發電機余熱回收對海上設施能量利用率的影響

郭匯江 馬永濤 李達 任毅 張娟

（1海油總節能減排監測中心有限公司 天津 300452 2中海艾普油氣測試（天津）有限公司 天津 300452 3瑞奇外科器械（中國）有限公司 天津 300457）

中國海油作為中國最大的海上油氣生產商，海上設施在保障海上油氣生產的同時，消耗了大量的能源[1]。在國家日益加大節能力度的形勢下，提高海上設施能量利用率，已成為中國海油在上游領域進行節能減排工作的重要任務。海上設施大多安裝發電機組，這些發電機組為自身或是周邊設施提供電力，動力強大，燃料消耗為自產油氣。同時發電機組的能源消耗占海上設施綜合能源消耗的比重很大，屬于主要耗能設備。海上發電機組排煙溫度一般分布在350~450℃，具有較大的余熱利用潛力。研究表明，燃油、氣發電機組的能量利用率在20%~35%之間，煙氣攜帶大概30%左右的能量以熱能的形式排放入大氣，35%~40%的能量通過發電機機身散發和冷卻循環水帶走。對于煙氣余熱的充分利用則是發電機組提高能源利用率的關鍵所在。下面以中國海洋石油有限公司湛江分公司和深圳分公司實施的余熱回收項目為例，主要就發電機余熱回收對海上設施能量利用率的影響進行分析。

1 情況介紹

中國海洋石油有限公司湛江分公司某海上設施在3臺透平發電機組煙道處增設3套余熱回收裝置用于回收利用透平尾氣的高溫熱能，現穩定工況下使用1臺回收裝置滿足設施熱需求，1用2備，單套裝置功率為7000kW。同時，配置3臺熱介質鍋爐，單臺功率10000kW作為備用，與透平發電機余熱回收裝置并網運行。

中國海洋石油有限公司深圳分公司某海上設施5臺柴油發電機，正常工作時3臺運行2臺備用，燃料為原油。增設2套余熱回收裝置，單套1700kW，2套同時運行，余熱回收改造后回收主機煙氣余熱，不再消耗原油，原3臺熱介質鍋爐作為備用，與余熱回收裝置并網運行。

發電機組余熱回收裝置利用發電機組產生的高溫煙氣，通過煙道進入余熱回收裝置進行熱量回收，回收的熱量傳遞給熱介質，被加熱的高溫熱介質攜帶著大量的熱能，經過換熱后熱介質匯集在一起，回到熱介質膨脹罐，重新分配到余熱回收循環泵，再進行增壓、加熱、換熱，如此反復循環為熱用戶提供穩定的高溫熱源。

2 能量利用率和余熱回收熱量計算

能量利用率計算公式計算[2]：

式中：ηe—海上設施能量利用率；

E1—輸入設施能量，tce；

E2—設施有效利用能量，tce；

E3—損失的能量，tce。

E1可以按下式計算[3]：

式中：n—設施消耗的能源品種數；

ei—生產活動中消耗的第i種能源實物量；

pi—第i種能源的折算系數。

E2按下式計算：

式中：n—設施上終端用能環節數量；

ηi—第i種終端用能環節的能量利用率；

Ei—進入第i種終端用能環節的能量。

回收熱量計算公式如下[4]：

式中：Cp,m—熱介質比熱，KJ/kg.K；

T2-熱介質出余熱回收裝置后的溫度，K；

T1-熱介質進余熱回收裝置前的溫度，K；

m—熱介質每小時循環量，kg。

比熱Cp,m計算可利用比熱計算經驗公式：

式中α、β、γ…等均為常數，可由熱介質已知的各個溫度點比熱計算獲得。

3 海上設施能量利用率計算

3.1 海上設施未設置余熱回收時能量利用率計算

中國海洋石油有限公司湛江分公司海上設施消耗的能源有天然氣和柴油，統計期內綜合能耗20542.54tce，其中天然氣消耗20527.74tce，占全年綜合能耗的99.9%，柴油消耗14.85tce，占全年綜合能耗的0.1%。輸入終端能量為7819.72tce，經過對終端用能環節監測計算后得到終端有效使用能量6002.05tce，根據能量利用率計算公式得到該海上設施的能量利用率為29.2%。

中國海洋石油有限公司深圳分公司海上設施消耗的能源有原油和柴油，統計期內綜合能耗10471.95tce，其中原油消耗10272.75tce，占全年綜合能耗的98.1%，柴油消耗199.2tce，占全年綜合能耗的1.9%。輸入終端能量為4507.26tce，經過對終端用能環節監測計算后終端有效使用能量4018.53tce，根據能量利用率計算公式得到該海上設施的能量利用率為38.3%。

3.2 海上設施設置余熱回收時能量利用率計算

在設置了余熱回收裝置后，湛江分公司海上設施消耗的能源仍為天然氣和柴油，相同統計期內設施綜合能耗18776.66tce，余熱回收量4881.92tce，其中天然氣消耗18761.81tce，占全年綜合能耗的99.9%，柴油消耗14.85tce，占全年綜合能耗的0.1%。在發電機組效率、輸送過程中線損率和終端用能環節能量利用率不變的情況下，采用余熱回收后輸入終端能量為7279.46tce，終端有效使用能量6269.82tce，根據能量利用率計算公式得到采用余熱回收裝置后該海上設施的能量利用率為33.7%。

相同統計期、能源消耗種類、發電機組效率、輸送過程中線損率和終端用能環節能量利用率，設置了余熱回收裝置后，深圳分公司海上設施綜合能源消耗量為9672.89tce，余熱回收量639.25tce，其中原油消耗9473.69tce，占全年綜合能耗的97.9%，柴油消耗199.2tce，占全年綜合能耗的2.1%。采用余熱回收后輸入終端能量為4347.45tce，終端有效使用能量4138.05tce，根據能量利用率計算公式得到采用余熱回收裝置后該海上設施的能量利用率為42.78%。

表1 未回收余熱與回收余熱海上設施能量利用率對比表

4 計算結果分析與討論

表1為海上設施在未設置余熱回收裝置與實施余熱回收設施能量利用率的對比表。從表中可以看到，有、無余熱回收時發電機組和設施能量利用率有較大變化，進行余熱回收后設施能量利用率得到提高。湛江分公司某海上設施設置余熱回收后發電機組能量利用率由14.2%提高到40.2%，升高了26%；能源利用率由29.2%提高到33.7%，升高了4.5%。深圳分公司某海上設施設置余熱回收后發電機組能量利用率由37.69%提高到44.4%，升高了6.71%；能源利用率由38.3%提高到42.78%，升高了4.48%。

5 結語

5.1 實施余熱回收可以降低設施綜合能耗，節約能源消耗。

5.2 采用余熱回收裝置回收利用發電機組煙氣余熱比未使用時具有更高的發電機組能量利用率。

5.3 采用余熱回收裝置可以提高海上設施能量利用率，降低總能耗。余熱回收量越大，設施能量利用率提高幅度越大。

[1]中國海洋石油總公司節能減排辦公室.中國海油浮式儲油輪FPSO能耗及余熱回收利用狀況調研報告.2013.

[2]中國人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T28751-2012企業能量平衡表編制方法.北京:中國標準出版社,2013.

[3]中國人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.GB/T2589-2008綜合能耗計算通則.北京：中國標準出版社,2008.

[4]肖芙蓉.采用比熱計算熱量方法的比較研究.石河子大學學報（自然科學版）,2003,7(1)：73-75.