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管道安全新产品新技术

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燃驱压缩机组高温尾气余热发电可行性分析

来源:《管道保护》杂志 作者:吴超 唐世东 万强 时间:2019-5-13 阅读:

中石油西气东输管道公司



1 压气站功能介绍

西气东输压缩机站是天然气管道增压泵站,其主要任务是为长输管道加压,提高天然气管道的输送压力和输气能力。加压站分为电驱站及燃驱站,其中燃驱站以地面衍生型航空发动机为动力输出源。燃驱站发动机多采用GE公司生产的燃气轮机,主要结构包括17级压气站、单环形燃烧室、高压涡轮,以及润滑、消防、液压启动等辅助系统,燃料为天然气。天然气在燃烧室燃烧后形成的过热混合气体经高压涡轮带动动力涡轮旋转,动力涡轮通过联轴器带动离心式压缩机,进而为天然气管道加压。驱动涡轮后剩余约500 ℃高温尾气通过排烟道被排至大气中,造成大量的能源浪费。余热发电正是要利用锅炉回收这部分能量,用以发电。笔者对该项目的可行性及注意事项进行论述。


2 燃气轮机的基本性能参数

机组配置: PGT25+PLUS燃气轮机+PCL802离心压缩机

制造厂家:美国通用电气新庇隆公司(GE/NP)

型式: LM2500型双轴航改型工业燃气轮机压缩机组

基本功率: 31 364 kW

控制系统: Mark Ⅵe控制系统

燃料:天然气

旋转方向: 逆时针方向(从进气侧看)

额定转速: 6 100 r/min

ISO效率: 41.1%

温控运行T48排气温度: 852 ℃

排气温度: 499.7 ℃(ISO)


3 可行性分析

3.1 整体构思

高温尾气自压气站燃气轮机排烟道经烟风管道进入余热锅炉,在烟风管道上安装三通阀,用于控制高温尾气是流向电厂还是压气站就地排空。高温尾气在余热锅炉进行热交换,交换后的烟气排至大气。如电厂侧设备故障或需要维检修时,烟气可在电厂侧直接通过烟囱排至大气。余热锅炉产生的高压过热蒸汽进入汽轮机的主进汽口,同时产生的低压过热蒸汽进入汽轮机的补汽口,主蒸汽和补汽共同推动汽轮机做功,汽轮机带动同轴发电机切割磁感线发电,做功后的乏汽通过凝汽器冷凝成水,凝结水经凝结水泵送入锅炉给水预热器,从而形成完整的热力循环系统。发电机产生的10.5 kV电压通过主变升压成35 kV进入电网消纳(图 1)。

3.2 燃驱压缩机组能耗分析

压气站燃气轮机ISO功率为31 364 kW, ISO效率为41.1%,那么机组的总功率为

31 364 /0.411=76 311 kW

剩余58.9%的能量将以热量的形式经排烟道排 出。这部分热量为

Q 总=76 311×0.589=44 947 kW

即可以回收44 947 kW热量进行发电。

3.3 烟风通道散热损失

烟风管道及设备采用岩棉保温,保温管道及设备外包镀锌钢板保护支撑。设烟风的入口温度为T 1=500 ℃,外界环境温度为T 2=20 ℃

△t=T1-T2=480 K

烟风管道采用0.1 m厚的保温岩棉,管道外径 r2=1.91 m,管道内径 r1=1.81 m,外部钢板厚8 mm,烟风管道长度L =40 m,则算术平均半径r 均 为

r=(r2r1)/ln(r2/r1)=1.86 m

tm大于100 ℃时岩棉的导热系数λ为

λ=0.037+8.25×10﹣5tm+2.035×10﹣7tm2=0.214 W/(m·K)

A=2πr

烟风管道单位热损Q 损1为

Q损1=λA(T1-T2) /(r2r1)=480 kW

那么可利用的热量Q1

Q1=Q-Q损1=44 467 kW

3.4 余热锅炉

进入余热锅炉的高温尾气约为480 ℃,经余热锅炉进行热交换后,通过烟囱排出热交换后的尾气,排气温度为110 ℃。按环境温度20 ℃,则余热锅炉实际能利用的能量Q2

Q2Q1 (500-110) /(500-20)=36 129 kW

余热锅炉的效率为35 %,则锅炉的实际功率为

Q3Q2× 0.35=12 645 kW

3.5 汽轮机选型

由于余热锅炉的最大功率Q3为12.6 MW,如汽轮机的热效率达到41%,可按Q4选用汽轮机及配套的发电机。

Q4=12.5×0.41×1.5=7.8 MW


4 注意事项

(1)建设余热电厂造成的压气站排气损失增加值不应超过150 mm水柱,即总的排气损失不超过250 mm水柱,如政府环保部门要求加装脱硝装置,则总的排气损失不超过350 mm水柱。为此可在燃气轮机排气侧加装背压监测装置,时刻监视背压变化情况。待项目正常运行后,应提取在不同的转速下余热发电厂运行时与不运行时燃气轮机的各项参数,对比建模,分析余热发电项目对机组造成的影响,分析效益与能耗间的关系。

(2)余热发电无论是否运行或者出现故障,都要保证燃气轮机高温尾气的排气畅通。

为减少热损,应尽可能的缩短燃气轮机排烟口和余热电厂间的烟风管道长度,采用导热系数小、性价比高的保温材料,保证所有连接处无泄漏或内漏现象存在。优化流向布置,减少管道阻力,节约风机电耗。烟风管道加设绝缘接头,避免雷击或杂散电流影响。设置连续排污扩容器进行二次蒸汽回收。

(3)发电设备选型相适配,避免出现“大马拉小车”现象,造成资源浪费及投入成本的增大。可以使用污水处理厂处理后的净化水作为冷却塔水源,提高水资源的利用率,降低电厂运行开支。发电后并入国家电网。

(4)电厂与压气站间应保持安全间距,设备选型及施工工艺应符合防爆规范要求。

(5)应选择运行时间长且稳定的燃气轮机站作为热源来源,以保证发电效率及效益。



作者:吴超, 1980年生,工程师,现任中石油管道有限责任公司西气东输分公司合肥管理处定远分输压气站副站长。

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