宋濤濤 槐鮮妮 程思勇 王興華 張琦 倪豐平 向煜琪

1中國石油新疆油田公司實驗檢測研究院

2新疆維吾爾自治區(qū)油氣田環(huán)保節(jié)能工程研究中心

3華電克拉瑪依發(fā)電有限公司

4新疆油田公司采油一廠

某工業(yè)化注氣站位于克拉瑪依區(qū)西南20 km處，承擔著HQ1 井區(qū)稠油油藏開發(fā)注空氣的任務(wù)。注氣站采暖面積3 500 m2，投用初期采用蒸汽換熱采暖的方式，換熱蒸汽來源于油區(qū)油田注汽鍋爐。注氣站內(nèi)建4組空氣壓縮機組，壓縮機組采用兩級空氣壓縮工藝，一級壓縮工藝采用SVK25-3S離心式壓縮機，增壓至0.8 MPa；二級壓縮工藝采用DKY2240 往復(fù)式壓縮機（電驅(qū)），增壓至6 MPa輸送到注氣系統(tǒng)，壓縮空氣量達90×104m3/d。往復(fù)式壓縮機采用三級壓縮模式，一級、二級排氣溫度120～150 ℃，三級排氣溫度100～150 ℃。壓縮機每一級進氣設(shè)有冷卻器，通過水冷方式將壓縮空氣溫度控制在60 ℃以下，交換后的熱能通過循環(huán)冷卻系統(tǒng)逸散至大氣中，造成能量的流失。

在國家“雙碳”背景下，若利用壓縮空氣余熱進行采暖換熱，可減少注汽鍋爐非生產(chǎn)蒸汽用量和天然氣消耗，并減少二氧化碳排放量，具有節(jié)能提效、減污降碳的雙重意義[1]。

1 余熱匹配分析

1.1 余熱計算

工業(yè)化注氣站有4 臺2 240 kW 的往復(fù)式壓縮機，2臺工頻、2臺變頻，設(shè)計是3用1備，實際運行中2用2備。按照理想氣體狀態(tài)方程[2]，空氣壓縮過程中處于升溫狀態(tài)，產(chǎn)生大量熱能。往復(fù)式壓縮機運行排氣溫度、排氣壓力、排氣量等數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 往復(fù)式壓縮機運行參數(shù)Tab.1 Operation parameters of reciprocating compressor

熱能之間的相互轉(zhuǎn)換通過熱力循環(huán)實現(xiàn)，壓縮空氣熱力循環(huán)簡化為理想熱力循環(huán)，為表示壓縮空氣的余熱能力，依據(jù)熱量?理論計算原理[3]，壓縮空氣放出的熱量、熱量?可由下式求得：

式中：Q為熱量，kW(KJ/s)；cp為比定壓熱容，kJ/(kg·K)；ExQ為熱量?，kJ/kg；T0為環(huán)境溫度，℃，取-20℃；T1為壓縮機排氣溫度溫度，℃；T2為壓縮機進氣溫度，℃。

查閱氣體性質(zhì)表2[4]，取cp為1.004 kJ/(kg·K)，計算得到壓縮機一級、二級、三級熱量?；標況下密度取1.293 kg/m3，得到壓縮空氣余熱的可用程度，計算結(jié)果如表2所示。

表2 往復(fù)式壓縮機壓縮空氣計算可用熱量Tab.2 Calculation of available heat for compressed air in the reciprocating compressor

1.2 采暖用熱需求

工業(yè)化注氣站汽-水換熱器換熱完成后，采用循環(huán)泵進行熱水循環(huán)，汽-水換熱器、熱水循環(huán)泵1 用1 備。熱水循環(huán)泵額定排量65 m3/h，揚程32 m，采暖出水溫度一般控制在55～70 ℃，回水溫度通常在40～55 ℃。泵排量按照100%、溫差按照30 ℃進行供熱需求計算，采暖用熱能力137 kW。

采暖用熱需求與壓縮機壓縮空氣余熱潛力良好匹配，是保障壓縮空氣余熱采暖系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。經(jīng)綜合比較壓縮機空氣的可用熱量和采暖用熱量，采用壓縮空氣換熱的方式可滿足工業(yè)化注氣站采暖需求。

2 余熱利用技術(shù)

余熱利用技術(shù)按照熱源性質(zhì)區(qū)分主要包含煙氣余熱回收、循環(huán)水余熱回收、空氣源余熱回收[3]，各種余熱利用的熱量來源和余熱源溫度如表3所示。

表3 余熱回收技術(shù)類型Tab.3 Type of waste heat recovery technology

煙氣余熱回收的熱源為鍋爐尾部排放的120～150 ℃的煙氣，通過換熱裝置加熱二次側(cè)流體達到余熱利用再回收的目的。

循環(huán)水余熱回收是直接利用未經(jīng)冷卻的循環(huán)水熱量，通過換熱器或者熱泵提高采暖管網(wǎng)回水溫度，達到采暖用熱的要求，實現(xiàn)余熱的有效回收。

空氣源余熱回收技術(shù)的主要熱源為0～60 ℃的煙氣，通過空壓機將煙氣中的熱量提取出來用于預(yù)熱鍋爐的循環(huán)水，達到余熱回收的目的[4]。

按照余熱利用設(shè)備的類型，現(xiàn)有余熱利用技術(shù)主要有換熱器直接換熱技術(shù)、高效熱管換熱、吸收式熱泵技術(shù)、余熱鍋爐技術(shù)等。壓縮空氣排氣溫度在100～150 ℃，屬于低品位余熱資源[5]。壓縮空氣余熱利用與煙氣余熱利用相似，結(jié)合油氣田站場生產(chǎn)，壓縮空氣余熱利用采用換熱器直接換熱技術(shù)。常見的換熱器設(shè)備有管殼式換熱器、板式換熱器、熱管換熱器[6]。管殼式換熱器具有管程和殼程清洗方便、內(nèi)漏時易維修的特點，且在石油石化領(lǐng)域應(yīng)用技術(shù)成熟，本次改造選用管殼式換熱器。

3 方案設(shè)計

3.1 工藝流程

采用管殼式換熱器對往復(fù)式壓縮機壓縮空氣余熱利用，壓縮空氣一次側(cè)（管程）供熱，二次側(cè)（殼程）熱交換提高采暖循環(huán)用水溫度。考慮換熱器換熱效率、換熱器的熱損失以及新疆地區(qū)冬季極寒天氣，按照能量梯級利用原則，采用兩級換熱。在滿足供熱能力與換熱器運行安全條件下，一級換熱熱源采用一級壓縮空氣，二級換熱熱源采用二級壓縮空氣，采暖循環(huán)用水通過一級換熱器加熱后進入二級換熱器加熱，最后通過循環(huán)水泵供熱至站區(qū)。

一組采暖換熱器由一級和二級換熱器組成，考慮突發(fā)故障，設(shè)計2 組采暖換熱器，1 用1 備。正常情況下1 臺往復(fù)式壓縮機可滿足1 組采暖換熱器的換熱需求，考慮機組的維修及突發(fā)情況，2臺往復(fù)式壓縮機交替為1組采暖換熱器提供熱源，可根據(jù)生產(chǎn)運行情況切換壓縮機以保證熱源的持續(xù)性。

1 臺往復(fù)式壓縮機由3 個冷卻橇組成，對一級冷卻橇進口進行工藝改造，通過增加三通和閥門的方式將一級壓縮空氣引入一級換熱進氣主管，壓縮空氣經(jīng)一級換熱進氣主管進入一級采暖換熱器一次側(cè)供熱（管程），余熱利用完成后經(jīng)一級換熱出氣主管再回到壓縮機的一級冷卻橇，冷卻后再次進入壓縮機的二級進氣口。二級采暖換熱器的工藝流程與一級采暖換熱器一致，通過一級壓縮空氣與二級壓縮空氣對采暖循環(huán)水逐級加熱，最終出水溫度達到55～70℃，滿足采暖供熱需求。壓縮空氣余熱利用流程如圖1所示。

圖1 壓縮空氣余熱利用工藝流程Fig.1 Process flow of compressed air waste heat utilization

3.2 設(shè)備選型

工藝新增一級采暖換熱器2 臺，二級換熱器2臺。經(jīng)計算，一級換熱器設(shè)計壓力按照往復(fù)式壓縮機一級排氣最高允許排氣壓力的1.2 倍系數(shù)取值，采用2.5 MPa 壓力等級的換熱器；二級換熱器設(shè)計壓力按照二級排氣最高允許排氣壓力的1.2 倍系數(shù)取值，采用4 MPa 壓力等級的換熱器。熱水循環(huán)泵、補水泵、軟化水箱采用系統(tǒng)已有設(shè)備。壓縮空氣余熱利用系統(tǒng)主要設(shè)備清單如表4所示。

表4 壓縮空氣余熱利用主要設(shè)備清單Tab.4 List of main equipment for compressed air waste heat utilization

壓縮空氣余熱利用實施后，經(jīng)過一個采暖季（10 月至次年3 月）的運行滿足冬季采暖的需求，采暖出水溫度可根據(jù)需求控制調(diào)節(jié)至55～65 ℃范圍（圖2）。

圖2 采暖換熱器一、二級出水溫度Fig.2 First and second stage outlet water temperature of the heating heat exchanger

3.3 經(jīng)濟性分析

壓縮空氣余熱利用技術(shù)實施前，通過汽-水換熱器采用蒸汽換熱采暖的方式，根據(jù)現(xiàn)場實際運行情況，每小時消耗蒸汽量7～10 t，每天消耗蒸汽168 t 以上。蒸汽綜合生產(chǎn)成本按照每噸83 元計算，站區(qū)每年蒸汽采暖費用需251萬元。

采用壓縮空氣余熱利用技術(shù)后，完全替代蒸汽換熱采暖，每年節(jié)約蒸汽費用251萬元，工程投資一個采暖期即可回收，經(jīng)濟效益顯著。兩種采暖方式經(jīng)濟對比如表5所示。

表5 壓縮空氣余熱利用經(jīng)濟性對比Tab.5 Economic comparison of compressed air waste heat utilization

3.4 節(jié)能減排分析

壓縮空氣余熱利用主要節(jié)約天然氣和電力用能。注汽鍋爐天然氣單耗按照65 m3/t計算，采暖季消耗天然氣19.7×104m3(標況)，折合標煤2 614.2 t；電力單耗按照7.1 kW/t 計算，采暖季消耗電力215 MW，折合標煤26.4 t。一個采暖季節(jié)約用能合計2 640.6 t 標煤。采用排放因子法計算[7-8]，每年減排CO24 252.7 t（表6）；按照每萬立方米天然氣燃燒產(chǎn)生6.3 kgNOX[9]，每年減排NOX1.24 t，節(jié)能減排效果顯著，環(huán)境效益明顯。

表6 壓縮空氣余熱利用節(jié)能減排效果Tab.6 Energy saving and emission reduction effect of compressed air waste heat utilization

4 結(jié)論

在“雙碳”目標的指引下，新時代能源發(fā)展的核心目標是構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源供應(yīng)體系。節(jié)能降碳增效工程作為國家和企業(yè)“碳達峰”重要行動部署，是降低能耗總量和碳排放強度的重要組成部分。壓縮空氣余熱利用在滿足工業(yè)生產(chǎn)用氣的基礎(chǔ)上，通過能量梯級利用的的方式，有效提供了站區(qū)冬季采暖用熱，既提高了能源的利用效率，又減少了能源的消耗，降低了二氧化碳以及污染物排放，具有顯著的經(jīng)濟效益和節(jié)能環(huán)保效益。