热管技术在烟气余热利用上的应用研究

王红涛 李正茂 时振堂

摘 要：热电联供系统可以大幅度提高能源利用效率。针对集气站生产工况，采用热管式换热器回收燃气发电机高温烟气的余热，可以满足集气站对热能的需求。同时，热电联供系统以部分放空天然气为燃料，具有环保和节能双重效益。

关 键 词：热电联供;内燃发电机;热管式换热器;管板式换热器

中图分类号：TQ 052 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2015）06-1324-03

Application of the Heat Pipe Technology in Waste Heat Recovery of Flue Gas

WANG Hong-tao，LI Zheng-mao，SHI Zhen-tang

（Sinopec Fushun Research Institute of Petroleum and Petrochemicals， Liaoning Fushun 113001，China）

Abstract： The efficiency of energy utilization can be improved by the combined heat and power （CHP） system.In this paper， CHP system was established according to the demand of electric and thermal energy. The heat pipe heat-exchanger was used to recovery the waste heat of flue gas.

Key words： Combined heat and power; Combustion engine generator; Heat pipe heat-exchanger; Tube plate heat-exchanger

内燃发电机是一种以液化气、天然气、伴生气等可燃气体为燃烧物，代替汽油、柴油作为发动机动力的新型高效的新能源发电机。由于其具有输出功率范围广，启动和运行可靠高、发电质量好、重量轻、体积小、维护简单、低频噪声小、大气污染物排放低等优点，符合分布式能源的特点，在小型（冷）热电联供项目中被广泛采纳[1]。

内燃发电机在发电过程中能源转换效率较低，图1为600kW燃气发电机的热平衡计算数据。可以看出，在发电过程中只有约36%燃料能量被转化成电能，其它的能量随高温烟气、发电机高/低温冷却水和散热等方式以热能的形式排到环境中，并没有被利用。因此在条件允许的情况下，应尽可能地利用高温烟气和发电机高温缸套水的热量，采用（冷）热电联供的方式，提高能源利用率。

传统的换热器主要采用管板式结构，在回收余热过程中存在体积大、烟气阻力大、易产生低温腐蚀和投运率低等问题，给系统设计布置带来诸多不便。采用热管式换热器可以较好的解决上述问题，适合发电机高温烟气余热回收利用。

本文以某天然气集气站发电机高温烟气余热利用为例，论述热管技术在燃气发电机高温烟气余热利用上的应用。

图1 内燃发电机热平衡图

Fig.1 Thermal equilibrium diagram of combustionengine generator

传统的换热器主要采用管板式结构，在回收余热过程中存在体积大、烟气阻力大、易产生低温腐蚀和投运率低等问题，给系统设计布置带来诸多不便。采用热管式换热器可以较好的解决上述问题，适合发电机高温烟气余热回收利用。

本文以某天然气集气站发电机高温烟气余热利用为例，论述热管技术在燃气发电机高温烟气余热利用上的应用。

1 热管换热器的原理和特点

1.1 原理

热管是在一根抽除不凝气体的密闭金属管内充以一定量的工作液体构成的。典型的热管由管壳、外部扩展受热面、端盖组成，将管内抽成1.3×（10-1～10-4）Pa的负压后充入适量的工作液体，然后加以密封。工作液体在热端吸收热量而沸腾汽化，产生的蒸汽流到冷端放出潜热而凝结为液体，凝结液回至热端再次吸热沸腾汽化，如此反复循环，热量不断地由热端传递到冷端，完成换热循环[2，3]。

图2为重力式热管工作原理图，凝结液通过重力作用回到热端，具有结构简单、运行稳定等特点，被广泛应用。

图2 重力式热管工作原理

Fig.2 Operating principle of gravity type heat pipe

heat-exchanger

1.2 热管换热器的主要特点

热管换热器主要有以下的特点[4-6]：

（1）换热效率高：热管是靠工质相变时吸收和释放汽化潜热，以工质流动来传导热量的，导热率高，其导热能力是同等银导热量的2000倍，紫铜的6000倍。传热系数K与传统管板式换热器相比可提高5～10倍。同等换热量的条件下，高换热效率可缩小换热面积，减小设备的体积，减轻设备重量，便于在撬装燃气发电机组集装箱上安装，使整个装置结构紧凑、布局方便，为撬装化提供便利。

（2）流体阻力小。两种交换介质均走管外，无需往返，流程可大大缩短，且介质流动方向与散热片方向一致，从而可以降低流动阻力。由于燃气发电机的排气压力一般为3～4 kPa，压力较低，减少烟气的流动阻力，可防止因阻力大导致发电机排气背压升高，影响发电机组的正常工作。

（3）壁温可调可控。可以通過调整蒸发段、冷凝段的传热面积来控制热管管壁温度，使热管尽可能避开最大的腐蚀区域，远离烟气酸露腐蚀。因此使用热管换热器可缓解烟气低温腐蚀，大幅降低排烟终温，回收更多利用的余热。

（4）工作安全可靠。由于热管工作不需要动力，无运动部件，不产生噪音，冷热流体均在管外流动，且通过隔板完全分开，单根热管独立工作，互不影响，易拆卸更换，即使单根热管失效，也不会发生冷热流体掺杂，危及换热器的运行安全。所以采用热管换热器可实现长周期运行，提高设备投入率。

2 工程实例及效益分析

2.1 工艺方案

西部油田某采气厂一集气站，主要任务是收集单井天然气，对其进行脱水和回收凝析液，处理后输往采气厂继续处理后进入输气管网。所需的能源主要是电能和热能，其中电负荷400kW，主要为丙烷压缩机和各类泵提供动力，用电引自附近的110kV变电所，通过架空线引至集气站。热能用于油气分离、油罐保温和冬季采暖，配有两台水套加热炉，分别为1台400kW（一号）和1台200kW（二号）燃气水套炉，燃料为低压井天然气。

低压井油气经过分离后，气体压力低、数量少，采用增压的方式输送至采气厂经济效益差。鉴于该站有电、热负荷需求，且有排空天然气，抚顺石油化工研究院经过分析研究提出了热电联供解决方案，可以满足集气站生产需要，同时提高能源的综合利用率。

通过对现场所需电、热负荷进行综合计算并，结合近远期发展规划，确定热电联供装置规模和工艺流程。利用低压排空天然气为燃料，新上一台内燃发电机组，为集气站提供所需的电能;充分回收利用发电机高温烟气和缸套水的余热，满足原油加热油气分离和油罐伴热保温所需热量。其中，发电机组采用600kW天然气发电机，针对烟气和缸套水两部分余热，采用400kW烟气余热利用装置和200kW缸套水余热利用装置，同时配套相关的控制测量设备。

集气站热电联供系统自2014年6月份开始建设，10月底完成整体建设（装置如图3所示），并进行现场调试工作。

图3 热电联供余热回收装置

Fig.3 Waste heat recovery device of the cogeneration generator

根据现场的实际情况，抚顺石油化工研究院提出了用热管式换热器替代传统的管板式换热器的设想，以减少换热器体积便于在发电机集装箱上安装（装置如图3所示），减少烟气阻力，保证发电机正常工作。同时减少低温腐蚀提高设备投运率。

热管式换热器下部为烟道，上部为水箱，中间由隔板隔开。发电机烟气通过烟道从左向右，化补水流向与烟气流向成逆流，提高换热平均温度，增加换热量。工作时烟气流经热管余热回收器烟道冲刷热管下端，热管吸热后将热量导至上端，将化补水加热。

2.2 系统能源利用效率

热电联供系统2014年11月份平均运行数据如下：

天然气参数：

低位发热量（101.3kPa，293K时）：38.82 MJ/ m3;

进气压力：192kPa;

温度：22.1℃;

流量：54.1 m3/h;

发电机功率： 400kW。

一号水套炉：

进水温度：68.3℃;

出水温度：75.2℃;

流量：31.5t/h。

烟气：

进换热器温度：574.3℃;

出换热器温度：161.1℃。

由以上数据计算系统的能源利用效率，结果如下：1#水套炉回收缸套水热量为912.87MJ。

天然气中甲烷含量按照90%计算，空气流量为：

（Nm3/h）

烟气质量为：

qm=0.7174×144.90×90%+[（144.90-144.90×90%）+1594]×28.9/22.4=2168.68（kg/h）。

排煙的比热容按烟道气体计算，在100～600℃的平均定压比热容为1.134kJ/（kg·℃），甲烷的密度为0.7174 kg/m3。

机组利用排烟余热Q排烟=（573.3-161.1）×1.134×2168.6=1013.7×103（kJ/h）=1013.7（MJ/h）

机组回收余热占进入发电机天然气发热量的百分比为：

式中：V20—转化为标准状况下天然气耗量;

Qnet—标准状况下天然气低位发热量;

C—燃气效率。

实际生产过程中，为了满足工艺需求，发电机余热也未进行完全回收利用，烟气三通阀开度为70.3%。为了防止低温腐蚀，一般控制烟气温度不低于120 ℃。如果达到120 ℃，换热器可回收利用烟气余热1114.8 MJ/h，占进入发电机天然气发热量的20.5%。

2.3 效益分析

整套热管式换热器投资为6万元。

回收热量替代天然气加热水套炉，按热量计算每小时可节约天然气32.24 Nm3，年节约天然气22.57万Nm3，减少天然气成本23.7万元。投资回收期0.25 a，考虑到运行维护费用，投资回收期不超过0.5 a。

3 结 论

利用热管式换热器回收燃气发电机烟气余热可提高系统的整体综合能源利用率。与传统管板式换热器相比具有换热效率高、体积小、重量轻、烟气阻力小、不易产生低温腐蚀、可在线更换、投运率高等优点。如果天然气中硫含量低，可进一步降低换热器排烟温度。

参考文献：

[1]艾芊，郑志宇.分布式发电与智能电网[M].上海：上海交通大学出版社，2012.

[2]庄骏，徐通明，石寿椿.热管与热管换热器[M]上海：上海交通大学出版社，1989.

[3]张欣，赵清晨. 热管换热器在小型锅炉上的应用[J] . 山西建筑，1998（03）.

[4]王斌斌，仇性启. 热管换热器在烟气余热回收中的应用[J] .通用机械，2006（03）.

[5]孙州阳，徐光备，由世俊，等. 热管余热锅炉的方案设计及经济性分析[J] .煤气与热力，2013，10（23）：620-622.

[6]刘光铎，张凯，曹玉民，等. 热管换热器回收锅炉排烟余热系统及其热力分析[J].热力发电，1993（04）.