海上平臺煙氣余熱利用分析與工藝優(yōu)化

張雨 賀相軍

作者簡介：張雨（1993-），工程師，從事海洋石油平臺設計和建造工作，zy165416@163.com。

引用本文：張雨，賀相軍.海上平臺煙氣余熱利用分析與工藝優(yōu)化[J].化工機械，2024，51（3）：470-476.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403020

摘 要 依托南海某在建鉆采平臺，從工藝原理、工藝流程、有機工質的選擇、安全性、能源節(jié)約及降低二氧化碳排放等方面進行分析，論證有機朗肯循環(huán)（Organic Rankine Cycle，ORC）技術在海上平臺應用的可行性。根據能量梯級利用原則，設計一套優(yōu)化的煙氣-導熱油-熱用戶系統(tǒng)，利用透平廢熱實現(xiàn)ORC發(fā)電、生產系統(tǒng)加熱及溴化鋰制冷的熱電冷聯(lián)產系統(tǒng)。

關鍵詞 海洋平臺 有機朗肯循環(huán) 余熱回收 有機工質 能量梯級利用

中圖分類號 TE53?? 文獻標志碼 A?? 文章編號 0254?6094（2024）03?0470?07

Analysis and Optimization of Flue Gas Waste Heat

Utilization on Offshore Platform

ZHANG Yu， HE Xiang?jun

（Offshore Oil Engineering Co.， Ltd.）

Abstract?? Basing on a drilling platform under construction in the South China Sea， the feasibility of applying Rganic Rankine Cycle （ORC） technology in the offshore platform was discussed from the process principle， process flow， organic working medium selection， safety， energy saving and reduction of carbon dioxide emission. According to the principle of energy cascade utilization， a set of optimized flue gas?heat transfer oil?heat user system was designed to establish a turbine waste heat?based cogeneration system which boasting of ORC power generation， production system heating and lithium bromide refrigeration.

Key words??? offshore platform， ORC， waste heat recovery， organic working medium， energy cascade utilization

以海洋平臺為代表的離岸能量系統(tǒng)通常使用燃氣輪機作為供電設備，天然氣在燃氣透平電站燃燒后得到高溫煙氣，其能量只有30%被用于發(fā)電，剩余的70%能量隨透平煙氣排放，形成中高溫（200～600 ℃）余熱資源[1，2]，具有排放量大、持續(xù)穩(wěn)定、利用價值高的特點，對其有效且低成本地利用是降低能耗、提高能效、削減溫室效應的重要手段[3，4]。

對于高溫余熱，通常通過換熱裝置轉化為供熱裝置的熱源，但國內海上平臺余熱回收過程中煙氣利用方式[火][用]損失較大，僅用于加熱生產水和原油，排煙溫度較高，生產過程中產生的大量廢熱未被充分、有效回收利用就直接排放至環(huán)境中。余熱發(fā)電技術有助于減少化石能源消耗、緩解大氣污染物排放，在工業(yè)余熱和新型能源的開發(fā)利用中具有廣闊的應用前景[5]。有機朗肯循環(huán)技術是基于傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)，通過沸點更低的有機介質替代水蒸氣作為動力源，將中低品位熱能高效轉化為電能的動力循環(huán)技術。ORC系統(tǒng)具有輔助系統(tǒng)少、結構簡單、運行穩(wěn)定性高、熱回收率高、經濟性高、系統(tǒng)體積小、無需燃料、無溫室氣體排放、工作壓力合適、維護要求低及可適用熱源溫度范圍廣等優(yōu)點[6，7]，通常被認為是最有效、環(huán)保的余熱回收方法之一。我國對ORC發(fā)電技術的市場需求量較大，ORC系統(tǒng)在小型發(fā)電站中的應用日益增多，但目前國內ORC系統(tǒng)設備生產廠家稀缺，且在海洋石油行業(yè)余熱發(fā)電領域的應用性研究基本屬于空白。

筆者依托南海某項目，該項目在建鉆采平臺透平電站滿負荷運行時的排煙溫度為506 ℃（冬季）～532 ℃（夏季），余熱溫度較高，可以回收利用。若直接利用，不可避免地會造成較大的[火][用]損失，難以達到能源梯級利用的原則[8，9]。本項目通過ORC技術回收海上平臺燃氣透平產生的廢熱發(fā)電，結合供熱端主電站逐年運行工況和冷卻端海水溫度變化情況，針對海上平臺的生產工藝特點和煙氣余熱利用現(xiàn)狀，在充分考慮基于熱源品位概念的能量梯級利用原則上，對ORC發(fā)電系統(tǒng)結合溴化鋰吸收式制冷技術在海上平臺應用方案進行優(yōu)化，從安全性、經濟效益及減排效益等方面出發(fā)，對ORC發(fā)電技術和預熱制冷技術應用于海上平臺的可行性及市場前景進行探討。

1 項目簡介

南海某油田新建一座帶7 000 m模塊鉆機、油氣處理、生產水處理、天然氣脫水、注氣設施和120人生活樓的八腿鉆采平臺。該新建平臺利舊2臺11.5 MV透平電站，新鋪設1條海底電纜，并將該平臺電站接入現(xiàn)有油田電網，實現(xiàn)區(qū)域電力組網，組網后與本海域其他平臺電站互聯(lián)互通，供電能力提升至39 MW，區(qū)域管網路由完善，保障平臺電站機組有充足燃料氣。新建平臺配置兩套余熱回收裝置用于滿足工藝流程熱負荷需求，平臺工藝流程熱負荷為11 MW，主電站余熱未能被有效利用。

2 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)

2.1 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)構成及技術特點

如圖1所示為ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)，主要由蒸發(fā)器、膨脹機、水冷冷凝器和工質泵4個部件構成，可分為煙氣余熱回收系統(tǒng)、導熱油-有機工質熱交換系統(tǒng)和有機工質發(fā)電系統(tǒng)。考慮到氣側熱阻、穩(wěn)定性、海上平臺工藝需求和避免煙氣與烴類有機物直接換熱高溫下發(fā)生熱裂解等因素，本項目ORC系統(tǒng)不采用煙氣直接和有機工質進行換熱，而是基于能量置換技術將燃氣透平產生的高溫煙氣的熱能高效傳遞給熱性能更為穩(wěn)定的導熱油系統(tǒng)。通過導熱油作為換熱介質，一方面可充分利用導熱油的熱穩(wěn)定性、良好導熱性、不易耗散性等特點提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另一方面降低供熱端的最高溫度增加了有機工質的可選擇性。

煙氣余熱回收系統(tǒng)：余熱回收裝置回收燃氣輪機產生的高溫余熱（532 ℃），并將其轉化為中間傳熱介質——導熱油的熱量，高溫導熱油（310 ℃）進入ORC發(fā)電系統(tǒng)預熱器、蒸發(fā)器、過熱器加熱有機工質，釋放完熱量低溫導熱油（160 ℃）返回余熱回收裝置循環(huán)加熱，工藝流程如圖2所示。

導熱油-有機工質熱交換系統(tǒng)：由若干管殼式換熱器構成，將中間傳熱介質導熱油攜帶的熱量傳遞給有機工質，即有機工質在蒸發(fā)器內經歷等壓吸熱過程，從低溫液態(tài)轉變?yōu)楦邷馗邏赫魵狻?/p>

有機工質發(fā)電系統(tǒng)：在導熱油-環(huán)戊烷蒸發(fā)器中吸熱后的高品質有機工質蒸氣進入膨脹發(fā)電機做功，同時帶動發(fā)電機組發(fā)電，將熱能轉化為高品位電能，做功后的有機工質乏汽經回熱器后，進入冷凝器完成恒壓放熱，冷卻水帶走其冷卻熱量，冷凝后的液態(tài)有機工質經工質泵絕熱壓縮增壓到過冷狀態(tài)，返回到蒸發(fā)器重新開始新的循環(huán)[10]。考慮到冷源溫度越低，熱源溫度越高，余熱利用率越高，發(fā)電量越大[6]，因此新建平臺配置閉式循環(huán)系統(tǒng)采用淡水進行冷卻有機工質，淡水進口溫度為28 ℃，出口溫度為38 ℃。

2.2 設備設計

膨脹透平為ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)最核心的設備，綜合該項目膨脹機規(guī)格需求，選用透平膨脹發(fā)電機組。本項目ORC膨脹透平發(fā)電機組具有高膨脹比、高溫進機、環(huán)戊烷工質特性及海上平臺首次應用等特點。

換熱器為ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)占地面積最大的設備，包括預熱器、蒸發(fā)器（過冷）、冷凝器和回熱器。具有高溫位、低壓降、存在相變等特點。與管殼式換熱器相比，板式換熱器結構緊湊，換熱系數(shù)高。綜合該項目換熱器特點和海上平臺緊湊式換熱器使用經驗，推薦預熱器采用管板式，蒸發(fā)器、冷凝器和回熱器采用管殼式。

為滿足ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)用熱溫位需求，因此采用高溫位導熱油，導熱油溫度為160～310 ℃，同時盡可能回收煙氣熱量（廢熱出口煙氣溫度為190 ℃），此外，為減少占地面積，采用立式余熱回收裝置。

2.3 熱源情況

ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)利用的熱源來自該新建平臺2臺11.5 MW燃氣透平發(fā)電機組煙氣余熱。透平電站的煙氣溫度在冬季時為506 ℃，滿負荷運行的煙氣量約為181 136 kg/h;透平電站的煙氣溫度在夏季時為532 ℃，滿負荷運行的煙氣量約為163 673 kg/h。

用熱端不同用戶所需熱量：根據井口參數(shù)和工藝流程方案統(tǒng)計得出主系統(tǒng)需要用到的熱負荷工況，熱、油兩個主要熱用戶需要的最大熱負荷為11.142 MW;吸收式（溴化鋰）制冷系統(tǒng)最大熱負荷需求約62 kW，ORC發(fā)電系統(tǒng)熱負荷約為20 MW，裝機功率5 MW。

2.4 工質選擇

工質是實現(xiàn)能量傳遞與轉換的物質載體，也是構建循環(huán)系統(tǒng)的基礎[7]，工質的選擇在循環(huán)系統(tǒng)的設計中至關重要，選擇合適的工質能夠有效提高系統(tǒng)的發(fā)電量、穩(wěn)定性和廢熱利用效率[11，12]。ORC工質需具備以下特性：在相同蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下，絕熱焓降大;較高的動力循環(huán)效率、良好的傳熱性能、換熱系數(shù)大;工質臨界參數(shù)、常壓下沸點等熱物理性質適宜;良好的化學穩(wěn)定性和材料相容性;干工質或等熵工質;ODP（消耗臭氧層潛值）值為零、GWP（全球變暖潛能值）值低（小于150）;潛熱低、臭氧安全[1，13～15]。

目前已有大量研究對不同工質的性能進行對比，在ORC中較常用的包括氫氟烴類、碳氫類、硅氧烷類、氟代醚類和氫氟（氯）烯等純工質[14]。在常用烴類有機物中，環(huán)戊烷具有較高的臨界溫度和臨界壓力，換熱溫度區(qū)間較大，換熱效率較高，是使用純工質時綜合性能評分較高的有機介質，且其GWP和ODP值較低，對環(huán)境污染較小[14]。此外，國外對于透平和初溫在400～600 ℃熱源溫度范圍內均選擇環(huán)戊烷[16]，幾種常見有機工質的熱力參數(shù)見表1。

3 安全設計

在中高溫熱源條件下，有機工質由于熱穩(wěn)定性不佳，在較高溫度下發(fā)生熱分解會影響系統(tǒng)的正常運行。生成的不凝性氣體會提高冷凝壓力，降低系統(tǒng)輸出功，固態(tài)物質會附著在部件表面影響換熱效果，堵塞管路，與系統(tǒng)材料發(fā)生腐蝕作用，部分熱解產物可能具有毒性，引發(fā)安全問題，此外，原工質與產物形成的混合物也會導致系統(tǒng)運行參數(shù)、性能偏離設定值。而循環(huán)上限溫度取值過低則會影響膨脹溫度、蒸發(fā)溫度的充分優(yōu)化，限制系統(tǒng)性能[12，16]。環(huán)戊烷的最大允許分解速率為4.0×10-9 s-1，300 ℃時分解速率為7.9×10-8 s-1[16]，環(huán)戊烷的安全使用溫度為250～275 ℃[17，18]。

環(huán)戊烷作為易燃易爆的危險化學品，泄漏導致的蒸汽云爆炸事故影響范圍較廣且破壞性嚴重，每年國內外化工行業(yè)因環(huán)戊烷泄漏引起的事故頻發(fā)，對環(huán)境和人員造成的影響十分惡劣[19]。考慮到海上平臺與陸地項目相比空間受限，可能對平臺工作人員造成更為嚴重的傷害。結合環(huán)戊烷工質特性，為保障海上平臺首臺套ORC發(fā)電系統(tǒng)的安全可靠運行，開展了ORC發(fā)電系統(tǒng)的本質安全設計研究：

a. 采用機械密封方式減少系統(tǒng)工質泄漏量，防止海上平臺工質頻繁加注風險;

b. 采用高效緊湊式換熱器設備減少系統(tǒng)環(huán)戊烷工質填充量，減少工質泄漏風險;

c. 撬內設備按照防爆要求，同時在平臺已有消防系統(tǒng)基礎上，設置惰性氣體滅火系統(tǒng)并與可燃氣體探測系統(tǒng)連鎖;系統(tǒng)布置在上層甲板開敞區(qū)域且遠離平臺生活樓，同時系統(tǒng)配置盡量采用焊接型式，減少法蘭連接;

d. 置紅外等可燃氣體探頭監(jiān)測及火災自動報警系統(tǒng);

e. 在ORC機組內部設置火焰和可燃氣探測設備，對機組撬內火災和環(huán)戊烷泄漏進行實時探測，并根據預設邏輯，觸發(fā)機組關斷及啟動消防。

4 ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化方案

4.1 符合能量梯級利用原則的ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)

新建平臺利舊渤海岸電2臺11.5 MW級透平機組，設置2臺5 MW余熱鍋爐為主工藝設施的熱用戶（2臺3 MW生產加熱器）及ORC裝置供熱，其中，2臺11.5 MW燃氣透平發(fā)電機組煙氣余熱采用ORC余熱發(fā)電技術后，系統(tǒng)可發(fā)電量約5 MW。

原方案只將部分廢熱轉化為電能，大部分熱量以冷凝熱的形式耗散到環(huán)境中，能源利用效率較低。為了充分利用低溫煙氣余熱、實現(xiàn)能量梯級綜合利用，對ORC余熱發(fā)電系統(tǒng)進一步優(yōu)化，按供熱、供電系統(tǒng)消耗的熱量和熱能品質分配總熱耗量。此外，考慮到溴化鋰吸收式制冷在余熱制冷方面是節(jié)能和經濟效益較好的一種余熱制冷技術[20]，在生活樓增加溴化鋰空調系統(tǒng)。將燃氣輪機煙氣溫度高低和用熱需求分為三級，第1級為煙油換熱器，燃氣輪機透平產生532 ℃的高溫煙氣首先由余熱回收裝置回收，燃氣透平尾氣余熱加熱導熱油，310～215.4 ℃的導熱油熱量供海上平臺工藝熱用戶（例如，加熱原油、加熱燃料氣、海水淡化等）使用;第2級導熱油供ORC機組發(fā)電系統(tǒng)使用，溫度降到162.4 ℃;第3級為將導熱油通入溴化鋰機組的發(fā)生器，為溴化鋰機組提供熱源，使用后導熱油溫度降到158 ℃，工藝流程如圖3所示。

假設整個系統(tǒng)運行過程是穩(wěn)態(tài)過程，并忽略動能和勢能變化以及除測定點外的其他損失，工藝系統(tǒng)所需熱負荷Qtec約為11.2 MW，熱源釋放的熱量Q為：

Q=m·（h-h）=mCdT=Cm（T-T）

式中 C——導熱油的比熱容，2.611 kJ/（kg·℃），

考慮到熱損失，效率取90%;

h、h——導熱油在換熱器中進、出口的比焓;

m——導熱油的質量流量，360 m3/h。

其中，3臺熱介質循環(huán)泵，同時使用兩臺，一臺備用，單臺泵的流量為180 m3/h。

由能量守恒定律可知：

Qtec=Q

導熱油在工藝熱用戶的出口溫度T=257 ℃。

ORC發(fā)電系統(tǒng)所需熱負荷QORC約為20 MW，導熱油供ORC發(fā)電系統(tǒng)使用的熱量Q為：

Q=m·（h-h）=mCdT=Cm（T-T）

其中，h和h分別為導熱油在蒸發(fā)器中進、出口的比焓，由能量守恒定律可知：

QORC=Q

導熱油在ORC發(fā)電系統(tǒng)的出口溫度T=162.4 ℃。

導熱油供溴化鋰系統(tǒng)使用的熱量Q為：

Q=m·（h-h）=mCdT=Cm（T-T）

溴化鋰系統(tǒng)所需熱負荷Q約為770 kW，由能量守恒定律可知：

Q=Q

導熱油在溴化鋰系統(tǒng)的出口溫度為T=158.7 ℃。

4.2 經濟效益和減排效益評估

對優(yōu)化后的方案進行經濟性評估，基于品位對口、高能高用、低能低用的能量梯級利用原理，通過工藝熱用戶、ORC發(fā)電系統(tǒng)和溴化鋰空調系統(tǒng)逐級對煙氣進行利用，可將排煙溫度降至110 ℃左右（表2）。考慮到燃氣透平電站運行狀況等方面的限制，選取90%負荷下主機的運行情況。

5 結論

5.1 該項目采用主電站煙氣余熱ORC發(fā)電技術，通過主電站能效提升，年節(jié)省天然氣消耗約2 800萬方，年均節(jié)省費用約2 800萬元，約3年可實現(xiàn)投資回收。經濟年限內節(jié)省燃料費用折現(xiàn)約1.96億元，同時年減排二氧化碳約48 000 t，項目能效水平提升顯著，經濟性明顯。在節(jié)省區(qū)域天然氣消耗的同時有效減少二氧化碳的排放，實現(xiàn)海洋平臺的綠色低碳經濟開發(fā)。

5.2 基于能量梯級利用設計的優(yōu)化系統(tǒng)，熱量首先供海上平臺工藝熱用戶使用，再通過ORC機組利用高溫導熱油的中高品位熱能進行發(fā)電，之后導熱油的低品位熱源供溴化鋰空調系統(tǒng)使用，符合“溫度對口，梯級利用”的科學用能原則，煙氣余熱回收更徹底，最終煙氣排放溫度接近100 ℃，大幅提高系統(tǒng)的熱力學特性和機組的經濟性能，有效提高能源利用率。

5.3 優(yōu)化后系統(tǒng)的循環(huán)溫度取值滿足通過導熱油串聯(lián)的各熱用戶的對應工質最佳使用溫度，使得系統(tǒng)的熱經濟性能最優(yōu)。

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（收稿日期：2023-06-23，修回日期：2024-05-16）