮发电机，价格较为昂贵。

2 有机朗肯发电技术在输气管道中的应用分析

2.1 应用原理与过程

有机朗肯循环余热利用系统在我国西部地区燃驱压气站的应用前景相当广阔。由于有机朗肯循环采用戊烷等低沸点有机工质，使其可在较低的温度和压力下获得较高的工作效率，故省掉余热锅炉气化取热工作，而采用导热油作为中间热介质取热，再通过换热器与有机工质进行换热，组成双循环系统。有机工质在换热器中从余热流中吸收热量，形成具有一定温度和压力的蒸汽，随后蒸汽进入透平机械膨胀做功，驱动发电机或压缩机。从透平排出的蒸汽在凝汽器中向冷却水放热，凝结成液态，最后借助工质泵重新回到换热器，并持续循环。导热油循环系统可将有机朗肯循环系统与压气站厂房分隔，实现站外建设有机朗肯循环（ORC）系统，对压气站的运行影响较小且安全性较高。根据现场条件和项目需要，有机朗肯循环余热系统可选用不同的结构配置以适应不同的用途，既可选用“一对一”配置，也可选用“多对一”或“一对多”配置。对于多机组压气站，有机朗肯循环可通过采用烟气并联或热油循环并联以获得较大的输出功率；对于功率较大的燃机，可通过选用换热器串联以获得多个有机朗肯循环，实现不同的输出

功率。

根据上述原理，我们分别对以下两个运用有机朗肯循环的输气站进行对比研究。西气东输某输气站的3套额定功率为30MW燃驱压缩机组，“两用一备”运行；相邻的某输气站有4套额定功率为20MW电驱压缩机组，“三用一备”运行。通过记录现场监测数据，进而计算两站燃气轮机排烟热焓，进而求解两站的排烟余热发电量，并分析产生的电能应用于电驱压缩机组的可行性和优越性。

2.2 可行性分析

对两站进行现场运行监测，一般在燃气轮机负荷达到全年平均负荷且运行稳定后开始测试，并记录数据。在各站抽取一台对其监测数据进行计算分析对比发现增加汽轮机发电机组后，将燃气轮机排出的高温烟气导入换热式蒸汽器中，与发电机组主换热器内的有机工作液进行热量交换，热交换后，烟气温度可从482.9℃降至140℃，换热后的低温烟气可以直接排入大气，或者通过增加烟气/水换热器，充分利用烟气剩余热能，为输气站提供冬季采暖所需的循环热水。

再根据现场监测数据进行排烟热焓和发电量计算，主要计算公式为：

排烟处过剩空气系数：

V0、VRO、V0N、V0、V为1m3燃料气完全燃烧所需空气量和所得到的RO2、N2、H2O量，分别为排烟处干烟气、RO2、N2、O2和H2O的平均比定压热容。由上述公式所得结果可知通过蒸汽发电机组换热后，热焓降低，大部分热量得到了回收。

若汽轮机发电机组效率按35%计算，根据公式：

可计算得到每台汽轮机的发电量，结果表明两台燃气轮机排烟余热产生的电量已可满足一套电驱压缩机组所需的绝大部分电量，剩余少部分电量可由公网补足。

综合以上分析可知，随着燃气蒸汽联合循环发电技术和并网技术的发展和成熟，有机朗肯循环方案能够较好地解决燃气轮机余热发电电量的利用问题，其运行安全性也逐步提高，该方案具有可行性。

2.3 优越性分析

根据原有的系统方案和国家标准进行计算可知，一套有机朗肯循环系统投资2×108元，每年可发电1.0296×108kW·h，基础单位电价0.573元，折合电费0.5899×108元，不到4年即可收回成本，经济效益明显，节能效果也较为显著。若折合成用煤量，该站有机朗肯循环每年发电量可减排巨量的干烟气、RO2、N2等。在此基础上增加烟气/水换热器，则可以进一步利用烟气的剩余热能，为输气站提供冬季采暖所需的循环热水。

有机朗肯循环（ORC）是以低沸点有机物为工质的，可满足其对高温高压蒸汽的要求，目前已广泛应用于低温余热回收领域；而相较于其他利用方案，在该领域ORC在经济和节能减排方面是足具优越性的，同时还具备较高的运行效率、安全性和稳定性。

3 结语

在输气管道压气站中，采用有机朗肯循环方案能够较好地解决电能利用问题，且该系统设备投资回收周期短，技术成熟，节能效果显著。我国正大力推广合

同能源管理方式，可见该系统应用前景无可限量。

参考文献

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[2] 李艳，连红奎，顾春伟.有机朗肯循环系统及其透平设计研究[J].工程热物理学报，2010，31（12）.

[3] 徐铁军，张伟伟，吴中林.输气管道压气站余热的利用

[J].油气储运，2012，（12）.

作者简介：苏威，河北乐亭人，哈尔滨电气股份有限公司项目经理，研究方向：燃气轮机机务技术及项目管理。

（责任编辑：秦逊玉）

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