海上油氣田透平發電機余熱回收技術應用

呼曉昌（中國海洋石油總公司節能減排監測中心）

某海上油田現有3 臺美國索拉燃氣透平發電機，單臺發電機額定功率為4750 kW，現2臺運行1臺備用，平均負荷為4000 kW。由于海上平臺空間布局的局限性，透平發電機原設計沒有煙氣余熱回收設施，大量高溫煙氣直接排出。若能對高溫煙氣熱量進行回收利用，會帶來巨大的節能減排效果及經濟效益。

1 透平發電機運行情況

該油田燃氣透平發電機不同工況下設計運行參數見表1。

表1 透平發電機不同工況設計運行參數

經實際測量，當發電機組在日常運行時（負荷80%），尾氣溫度達到了400 ℃。根據《工業余熱術語、分類、等級及余熱資源量計算方法》（GB 1028—2000）規定，400 ℃以上的煙氣余熱屬一等余熱資源，應盡快回收[1]。因此，回收透平發電機余熱，具有良好的節能潛力。

該油田現有2 臺設計功率為5000 kW 熱介質爐，通過加熱導熱油對工藝物料進一步加熱，熱介質爐設計1 臺運行1 臺備用，現正常運行負荷約90%，即4500 kW。如果能夠利用透平發電機煙氣取代熱介質爐加熱導熱油，即可以滿足平臺熱量需求，又可減少余熱資源的浪費。

2 余熱回收可行性分析

經計算，2 臺透平發電機同時運行時，不同使用效率下能提供給余熱回收裝置的最大熱負荷情況見表2。

表2 透平在不同效率下煙氣提供熱負荷情況

由表2 可知，正常生產運行情況下，2 臺透平發電機80%負荷下產生的煙氣熱量可滿足熱介油需求，故增加余熱回收裝置利用透平發電機煙氣余熱代替熱介質爐加熱導熱油技術上可行。

3 方案設計

3.1 余熱回收裝置工作原理

余熱回收裝置是利用透平發電機組的高溫煙氣與加熱盤管里循環的導熱油進行熱交換，從而使導熱油達到一定的溫度去為用戶供熱。通過各種溫度傳感器可以分別對煙氣的溫度和熱油出口的溫度進行檢測、報警和控制。換熱器實際上是一種鍋爐，只是將鍋爐中的燃燒器用發電機的尾氣取代。在煙氣端，鍋爐是按照三通結構和熱油的強制循環并根據單管原理制造[2]。

本項目新增的余熱回收裝置，是利用透平發電機組排出的高溫煙氣通過透平發電機尾部的煙道，以對流的形式進入余熱回收裝置內的換熱盤管，換熱盤管獲得的熱量直接傳遞給導熱油，實現對導熱油的加熱。該余熱回收裝置盤管圍繞著同一個中心緊緊盤繞在一起，這些同軸心盤管安裝在一個氣密的殼體內，進出口盤管連接到經濟器出口的集合管上，內部盤管相互緊緊盤繞在一起并且用焊接法蘭緊固，兩部分之間的間隙選擇以利于煙氣通過時有很高的速度并使壓降保持在容許范圍內，這樣能使高速的煙氣、導熱油有一個很好的傳熱率，同時能夠保持盤管加熱表面的清潔，余熱回收裝置示意圖見圖1。

圖1 余熱回收裝置示意圖

3.2 余熱回收裝置型式選擇

余熱回收裝置在型式上大體可分為立式和臥式兩種。兩種型式的特點分別如下：

立式占用平面面積較小，縱向較高；臥式占用平面面積較多，縱向較低。該平臺發電機組附近位置非常有限，如果擺放臥式鍋爐需要向北側外延甲板7～9 m，擺放立式鍋爐，只需要外延1.5～3 m。

本次設計在充分利用平臺的上部空間的前提下，采用立式鍋爐，盡量減小外延甲板。

3.3 余熱回收裝置與發電機連接方式

通常情況下，立式余熱回收裝置與透平發電機的連接方式可分為直通式、外延甲板式、排氣管旁通式三種，其中排氣管旁通式又可分為外延伸和側延伸。

3.3.1 直通式方案

直通式方案是將余熱回收裝置直接放置在透平發電機組的煙囪上方，把泵以及其他配件設置在上方的鋼支架（該支架可以固定換熱器及其附件）上部，原透平發電機組的煙囪在保溫層以上需要切除。此方案施工難度最小，在保溫材料0.5 m上開始安裝換熱器，換熱器高度約為6 m，再加上接1 m左右的管道，總高度約為8 m，施工方便。在余熱回收裝置頂部設計有翻板，來控制煙氣是通過換熱器后排出或直接排出。

該方案的優點是施工設備簡單，主體只有一個余熱回收裝置；缺點是單體設備質量超過10 t，吊裝困難，同時翻板的控制存在故障隱患，可能影響透平發電機的正常運行。

3.3.2 外延甲板方案

外延甲板方案是原有透平發電機的煙道位置保持不變，增加風閥控制，然后向外側延伸出旁路，將甲板外延一個5 m×17 m 的區域，然后將余熱回收裝置放在外延的甲板上。

該方案的優點是安裝方便，對原有透平機組的煙道改造最小；缺點是需要安裝外延甲板，投資較大。

3.3.3 排氣管旁通方案（外延伸、側延伸）

排氣管旁通方案兼顧了直通式方案和外延甲板方案的優缺點，在直通式方案的基礎上增加旁通的排氣管，以便確保透平發電機的正常運行不受余熱回收裝置檢修或故障的影響。

根據旁通方向的不同，本方案又可分為外延伸和側延伸兩種。外延伸是將排氣管向平臺外側延伸，需要安裝延伸甲板；側延伸是將排氣管向透平發電機中間的間隙延伸，只需少量外延甲板。

綜合上述三種類型四個方案的比較，從投資大小、施工方便性、運行可靠性等不同角度進行綜合比選，最終選用排氣管旁通方案（側延伸），詳見表3。

表3 三種類型四個方案比較

3.4 余熱回收設備運行參數

透平發電機100%負荷時計算可交換熱量為5160 kW，按此換熱量配置余熱回收系統，同時該方案可以取代原有熱介質鍋爐。余熱回收裝置設備主要參數見表4。

表4 余熱回收裝置主要參數

3.5 改造后熱介質系統工藝流程

來自熱介質系統回油總管的導熱油，先經過循環增壓泵增壓，然后輸送到余熱回收裝置進油管與透平發電機煙氣進行熱交換，加熱后的導熱油再進入原熱介質鍋爐進一步加熱（如果新增余熱回收裝置能滿足平臺所需熱負荷要求，熱油無需進入原熱介質鍋爐，直接走旁通管路），加熱后的導熱油從余熱回收裝置出來后輸送至油田的各個工藝用戶。透平發電機組排出的高溫煙氣通過尾部的煙道，以對流的形式進入余熱回收裝置內的換熱盤管，換熱盤管獲得的熱量直接傳遞給導熱油，實現對導熱油的加熱。

4 節能量及溫室氣體減排量計算

4.1 節能量計算

項目實施運行1年后，依據財政部、國家發改委發布的《節能項目節能量審核指南》，該項目節能量計算[3]如下：

式中：

ΔE——節能技改項目節能量（標煤），t/a；

eh——節能技改項目實施后項目范圍內單位產品綜合能耗（標煤），t/t；

eq——基準單耗（標煤），t/t；

Ph——節能技改項目實施后項目范圍內產品產量，t。

由上式計算可知，該項目實施后年節能量為8022 t標準煤。

4.2 溫室氣體減排量計算

依據國家發改委發布的《省級溫室氣體清單編制指南》，該項目溫室氣體減排量計算公式如下：

式中：

MCO2——二氧化碳減排量，t；

ADi——消耗的氣體燃料體積（1 atm，0 ℃），m3；

44——CO2的摩爾質量，g/mol；

22.4——標準狀況下的氣體摩爾體積，l/mol；

Ci——燃氣碳含量，%（摩爾分數）；

0.99——碳元素氧化率。

由上式計算可知，該項目每年溫室氣體減排量為22 133 t。

5 結論

通過增設余熱回收裝置，利用透平發電機產生的高溫煙氣加熱熱介質油，既可以滿足油田熱量需求，又可減少余熱資源的浪費，年節能量8022 t標準煤，同時減排溫室氣體22 133 t，具有顯著的節能減排效果。

[1]連紅奎,李艷.我國工業余熱回收利用技術綜述[J].節能技術,2011,29(2):123-128.

[2]楊存章.推廣應用煙氣余熱利用技術降低蒸汽鍋爐排煙熱損失[J].油田節能,2005,16(1):42-43.

[3]高春陽.天然氣供熱鍋爐排煙余熱回收的經濟性研究(碩士學位論文)[D].西安:西安交通大學,2003.