余熱制冷技術(shù)在海上平臺(tái)節(jié)能應(yīng)用的新思路

白云 李暉 王方正（中海油研究總院）

海上油氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的能源利用率大約在20%～30%，相較陸上項(xiàng)目普遍偏低，究其原因是由于平臺(tái)空間有限、重量控制嚴(yán)格，海上平臺(tái)發(fā)電機(jī)組效率和余熱資源的利用還處于相對(duì)較低的水平。海上設(shè)施大多安裝發(fā)電機(jī)組，為本平臺(tái)和周邊依托平臺(tái)提供電力，燃料消耗來(lái)自于自產(chǎn)油氣，其能源消耗占海上生產(chǎn)設(shè)施綜合能源消耗的比重很大，屬于主要耗能設(shè)備。從項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，海上設(shè)施采取發(fā)電機(jī)組余熱回收項(xiàng)目的整體能源利用率比未采用余熱回收的項(xiàng)目高10%～15%左右。目前，加強(qiáng)海上平臺(tái)大型電站煙氣余熱利用是直接提高開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的能源利用率和經(jīng)濟(jì)效益的最有效方式。

1 海上油氣田開(kāi)發(fā)余熱資源利用途徑

海上油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目和氣田項(xiàng)目相比，油田的用熱負(fù)荷要遠(yuǎn)高于氣田的用熱負(fù)荷，氣田的煙氣廢熱（特別是氣田后期的地層壓力衰減后啟動(dòng)濕氣壓縮機(jī)保產(chǎn)階段）要高于油田。海上油氣生產(chǎn)裝置（含陸地終端）可利用的主要余熱資源有：燃?xì)馔钙礁邷責(zé)煔鈴U熱；燃?xì)狻⑷加屯鶑?fù)式發(fā)動(dòng)機(jī)煙氣廢熱；熱介質(zhì)爐、加熱爐、蒸汽或熱水鍋爐等低溫?zé)煔鈴U熱；高溫生產(chǎn)水以及主機(jī)缸套水廢熱等。同時(shí)，海上平臺(tái)存在眾多用熱及用冷環(huán)節(jié)，例如：油氣處理、輸送與儲(chǔ)存工藝的保溫，海水低溫閃蒸制淡，工藝、生活空調(diào)等。目前，海上開(kāi)發(fā)項(xiàng)目余熱回收后的主要用途分為4類：

1）替代各類熱站（含蒸汽熱水鍋爐、熱介質(zhì)爐、加熱爐等），例如，海上平臺(tái)將透平發(fā)電機(jī)排煙引入余熱鍋爐加熱盤管中的導(dǎo)熱油從而替代熱站。

2）替代電驅(qū)壓縮機(jī)制冷和電加熱空調(diào)的余熱驅(qū)動(dòng)溴化鋰吸收式制冷、制熱空調(diào)。

3）替代電加熱生活熱水系統(tǒng)。

4）余熱驅(qū)動(dòng)的蒸發(fā)式海水淡化裝置等[1]。

2 海上氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)裝置冷量需求

在海上油氣開(kāi)發(fā)過(guò)程中，自帶燃?xì)馔钙诫娬净蛘咴桶l(fā)電機(jī)組的中心處理平臺(tái)存在大量的高溫?zé)煔庥酂幔細(xì)馔钙诫娬九艧煖囟雀哌_(dá)400℃，余熱利用潛力很大。不同于油田開(kāi)發(fā)加工需要大量熱源用于工藝流程，氣平臺(tái)的熱用戶很少，在負(fù)荷小的情況下一般不對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)排氣進(jìn)行余熱回收，直接采用電加熱器更為靈活、便利，所以對(duì)于氣田來(lái)說(shuō)，因?yàn)榇罅坑酂豳Y源沒(méi)有合理利用，項(xiàng)目能源利用率往往偏低。

海上油氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中央空調(diào)系統(tǒng)需要冷量的提供，海上平臺(tái)的生活區(qū)和生產(chǎn)區(qū)工作間是在封閉的室內(nèi)。空調(diào)設(shè)備為這些區(qū)域的工作人員提供舒適的工作生活環(huán)境，同時(shí)保障封閉室內(nèi)的設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境。以往多是采用電驅(qū)動(dòng)壓縮式制冷裝置來(lái)提供這些冷量，冷量的獲得通常需要消耗很多能量。考慮利用平臺(tái)余熱服務(wù)冷用戶，回收余熱同時(shí)減少能源消耗。以溴化鋰吸收式技術(shù)為基礎(chǔ)的制冷機(jī)組由熱能驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)熱能可以是蒸汽、熱水、直接燃燒燃料(燃?xì)狻⑷加?產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣蛲獠垦b置排放的余熱煙氣、余熱熱水，制取5℃以上冷水用于滿足各工藝用冷及舒適性空調(diào)，有效回收利用低溫?zé)崮埽诤Ｉ掀脚_(tái)余熱節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用[2-3]。

中海油與康菲石油共同開(kāi)發(fā)的西江某平臺(tái)利用90℃左右含油污水作為熱源，驅(qū)動(dòng)溴化鋰空調(diào)機(jī)組，用于機(jī)房及生活樓供冷，是迄今國(guó)內(nèi)第一家在海上平臺(tái)應(yīng)用吸收式制冷機(jī)的項(xiàng)目。此外，位于南海西部海域某氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目采用回收透平發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的450℃左右高溫?zé)煔庾鳛殇寤囄帐街评錂C(jī)的驅(qū)動(dòng)熱源，為平臺(tái)生活樓提供冷源。從經(jīng)濟(jì)效益上看，生活樓供冷耗電量占平臺(tái)電耗比例很小，且受使用時(shí)間的限制，考慮到安裝溴化鋰制冷系統(tǒng)帶來(lái)的一系列改造，包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)以及管線上的改造，溴化鋰制冷技術(shù)的應(yīng)用雖然減少了燃?xì)庀募皽厥覛怏w排放，但節(jié)能效果有限，需要結(jié)合投資回收期綜合考慮。結(jié)合海上氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目能源實(shí)際需求，在充分考慮技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理基礎(chǔ)上，余熱制冷需要拓展新的思路，挖掘節(jié)能潛力。

3 余熱制冷在烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)改造中的應(yīng)用

南海某高凝析氣田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目擬新建3座平臺(tái)，包括1座中心平臺(tái)和2座井口平臺(tái)，中心平臺(tái)設(shè)有氣液分離系統(tǒng)、濕氣壓縮系統(tǒng)、凝析油處理系統(tǒng)、TEG脫水系統(tǒng)、烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)、干氣壓縮系統(tǒng)、公用系統(tǒng)等。中心平臺(tái)接收并處理本平臺(tái)和周邊井口平臺(tái)物流，經(jīng)處理后合格干氣經(jīng)外輸氣壓縮系統(tǒng)增壓后通過(guò)海底管道外輸送往陸上終端外銷。

對(duì)天然氣輸配系統(tǒng)的操作而言，烴露點(diǎn)是一項(xiàng)重要指標(biāo)。因?yàn)橐簾N在管道內(nèi)冷凝并積聚后會(huì)產(chǎn)生兩相流而影響計(jì)量的準(zhǔn)確性，加大管道阻力，造成生產(chǎn)操作方面的安全隱患。此外，天然氣夾帶的液烴也會(huì)影響燃?xì)馔钙降牟僮鳎瑢?duì)壓縮機(jī)組的運(yùn)行造成不良影響。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 17820—2012《天然氣》以及GB 50251—2015《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定，在天然氣交接點(diǎn)的壓力和溫度條件下，天然氣中應(yīng)不存在液態(tài)烴[4]。因此，天然氣處理環(huán)節(jié)設(shè)有烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)，除去天然氣中的重?zé)N組分，以保證銷售氣烴露點(diǎn)滿足質(zhì)量指標(biāo)要求。

工藝外輸天然氣烴露點(diǎn)控制常規(guī)做法是通過(guò)JT閥對(duì)天然氣進(jìn)行節(jié)流降溫，原理是通過(guò)氣流產(chǎn)生焦耳-湯姆遜效應(yīng)，節(jié)流降壓來(lái)實(shí)現(xiàn)降溫[5]，該項(xiàng)目采用常規(guī)J-T閥方案，具體流程見(jiàn)圖1。TEG系統(tǒng)脫水處理后的干氣分為兩股，分別經(jīng)干氣/低溫氣換熱器和干氣/低溫液換熱器換熱后匯合，經(jīng)J-T閥節(jié)流降溫后進(jìn)入低溫分離器氣液分離脫除重?zé)N，脫烴后的低溫合格氣先后與脫水后的干氣和脫水前的濕氣換熱升溫，進(jìn)入外輸干氣增壓系統(tǒng)，分離的重?zé)N與脫水后的干氣換熱升溫后進(jìn)入凝析油閃蒸罐。具體流程工藝參數(shù)如表1所示。根據(jù)HYSYS模擬結(jié)果，天然氣壓力將從節(jié)流前的7.3MPa降至5.3MPa。為滿足海底管道外輸壓力，而后又通過(guò)壓縮機(jī)增壓到15.1 MPa外輸。相對(duì)而言，J-T閥節(jié)流降壓，導(dǎo)致后續(xù)干氣壓縮機(jī)需要出力更多才能將干氣增壓至外輸要求壓力，這就增加了壓縮機(jī)的功耗，帶來(lái)能量的浪費(fèi)。

圖1 中心平臺(tái)天然氣脫水/烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)流程

表1 J-T閥節(jié)流制冷主要節(jié)點(diǎn)模擬參數(shù)

該中心平臺(tái)作為區(qū)域電力供應(yīng)中心，平臺(tái)電站包括3臺(tái)26 MW（兩用一備）燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組，為本平臺(tái)動(dòng)力設(shè)施和低壓用電設(shè)備提供電力。項(xiàng)目為氣田開(kāi)發(fā)且地處南海，工藝和公用設(shè)施熱負(fù)荷較少，未設(shè)余熱回收裝置。燃?xì)馔钙诫娬九艧煖囟雀哌_(dá)400℃，大量高溫?zé)煔庵苯优欧诺酱髿庵校瑳](méi)有得到合理應(yīng)用。項(xiàng)目開(kāi)發(fā)階段考慮采用溴化鋰制冷機(jī)組利用燃機(jī)排煙余熱驅(qū)動(dòng)，在傳統(tǒng)降壓流程采用的J-T閥前端加裝溴化鋰制冷機(jī)組，利用溴化鋰制冷方案提供的冷量代替部分J-T閥的功能預(yù)先對(duì)天然氣進(jìn)行降溫，可減少J-T閥節(jié)流過(guò)程壓降而引起的能量損失，從而節(jié)省天然氣消耗。表2為溴化鋰制冷機(jī)組參數(shù)，圖2為溴化鋰制冷技術(shù)用于烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)改造流程。

表2 溴化鋰制冷機(jī)組參數(shù)

該改造方案如下：經(jīng)過(guò)三甘醇脫水系統(tǒng)處理后32℃的干氣通過(guò)與溴化鋰制冷機(jī)蒸發(fā)器制取的冷水換熱，降溫至12℃；此時(shí)干氣分為兩股，分別經(jīng)干氣/低溫氣換熱器和干氣/低溫液換熱器換熱后匯合，匯合后的干氣經(jīng)J-T閥節(jié)流降溫后進(jìn)入低溫分離器進(jìn)行氣液分離脫除重?zé)N，脫烴后合格氣先后與脫水后的干氣和脫水前的濕氣換熱升溫，進(jìn)入外輸干氣增壓系統(tǒng)，分離的重?zé)N與脫水后的干氣換熱升溫后進(jìn)入凝析油閃蒸罐。具體工藝流程主要節(jié)點(diǎn)參數(shù)見(jiàn)表3。

圖2 溴化鋰制冷技術(shù)用于烴露點(diǎn)控制系統(tǒng)改造流程

表3 溴化鋰制冷改造主要節(jié)點(diǎn)模擬參數(shù)

根據(jù)HYSYS模擬結(jié)果顯示，由于溴化鋰制冷機(jī)提供部分冷量對(duì)干氣進(jìn)行了預(yù)冷卻，-5℃的干氣從節(jié)流前的7270 kPa降至-7℃的干氣壓力為6715 kPa，即可析出液烴，滿足天然氣外輸烴露點(diǎn)的要求。6.5 MPa的干氣通過(guò)壓縮機(jī)增壓到15.1 MPa外輸，此時(shí)壓縮功率大約為16.2 MW。通過(guò)比較得出，使用溴化鋰制冷后再使用J-T閥節(jié)流降溫，相較全部使用J-T閥節(jié)流可使干氣壓縮機(jī)減少壓降約1.5 MPa，壓縮機(jī)功率減少了5.6 MW。改造前后節(jié)能效果對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 改造前后節(jié)能效果對(duì)比

4 結(jié)論

針對(duì)南海某項(xiàng)目天然氣烴露點(diǎn)控制環(huán)節(jié)擬采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)，充分利用透平余熱，替代部分J-T閥作用對(duì)天然氣降溫冷卻方案進(jìn)行了節(jié)能潛力分析。該方案解決了常規(guī)采用J-T閥對(duì)天然氣進(jìn)行節(jié)流過(guò)程引起的能量損失，降低了燃料消耗及溫室氣體排放，環(huán)境效益良好；同時(shí)，解決了目前海上平臺(tái)溴化鋰制冷途徑單一化、經(jīng)濟(jì)效果不佳等問(wèn)題，為余熱制冷在海上平臺(tái)利用途徑提供了新思路。

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