基于熱管技術對海上平臺燃氣透平煙氣回收利用的研究

肖峰超

(天津中海油工程設計有限公司 天津300452)

基于熱管技術對海上平臺燃氣透平煙氣回收利用的研究

肖峰超

(天津中海油工程設計有限公司 天津300452)

介紹了海上平臺燃氣透平煙氣回收系統的設計方法，主要包括利用熱管換熱器進行煙氣換熱，使換熱后的水變成高溫的飽和蒸汽，利用飽和蒸汽對原油加熱的一種方法。該方法可以解決現有模式中海上管殼式原油換熱器存在的換熱系數低、易堵塞等實際技術問題，為海上平臺余熱回收方案的選擇提供參考。

燃氣透平 熱管技術 飽和蒸汽 余熱回收

0 引 言

切實增強可持續發展能力是解決我國能源問題的重要途徑，也是當前我國經濟工作的一項迫切任務?！笆濉逼陂g，我國將繼續大力推進節能減排工作，促進能源資源的高效利用和循環使用。本文采用一種新的方法對海上石油平臺的燃氣透平煙氣余熱進行回收利用，即在海上采油平臺采用熱管技術，利用熱管換熱器將高溫煙氣與處理合格后的水源井水進行換熱，產生飽和蒸汽，注入原油流程為原油加熱。該方法可以解決現有模式下海上管殼式原油換熱器存在的換熱系數低、易堵塞等實際技術問題。該技術的實現，能有效解決實際生產中的問題，也能實現節能減排目的。

1 海上平臺煙氣回收利用現狀

目前，中國海上石油平臺透平煙氣余熱回收系統主要是通過余熱鍋爐來加熱熱介質油，通過熱介質油來與原油進行換熱，從而達到加熱原油的目的。具體的流程包括：燃氣透平發電機燃燒后具有一定溫度和壓力的煙氣經過余熱鍋爐換熱后，由煙囪排出；熱介質油經給油泵進入余熱鍋爐加熱，達到用戶要求溫度后，熱油輸送至原油熱換器，換熱完成后的熱介質油則重新進入余熱鍋爐，完成一個循環；通過增加的余熱鍋爐可以代替一部分由平臺熱介質系統加熱的熱介質油。[1]

與傳統的余熱回收系統相比較，利用熱管換熱器加熱水，使水變為飽和蒸汽，可以避免原油熱換器受熱不均，容易堵塞和結焦的問題，具有較好的實用價值。

2 基于熱管技術對透平煙氣回收利用

2.1 熱管的工作原理及特點

熱管是一類具有非常高導熱性能的新型傳熱元件，它利用封閉工作腔內工質的相變循環進行熱量傳輸，因而具有傳輸熱量大、效率高等特點。典型的熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。管的一端為蒸發段(加熱段)，另一端為冷凝段(冷卻段)，根據應用需要在兩段中間可布置絕熱段。當熱管的一端受熱時毛紉芯中的液體蒸發汽化，蒸汽在微小的壓差下流向另一端放出熱量凝結成液體，液體再沿多孔材料靠毛細力的作用流回蒸發段。如此循環不己，熱量由熱管的一端傳至另—端。

熱管的工作原理圖如圖1：

圖1 熱管的工作原理Fig.1 Working principle of a heat pipe

熱管換熱器的特點：具有極高的導熱性、良好的等溫性，冷熱兩側的傳熱面積可任意改變，可遠距離傳熱，可控制溫度；以熱管為傳熱元件的換熱器具有傳熱效率高、結構緊湊、流體阻損小、有利于控制露點腐蝕等優點。

2.2 煙氣余熱回收利用系統

本文根據海上平臺生產現狀，現增加1臺熱管換熱器作為蒸汽發生裝置、1臺自動相變摻熱裝置以及1套水處理裝置。高溫煙氣作為熱管換熱器的熱源。其中水處理裝置為蒸汽發生裝置(熱管換熱器)提供合格的鍋爐用水，合格的水進入蒸汽發生裝置產生高溫飽和蒸汽，高溫飽和蒸汽進入自動相變摻混裝置與原油進行混摻來達到加熱原油的目的。高溫飽和蒸汽混入原油后變為水，且與加熱后的原油混合均勻后進入平臺原油處理的流程中。

2.2.1 燃氣透平機組的相關參數見表1

表1 透平機組的相關參數Tab.1 Related parameters of the gas turbine

2.2.2 水源井水的處理

根據平臺目前的實際情況，WHPD平臺有水源井兩口，分別是 Dw1井和 Dw2井，排量分別為3,000,m3/d和 1,500,m3/d。本次項目選用水源井的水作為蒸汽發生裝置(熱管換熱器)的水源，需要水源井提供 12,m3/h的水。采用如下工藝處理流程處理：水源井水箱→原水泵→多介質過濾器→保安過濾器→軟化器→軟化水泵→熱管換熱器。經過處理后，可以產生10,t/h的合格鍋爐用水。

2.2.3 熱管換熱器的選擇

熱管換熱器可分為光管式換熱器和翅片式換熱器，綜合考慮海上平臺的實際情況。通過表 2進行對比。

表2 光管式熱管換熱器與翅片式換熱器參數比較Tab.2 Comparison of parameters of light-pipe type and finned type heat pipe exchangers

通過比較可以知道，光管式熱管換熱器和翅片式熱管換熱器的重量相差并不大，尺寸及引起的壓降相差較大[2]，且熱管數量也不相同。根據經濟性、所需布置空間尺寸及對透平的影響等條件綜合考慮，優先采用翅片式的熱管換熱器。燃氣透平不能承受具有很高背壓的排氣。[3]經過計算后，得出煙道阻力(包含煙道閥門)修正后為 441,Pa，因此煙道系統的總阻力為：441＋1,100＝1,541,Pa＜2,500,Pa。

可以得出蒸汽發生裝置(熱管換熱器)產生的背壓滿足燃氣透平運行的背壓要求。

2.2.4 熱管換熱器工藝計算

根據海上平臺的運行參數，燃氣透平的排氣口煙氣經過熱鍋換熱器換熱后，排入大氣，具體參數如表3所示。

2.2.5 原油摻混蒸汽加熱

本次選用相變摻熱裝置直接進行摻混的方式，將熱管換熱器產生的高溫飽和蒸汽經蒸汽噴嘴直接摻入原油，蒸汽經歷由高溫汽態變為較低溫度下液態的相變過程，釋放出大量的熱量，對原油進行加熱和摻水以達到升溫和降粘的目。具體流程如圖2所示。

表3 熱管換熱器的相關參數Tab.3 Parameters of the heat pipe exchanger

圖2 相變摻熱裝置Fig.2 Flowchart of the phase change mixed device

本次相變摻熱裝置采用臥式雙鞍座結構，鞍座采用防震結構。根據工藝計算，單臺設計熱負荷為3,500,kW，原油處理量 115,m3/h。根據現有管殼式原油換熱器的負荷并考慮一定的余量；加熱的原油壓力為 0.55,MPa，加熱蒸汽壓力按 0.6,MPa設計，蒸汽干度按 70%計，經計算每臺所需蒸汽量為 1.53,kg/s，蒸汽入口管徑為φ159,mm。

2.2.6 煙氣余熱回收利用系統的實施效果

根據本項目的設計要求，本項目實施后相變摻熱裝置的入口原油溫度約為 60,℃，經過蒸汽摻混后，可以提高溫升為 30,℃，原油出口約為 90,℃。與目前國內油田現有的原油脫水過程中使用直接加熱設備和間接加熱設備相比，熱效率提高 25%～30%，工程投資節約 15%以上，運行成本降低 5%～10%，維護修理費用可降低90%以上。

通過此項技術，不僅給原油加熱，還解決了傳統原油熱換器受熱不均、容易堵塞和結焦的問題，具有較好的實用價值。此外，還可以對原油特別是稠油起到降粘作用，有利于后序原油脫水處理。

3 結論與建議

本文通過使用熱管技術，將燃氣透平排放的高溫煙氣的熱量進行回收利用，不僅可以節省燃料費用，實現節能減排的目的，還可以解決海洋石油平臺換熱器的結焦、堵塞、熱效率低、費用高等問題。此外，對于燃氣透平系統的余熱回收系統設計、選型及經濟性分析也具有一定的借鑒作用。在帶有腐蝕性的煙氣余熱回收時，可以通過調整蒸發段、冷凝段的傳熱面積來調整熱管管壁溫度，使熱管盡可能避開最大的腐蝕區域。

對于熱管換熱器排出的 250,℃左右的中低溫煙氣，下一步將繼續研究回收利用，可以研究用來加熱回注水，以達到加熱地層的目的。

［1］高國權. 熱站裝置設計指南[Z]. 天津：中海石油海洋工程設計公司機電部，2000：178-188.

［2］錢頌文. 換熱器設計手冊[M]. 北京：化學工業出版社，2002：91-92.

［3］美國雪夫龍公司. 海上油氣工程設計實用手冊[M].邱建勇，譯. 北京：中國海洋石油總公司，1992：114-117.

Recovery of Turbine Exhaust for Offshore Platforms based on Heat Pipe Exchanger Technology

XIAO Fengchao
(CNOOC Tianjin Engineering Design Corp. Ltd.，Tianjin 300452，China)

The paper introduced a design method of turbine fuel gas recovery system for offshore platforms，which includes the using of a heat pipe exchanger for the turbine fuel gas. After heat exchanging，saturated vapor was generated and then used to heat the crude oil. This method is able to solve real technical problems of low heat-transfer coefficient and jamming for the shell type heat exchangers and may provide a reference for waste heat recovery in offshore platforms.

gas turbine；heat pipe technology；saturated steam；waste heat recovery

TE58

A

1006-8945(2014)10-0035-03

2014-09-09