利用火炬气发电的最优配置分析

原创于 2025-10-17 15:59:15 发布 · 911 阅读

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#火炬气 # 发电 # 联合循环 # HRSG # 余热回收

利用炼油厂火炬气发电的最优方法分析

摘要

当今世界正面临全球变暖这一主要问题，其主要原因是大气中二氧化碳和其他温室气体浓度的上升。火炬燃烧是导致温室气体增加的主要原因之一，2018年有1450亿立方米的天然气被火炬燃烧。印度尼西亚作为一个靠近赤道的群岛国家，深受全球变暖的影响，这些影响包括环境退化、健康影响和经济影响。本研究旨在开发一种可在现有电厂采用的电厂配置，以利用火炬气作为补充燃料。火炬气的能量将通过热力发电厂转化为机械能，而不是像目前一样直接排放。本文使用Thermo‐flow软件开发并模拟了两种可能的电厂配置，并对结果进行了比较。两种配置均采用联合循环概念，即将燃气轮机与汽轮机耦合。两者之间的主要区别在于，配置1使用余热回收蒸汽发生器，而配置2在燃气轮机和朗肯循环之间使用普通换热器。结果显示，配置1的净功率为40.948兆瓦，而配置2的净功率为32.924兆瓦。

引言

全球变暖是指地球平均气温的上升，这对全球气候产生了显著的负面影响。全球气候变化的一些后果包括海平面上升、降水变化、气候变率和高温。这些变化将导致风暴、气旋等极端天气事件发生频率增加。印度尼西亚是位于赤道附近的一个群岛国家，深受这些全球气候变化的影响。造成这些气候变化的主要原因是人类活动，其中石油生产公司在石油工业中进行的天然气燃烧便是因素之一。天然气燃烧是指在石油开采过程中，将伴生的天然气以受控方式燃烧掉的过程。根据世界银行管理的全球天然气火炬燃烧减排伙伴关系（一个由各国政府组成、致力于减少天然气燃烧的组织）发布的数据，印度尼西亚在全球天然气燃烧排名中位列第15位。尽管在过去四年中，印度尼西亚的火炬燃烧气体量已有显著减少，但仍具有进一步降低的潜力。

天然气燃烧的影响包括一些气候变化，因为数百万吨一氧化碳2被排放到大气中，这些影响波及全球各个地区，其效应更多是全球性的而非区域性的。对于印度尼西亚等国家而言，气候变化带来了巨大的负面影响，包括健康影响和环境退化。火炬燃烧浪费了宝贵的能源资源，而这些资源本可用于支持经济增长。鉴于此，印度尼西亚政府提出了一些伴生气燃烧政策，其中包括：到2025年消除所有常规和持续燃烧以及甲烷排放。

放空燃烧的气体可用于多种用途，包括发电（可在当地使用或输送至主电网）、作为原料、用于天然气配送网络以及注入炼油厂，此外还可将放空燃烧的气体转化为液化石油气。

一些先前的研究证明，利用火炬气作为燃气轮机电站的燃料来源可以产生相对可观的电力。M.R. 拉希姆普尔等人[1, 2]研究了两种不同装置单元可采用的三种减少天然气燃烧的方法。所提出的三种方法为：1）天然气制液体燃料（GTL）生产；2）燃气轮机发电；3）压缩并注入炼油厂管道。这些方法在两个不同的炼油厂——阿萨卢耶天然气加工厂和法拉什班德天然气加工厂——进行了模拟。模拟结果表明，对于阿萨卢耶天然气加工厂，第一种方法每天可生产48,056桶液化石油气，第二种方法可产生2130兆瓦的电力，第三种方法可将压力为129巴的压缩天然气注入炼油厂管道。对法拉什班德天然气加工厂的模拟结果显示，第一种方法每天可生产563桶液化石油气，第二种方法可产生25兆瓦的电力，第三种方法可提供压力为129巴的压缩天然气用于注入炼油厂管道。

M. 祖尔法加里等人[3]还研究了三种回收火炬气的方法，即天然气制液体燃料（GTL）、燃气轮机发电（GTG）和天然气制乙烯（GTE）。结果表明，GTL可生产7.945e+004 kg/h，GTG可产生2.169e+006 kW的电力，而生产的乙烯可用于化工、工业及其他产品的广泛用途。M. 海达里等人[4]指出，火炬气可在伊朗现场用于发电。情景1配置可产生约33 251 kW，而情景2配置可产生31 665 kW。

加布里埃莱·科莫迪等人[5]分析了火炬气回收系统的经济可行性和技术。所研究的两种技术是：液环压缩机和喷射器。液环压缩机能够减少H2S的含量，这将有助于火炬气的处理；而后者则利用伯努利原理：速度增加时压力降低，反之亦然。G. 伊扎伊纳·乌穆科罗等人[6]指出火炬气的烟气成分为CO2, SO2, N2O、一氧化氮和一氧化碳，其预计年排放量分别为5.6亿、0.5亿、0.93亿、0.91亿和0.48亿吨。从这些结果可以看出，二氧化碳（CO2）的排放量相对较高，这是一个主要问题，因为它具有较强的全球变暖效应。C.M. 比尔等人的研究表明，火炬气可用于热电联产厂，以在现场发电、供热并生产氨。

根据 N. 塔胡尼等人[8]的研究，整合放空气体网络（FGN）和火炬气流可使天然气消耗量比未整合火炬气流的情况减少12%，比无FGN的基准情况减少27%。本研究的数据来自印度尼西亚巨港普拉朱的印尼国家石油公司（Pertamina）[9]。该工厂有三个火炬燃烧单元，分别为原油蒸馏与气体处理装置（CDGP）、流化催化裂化装置（FCCU）和聚丙烯装置（PP）。在本研究中，将使用FCCU的数据来确定现有电厂用于发电的最佳配置。

方法论

所研究的火炬气和天然气的组成如表1所示。值得注意的是，火炬气流量和组成会随着电厂运行条件的变化而变化。例如，在正常运行期间，火炬气的组成将如表1所示；但在FCCU减压期间，丙烯含量将增加至约17.17%，甲烷含量将减少至约17.63%，乙烷含量也将减少至约3.89%。同时，火炬气的压力将降低至1.2 bar，温度升高至62.41°C。为了便于模拟，假设火炬气流量和组成保持恒定。根据上述火炬气和天然气的组成以及其他在表2中列出的热力学假设，提出了两种电厂配置，并将使用Thermo‐flow软件进行模拟。

系统描述

所提出的两种电厂配置将火炬气作为天然气的补充燃料。为了提高电厂效率，将采用燃气轮机‐蒸汽联合循环。联合循环以一种方式耦合两个动力循环，使得来自上部循环耗散的能量被部分或全部用于底部循环。燃气轮机和蒸汽动力循环通过普通换热器或余热回收蒸汽发生器（HRSG）结合在一起，后者作为蒸汽动力循环的锅炉。

联合循环应用了热力学第一和第二定律的原理。火炬气与天然气首先在混合器中混合，然后被压缩进入燃烧室。由于压力和温度几乎相同，因此两种燃料可在进入燃料压缩机之前进行混合。燃料混合物被送入燃烧室，在其中进行燃烧。燃烧后产生的高温烟气用于推动燃气轮机膨胀，进而通过耦合发电机发电。所发电力的一部分用于驱动空气压缩机，其余部分则传输至主电网或本地使用。燃气轮机排出的高温废气将经过换热器（HX）或余热回收蒸汽发生器（HRSG），最后通过烟囱排放。

表1. 火炬气和天然气组成

组成	火炬气 (%)	天然气 (%)
甲烷	44.51	83.58
乙烯	13.75
乙烷	10.63	5.2
丙烯	3.42
丙烷	1.16	1.4
异丁烷	1.42	0.31
正丁烷	1.61	0.3
异戊烷	0.27	0.08
正戊烷	0.05
己烷	0.03	0.15
二氧化碳	3.46	2.42
一氧化碳	2.80	5.08
氧气	0.90
氢气	5.19
氮气	9.59	1.42

示意图0

示意图1

余热回收蒸汽发生器配置 (HRSG)

余热回收蒸汽发生器（HRSG）在联合循环发电厂中为布雷顿循环和朗肯循环提供热力学联系。它主要由三个部分组成：过热器、蒸发器和省煤器。过热器用于将饱和蒸汽或湿蒸汽转化为过热蒸汽或干蒸汽。蒸发器用于将液态流体转变为气态或蒸汽态。省煤器是HRSG单元的最后一部分，在此处，工作流体（主要是水）在进入蒸发器之前被预热。图1展示了带有余热回收蒸汽发生器的工厂配置1的模拟模型。

普通换热器（HX）

换热器用于在两个或多个流体之间传递热量。它可用于为联合循环中的燃气轮机和汽轮机提供连接。本研究中考虑的换热器类型为壳管式。壳管式换热器由多组管子组成，管内流动着需要被加热或冷却的流体。第二种流体流经这些被加热或冷却的管子表面，从而吸收热量或提供所需热量。在此情况下，烟气作为第二种流体，而水则在管内流动。通常，壳管式换热器更适用于高压和高温系统。图2显示了采用普通换热器的配置模拟模型。与之前的配置相同，来自燃气轮机的高温废气将通过一个与朗肯循环耦合的壳管式换热器加以利用。

热力学分析

在燃气轮机循环中，空气从大气中进入压缩机并被压缩，同时温度升高。压缩后的空气随后被送入燃烧室，在其中进行火炬气与天然气混合物（燃料）的燃烧。高温烟气将进入燃气轮机。烟气随后将通过余热回收蒸汽发生器或普通换热器。这两种不同的换热器产生的蒸汽将用于驱动汽轮机。所发电力主要用于驱动空气压缩机及其他辅助部件，剩余电力则可在当地使用，或输送至主电网，或用于农村电气化。燃气轮机电站系统的能量分析主要依据布雷顿循环原理，计算内容包括确定系统的能量输入和能量输出。性能分析将基于热力学第一和第二定律 [10]，针对各个部件以及整个电厂进行。表2列出了本研究采用的热力学假设及部分电厂运行条件。计算中将采用平均环境温度和压力。

表2。热力学假设

参数	值
压缩机等熵效率	90%
涡轮等熵效率	90%
换热器有效性	75%
换热器最小温差	5 K
换热器和空气过滤器压降	3%
天然气质量流量	2 千克/秒
天然气压力	1.013 巴
天然气温度	302.72 开尔文
天然气低位热值	47 100 千焦/千克
火炬气低位热值	41 460 千焦/千克
空气流量	95 千克/秒
环境温度	302.72 开尔文
环境压力	1.013 巴
## 结果与讨论

根据图3所示研究工厂的月度流量，流化催化裂化装置的平均最高月度火炬燃烧约为0.20kg/s，最低值假设为0.11kg/s。在模拟中，考虑了最大火炬气流量。

示意图2

示意图3

图4显示了FCCU火炬燃烧装置中火炬气流量与输出功率之间的关系。在火炬气质量流量变化过程中，环境温度和火炬气压力分别假定为恒定的303.39 K和5.9 bar。随着火炬气流量的增加，功率输出也随之增加，因为燃料的增加意味着进气量也会增加。此外，将会有更多的燃料颗粒，这可能促进完全燃烧，从而产生更多的能源。

图5显示了随火炬气流量变化的热效率。对于工厂配置2，随着火炬气的增加，热效率显著下降，而工厂配置1则几乎保持不变。在工厂配置1中，由于燃料的增加意味着进气量也会增加，因此火炬气流量增加。与工厂配置2相比，工厂配置1的火炬气流量变化几乎可以忽略不计，而工厂配置2的㶲效率则显著下降。

示意图4

图6显示了㶲效率与火炬气流量之间的关系变化。随着火炬气流量增加，工厂配置2的㶲效率显著降低，而工厂配置1则几乎保持不变。这进一步证明了余热回收蒸汽发生器相较于普通换热器的有效性。

示意图5

表3. 模拟结果汇总

参数	工厂配置1	工厂配置2
总发电量	42 931 kW	34 626 kW
净功率	40 948 kW	32 924 kW
热电联产效率	47.67%	38.8 %
能量输入	120 633 kW	120 527 kW
能量输出	120 633 kW	120 527 kW
燃气轮机发电机	31 501 kW	30 540kW
蒸汽轮机发电机	11 430 千瓦	4 086 千瓦
一氧化碳2/年	149 263 吨	147 445 吨

表3显示了两种模拟配置的比较结果。如表所示，与普通换热器相比，余热回收蒸汽发生器具有更高的电厂效率。本文对两种电厂配置进行了模拟和比较，模拟在相同条件下进行。第一种配置（HRSG）比第二种配置（HX）效率更高。尽管第一种配置排放更多的二氧化碳（CO2），但其净功率约为40.948 MW，而第二种为32.924 MW。本研究指出，环境温度与净功率输出成反比，即随着温度升高，产生的净功率降低。这意味着电厂所在位置的环境温度对于获得更好的结果也至关重要。所研究的电厂主要处于高温环境，因此安装蒸发式冷却器向空气压缩机提供较冷的空气，将有助于提高发电功率输出。