燃气发动机余热回收改造及分析

燃气发动机余热回收改造及分析

王淼

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烟台市杰瑞石油天然气工程有限公司 山东烟台 265200

摘要：针对目前的燃气发动机废气余热回收再利用问题，油气处理厂对燃气发动机余热回收利用技术进行了研究，分析比较了几种主要的余热回收应用方式，根据实际情况选出比较经济实用的回收方式，对燃气发动机废气余热回收利用的经济性和实用性进行探讨。通过对压缩机组燃气发动机运行时余热未得到有效利用的问题，分析了进行余热改造的技术方案，对发动机进行了余热回收改造，并介绍了改造的工艺设计、关键技术和主要内容。

关键词：燃气发动机；废气余热回收；改造分析

引言

近年来，随着对经济效益、能源利用和环境保护认识的进一步加深，天然气作为清洁能源被普遍利用，燃气发动机在各行业的使用量也大幅增加；然而，燃气发动机排放的废气余热几乎和有用功率相当，这是一个巨大的能源浪费。发动机燃烧燃气做功时，仅有约一半的能量是有效功率，另外大部分能量随着发动机排放高温烟气散失掉。据资料显示，占燃气发动机燃料近55％热值的废气余热和冷却水余热资源基本上被白白浪费掉。因此，对发动机高温烟气余热进行回收利用，可以提高能源利用率，实现节能降耗，具有极大的发展前景。目前，随着国内能源供应日益紧张，节能降耗、提高能源利用率越来越被重视，废气余热回收利用是一种必然趋势。

1.燃气发动机废气余热回收利用技术及应用

燃气发动机废气余热回收利用技术是通过余热回收设备将发动机尾气所含的热量进行回收，将其变为可用能源，实现变废为宝的一种手段，是提高能源利用率、降低生产成本、保护环境最直接、经济的渠道之一。虽然我国对废气余热回收技术的研究起步相对较晚，但国内也已经有相当多的企业机构进行了废气余热回收设备的研发，很多已在能源、化工等领域进行了实践应用。目前，发动机废气余热回收利用技术主要有以下几种应用：1）通过废气涡轮将能量输出，从而提供动力。主要是通过涡轮来带动其他设备，从而实现能量的转移。应用较多的是通过增压涡轮对发动机的进气进行增压，借助废气中的一部分能量来提高发动机的进气压力，以改善发动机的动力性和经济性，同时减少废气热量的排放。目前，该技术在工业用活塞发动机以及在汽车上都已经得到了应用。2）利用发动机废气余热进行发电。一种方法是利用废气余热将水加热成为高温高压蒸汽推动汽轮机做功，带动发电机发电；另一种方法是利用温差发电技术进行发电。温差发电是利用两种连接起来的导电体或半导体的塞贝克效应(SeebeckEffect)，将热能转换成电能的一种技术。温差发电技术利用率较低，其能量转换效率低，所用热电转换材料昂贵，成本极高。对内燃机电站废气进行温差发电的研究表明，对于一个10MW的机组，排气温度为370c(=，烟气流量60000m／h，采用温差发电扣除掉维持系统自身运行的冷却水泵消耗功率后可以得到160kW的功率，转换效率为3．88％。温差发电技术在国外有广泛的研究，国内研究不多，技术应用不够成熟，主要应用于航天、军事和远洋探索等领域。3）利用发动机废气余热制冷。主要有吸收式制冷和吸附式制冷两种：吸收式制冷是利用废气余热作为完成制冷循环的动力；吸附式制冷是利用某些物质在一定温度、压力下能吸附某种气体或水蒸气，在另一种温度及压力下又能把它释放出来的特性来实现制冷。相比之下，吸收式制冷的热利用率相对较高，但结构复杂，造价高；吸附式制冷结构简单，造价低，但热利用率相对较低。4）对发动机废气余热进行回收，为其他介质获取所需热源，主要是通过换热设备将废气的余热转换成其他介质所需要的热量，如目前利用率较高的获取蒸汽、热水等，以供生活用热水、采暖等，在石油行业还可以对原油等工艺介质进行加热。

2.改造方案选择与实施

燃气发动机余热回收，主要有利用余热进行发电、制冷、取暖等，结合增压站现场运行情况，选择利用余热进行取暖和供生活热水。

2.1热量计算

压缩机组由卡特G3606发动机驱动，发动机的额定功率为1320kW，额定排量约为127L，燃料气为煤层气。正常运行时发动机排气量约3500m3/h，烟气温度在450°C左右，发动机的排气损失的热量大约为25%。按照热损失5%计算，回水温度50°C，通过余热回收器加热后，每小时可以将10t水温度提高到80°C。增压站办公楼与宿舍楼面积共计2500m2，根据计算结果回收的可以满足供暖需求。

2.2流程设计

该站共有3台机组，计划改造2台，这样可以采用1开1备的运行方式，确保机组检修时供暖和热水供应不中断。新增余热回收器安装在发动机排烟管道消音器的前端，在回收器两端分别各安装电动阀门1台，同时设计回收器的旁路管线，并在旁路管线上也安装电动阀门1台。设置温度传感器，当水箱温度达到设定值时，打开回收器旁路阀门，关闭回收器的进出口阀门，确保系统运行安全。具体如图1所示。

图1余热回收系统流程示意图

2.3余热回收设备选型与改造

余热回收器主要有壳管式换热器、板式换热器、热管换热器等形式，其中热管式换热器体积小，安装简单，更适合现场工况。工作时，高温烟气流经余热回收器冲刷热管换热器的下端，热管吸热后将热量导至上端，热管上端放热生成高温热水。热水达到设定值时，通过电动蝶阀切换烟气由旁通管线排出，保证安全。新增换热器和一套给回水系统，用余热回收设备加热50°C回水，加热后80°C热水经出口管道进入现场蓄水箱。现场蓄水箱的热水通过循环水泵与原有锅炉房供暖管路和生活热水管路相连，实现供暖和供热。

改造工程主要包括铺设现有锅炉房到发动机的供暖管路，安装热管余热回收装置、温度传感器、循环水箱、循环水泵、补水泵，安装电动阀门、控制柜、程序调试等。

3.改造后运行情况

燃气发动机余热回收工程共计改造2台机组，改造后，燃气发动机运行平稳。只开1台机组，循环水箱温度维持在65~75°C之间，供暖进水温度为70°C左右，回水温度在55°C左右。另外，原有锅炉房锅炉供水出口加装了手动阀门，作为供暖的备用系统，防止2台机组同时故障时供暖中断。系统电动阀开启温度可以自由调整，对供暖温度进行设置。

结语

改造工作表明，燃气发动机余热回收进行供暖不仅技术上可行，而且经济合理。改造后燃气发动机排放的高温烟气温度大幅下降，原有锅炉停用，起到环境保护的作用，综合来说具有良好的社会、经济和环保效益，具有极大的推广价值。

参考文献

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