压缩空气余热利用及减排效果研究

宋涛涛 槐鲜妮 程思勇 王兴华 张琦 倪丰平 向煜琪

1中国石油新疆油田公司实验检测研究院

2新疆维吾尔自治区油气田环保节能工程研究中心

3华电克拉玛依发电有限公司

4新疆油田公司采油一厂

某工业化注气站位于克拉玛依区西南20 km处，承担着HQ1 井区稠油油藏开发注空气的任务。注气站采暖面积3 500 m2，投用初期采用蒸汽换热采暖的方式，换热蒸汽来源于油区油田注汽锅炉。注气站内建4组空气压缩机组，压缩机组采用两级空气压缩工艺，一级压缩工艺采用SVK25-3S离心式压缩机，增压至0.8 MPa；二级压缩工艺采用DKY2240 往复式压缩机（电驱），增压至6 MPa输送到注气系统，压缩空气量达90×104m3/d。往复式压缩机采用三级压缩模式，一级、二级排气温度120～150 ℃，三级排气温度100～150 ℃。压缩机每一级进气设有冷却器，通过水冷方式将压缩空气温度控制在60 ℃以下，交换后的热能通过循环冷却系统逸散至大气中，造成能量的流失。

在国家“双碳”背景下，若利用压缩空气余热进行采暖换热，可减少注汽锅炉非生产蒸汽用量和天然气消耗，并减少二氧化碳排放量，具有节能提效、减污降碳的双重意义[1]。

1 余热匹配分析

1.1 余热计算

工业化注气站有4 台2 240 kW 的往复式压缩机，2台工频、2台变频，设计是3用1备，实际运行中2用2备。按照理想气体状态方程[2]，空气压缩过程中处于升温状态，产生大量热能。往复式压缩机运行排气温度、排气压力、排气量等数据如表1所示。

表1 往复式压缩机运行参数Tab.1 Operation parameters of reciprocating compressor

热能之间的相互转换通过热力循环实现，压缩空气热力循环简化为理想热力循环，为表示压缩空气的余热能力，依据热量㶲理论计算原理[3]，压缩空气放出的热量、热量㶲可由下式求得：

式中：Q为热量，kW(KJ/s)；cp为比定压热容，kJ/(kg·K)；ExQ为热量㶲，kJ/kg；T0为环境温度，℃，取-20℃；T1为压缩机排气温度温度，℃；T2为压缩机进气温度，℃。

查阅气体性质表2[4]，取cp为1.004 kJ/(kg·K)，计算得到压缩机一级、二级、三级热量㶲；标况下密度取1.293 kg/m3，得到压缩空气余热的可用程度，计算结果如表2所示。

表2 往复式压缩机压缩空气计算可用热量Tab.2 Calculation of available heat for compressed air in the reciprocating compressor

1.2 采暖用热需求

工业化注气站汽-水换热器换热完成后，采用循环泵进行热水循环，汽-水换热器、热水循环泵1 用1 备。热水循环泵额定排量65 m3/h，扬程32 m，采暖出水温度一般控制在55～70 ℃，回水温度通常在40～55 ℃。泵排量按照100%、温差按照30 ℃进行供热需求计算，采暖用热能力137 kW。

采暖用热需求与压缩机压缩空气余热潜力良好匹配，是保障压缩空气余热采暖系统稳定运行的关键。经综合比较压缩机空气的可用热量和采暖用热量，采用压缩空气换热的方式可满足工业化注气站采暖需求。

2 余热利用技术

余热利用技术按照热源性质区分主要包含烟气余热回收、循环水余热回收、空气源余热回收[3]，各种余热利用的热量来源和余热源温度如表3所示。

表3 余热回收技术类型Tab.3 Type of waste heat recovery technology

烟气余热回收的热源为锅炉尾部排放的120～150 ℃的烟气，通过换热装置加热二次侧流体达到余热利用再回收的目的。

循环水余热回收是直接利用未经冷却的循环水热量，通过换热器或者热泵提高采暖管网回水温度，达到采暖用热的要求，实现余热的有效回收。

空气源余热回收技术的主要热源为0～60 ℃的烟气，通过空压机将烟气中的热量提取出来用于预热锅炉的循环水，达到余热回收的目的[4]。

按照余热利用设备的类型，现有余热利用技术主要有换热器直接换热技术、高效热管换热、吸收式热泵技术、余热锅炉技术等。压缩空气排气温度在100～150 ℃，属于低品位余热资源[5]。压缩空气余热利用与烟气余热利用相似，结合油气田站场生产，压缩空气余热利用采用换热器直接换热技术。常见的换热器设备有管壳式换热器、板式换热器、热管换热器[6]。管壳式换热器具有管程和壳程清洗方便、内漏时易维修的特点，且在石油石化领域应用技术成熟，本次改造选用管壳式换热器。

3 方案设计

3.1 工艺流程

采用管壳式换热器对往复式压缩机压缩空气余热利用，压缩空气一次侧（管程）供热，二次侧（壳程）热交换提高采暖循环用水温度。考虑换热器换热效率、换热器的热损失以及新疆地区冬季极寒天气，按照能量梯级利用原则，采用两级换热。在满足供热能力与换热器运行安全条件下，一级换热热源采用一级压缩空气，二级换热热源采用二级压缩空气，采暖循环用水通过一级换热器加热后进入二级换热器加热，最后通过循环水泵供热至站区。

一组采暖换热器由一级和二级换热器组成，考虑突发故障，设计2 组采暖换热器，1 用1 备。正常情况下1 台往复式压缩机可满足1 组采暖换热器的换热需求，考虑机组的维修及突发情况，2台往复式压缩机交替为1组采暖换热器提供热源，可根据生产运行情况切换压缩机以保证热源的持续性。

1 台往复式压缩机由3 个冷却橇组成，对一级冷却橇进口进行工艺改造，通过增加三通和阀门的方式将一级压缩空气引入一级换热进气主管，压缩空气经一级换热进气主管进入一级采暖换热器一次侧供热（管程），余热利用完成后经一级换热出气主管再回到压缩机的一级冷却橇，冷却后再次进入压缩机的二级进气口。二级采暖换热器的工艺流程与一级采暖换热器一致，通过一级压缩空气与二级压缩空气对采暖循环水逐级加热，最终出水温度达到55～70℃，满足采暖供热需求。压缩空气余热利用流程如图1所示。

图1 压缩空气余热利用工艺流程Fig.1 Process flow of compressed air waste heat utilization

3.2 设备选型

工艺新增一级采暖换热器2 台，二级换热器2台。经计算，一级换热器设计压力按照往复式压缩机一级排气最高允许排气压力的1.2 倍系数取值，采用2.5 MPa 压力等级的换热器；二级换热器设计压力按照二级排气最高允许排气压力的1.2 倍系数取值，采用4 MPa 压力等级的换热器。热水循环泵、补水泵、软化水箱采用系统已有设备。压缩空气余热利用系统主要设备清单如表4所示。

表4 压缩空气余热利用主要设备清单Tab.4 List of main equipment for compressed air waste heat utilization

压缩空气余热利用实施后，经过一个采暖季（10 月至次年3 月）的运行满足冬季采暖的需求，采暖出水温度可根据需求控制调节至55～65 ℃范围（图2）。

图2 采暖换热器一、二级出水温度Fig.2 First and second stage outlet water temperature of the heating heat exchanger

3.3 经济性分析

压缩空气余热利用技术实施前，通过汽-水换热器采用蒸汽换热采暖的方式，根据现场实际运行情况，每小时消耗蒸汽量7～10 t，每天消耗蒸汽168 t 以上。蒸汽综合生产成本按照每吨83 元计算，站区每年蒸汽采暖费用需251万元。

采用压缩空气余热利用技术后，完全替代蒸汽换热采暖，每年节约蒸汽费用251万元，工程投资一个采暖期即可回收，经济效益显著。两种采暖方式经济对比如表5所示。

表5 压缩空气余热利用经济性对比Tab.5 Economic comparison of compressed air waste heat utilization

3.4 节能减排分析

压缩空气余热利用主要节约天然气和电力用能。注汽锅炉天然气单耗按照65 m3/t计算，采暖季消耗天然气19.7×104m3(标况)，折合标煤2 614.2 t；电力单耗按照7.1 kW/t 计算，采暖季消耗电力215 MW，折合标煤26.4 t。一个采暖季节约用能合计2 640.6 t 标煤。采用排放因子法计算[7-8]，每年减排CO24 252.7 t（表6）；按照每万立方米天然气燃烧产生6.3 kgNOX[9]，每年减排NOX1.24 t，节能减排效果显著，环境效益明显。

表6 压缩空气余热利用节能减排效果Tab.6 Energy saving and emission reduction effect of compressed air waste heat utilization

4 结论

在“双碳”目标的指引下，新时代能源发展的核心目标是构建清洁低碳、安全高效的现代能源供应体系。节能降碳增效工程作为国家和企业“碳达峰”重要行动部署，是降低能耗总量和碳排放强度的重要组成部分。压缩空气余热利用在满足工业生产用气的基础上，通过能量梯级利用的的方式，有效提供了站区冬季采暖用热，既提高了能源的利用效率，又减少了能源的消耗，降低了二氧化碳以及污染物排放，具有显著的经济效益和节能环保效益。