立式廢熱回收裝置在海上平臺(tái)上的選型設(shè)計(jì)淺析

王美波

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

立式廢熱回收裝置在海上平臺(tái)上的選型設(shè)計(jì)淺析

王美波

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

摘 要：來自透平的尾氣含有大量的熱量，通過余熱回收裝置，可以將導(dǎo)熱油加熱，尾氣溫度降低，進(jìn)而將導(dǎo)熱油作為熱源供給換熱器等熱用戶。通過對(duì)機(jī)組可有效利用的余熱功率進(jìn)行估算，結(jié)合平臺(tái)空間布置，對(duì)廢熱回收裝置進(jìn)行選型分析，并對(duì)整個(gè)排氣系統(tǒng)進(jìn)行背壓校核，合理規(guī)劃煙管布置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海洋平臺(tái)透平發(fā)電機(jī)組廢氣余熱的回收與利用。

關(guān)鍵詞：透平；廢熱回收裝置；選型；背壓校核；余熱回收；空間布置

燃?xì)廨啓C(jī)被廣泛應(yīng)用于海上油（氣）田工程主電站的原動(dòng)機(jī)。在設(shè)備運(yùn)行過程中，其排氣量通常為燃料燃燒所需空氣量的4～5倍，排氣溫度在450～550 ℃之間，屬于量大、中溫性能的余熱源，若直接通過排煙系統(tǒng)排放到大氣中，實(shí)則是對(duì)熱源的一種浪費(fèi)，也不符合節(jié)能減排的要求，若在其排氣系統(tǒng)中設(shè)置廢熱回收裝置，其裝置效率可有較大幅度的提高[1-3]。本文以海上某A平臺(tái)增加主電站改造工程為背景，從廢熱鍋爐功率估算，設(shè)備空間布局，排氣系統(tǒng)背壓校核，到煙管布置方案的確定，逐步設(shè)計(jì)，將立式廢熱回收裝置成功應(yīng)用于透平廢熱熱能的回收與利用系統(tǒng)當(dāng)中。

1　廢熱回收裝置選型分析

1.1燃?xì)馔钙綇U熱回收裝置流程圖

廢熱回收爐就是利用燃?xì)馔钙脚懦龅母邷責(zé)煔鈱?duì)熱介質(zhì)進(jìn)行加熱的一套系統(tǒng)，爐子本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要由換熱盤管和一些附屬管線組成。如圖1所示。燃?xì)馔钙脚懦龅母邷責(zé)煔馔ㄟ^煙氣分流閥進(jìn)入熱介質(zhì)爐，在爐內(nèi)加熱熱介質(zhì)，冷卻后的煙氣被排入大氣，通過分流閥分流出的多余煙氣，經(jīng)旁路煙道排入大氣。系統(tǒng)內(nèi)的熱介質(zhì)經(jīng)循環(huán)泵加壓后進(jìn)入廢熱回收爐加熱，加熱后的熱介質(zhì)被輸送到系統(tǒng)中的換熱器等熱用戶，通過熱用戶后的熱介質(zhì)返回循環(huán)泵加壓，然后再次加熱循環(huán)。熱介質(zhì)的主回路通過膨脹管線和膨脹罐相連，以吸收系統(tǒng)內(nèi)熱介質(zhì)由于溫度變化而產(chǎn)生的膨脹量和負(fù)荷變化時(shí)系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的壓力波動(dòng)。膨脹罐內(nèi)加有一定壓力的氮?dú)?，一方面維持系統(tǒng)內(nèi)的靜壓，另一方面作為密封氣，隔離高溫?zé)峤橘|(zhì)和空氣接觸，防止熱介質(zhì)氧化。另外系統(tǒng)還設(shè)有一熱介質(zhì)排放罐和熱介質(zhì)補(bǔ)充泵以補(bǔ)充系統(tǒng)內(nèi)熱介質(zhì)的消耗及更換系統(tǒng)內(nèi)的熱介質(zhì)。

圖1　廢熱回收裝置（WHRU）流程圖

1.2余熱功率估算[4-5]

透平機(jī)煙氣可用余熱量，可參考下式進(jìn)行估算：

式中：Qr— 煙氣可利用的熱功率，kW；

Gr— 煙氣的質(zhì)量流量，kg/h；

Gp— 在t2和t1溫度范圍內(nèi)，煙氣溫度等壓比熱，單位為kJ/（kg·K）；

t2、t1— 煙氣余熱利用設(shè)備進(jìn)、出口的煙氣溫度，℃；

α — 煙氣經(jīng)煙道旁通擋板泄漏率（一般2%～5%），導(dǎo)致煙氣可利用的熱功率系數(shù)為0.95～0.98；

3 600 — 能比系數(shù)。

本文根據(jù)A平臺(tái)透平機(jī)組（Taurus 60）廠家提供的煙氣相關(guān)參數(shù)，分別在冬季、夏季兩種不同工況下，對(duì)機(jī)組可有效利用的余熱功率進(jìn)行估算，具體計(jì)算結(jié)果見表1和表2。

考慮當(dāng)前A平臺(tái)現(xiàn)有兩臺(tái)直燃熱介質(zhì)爐，其熱功率為3 500 kW，同時(shí)考慮Taurus 60透平機(jī)組的可回收熱量，最終選用WHRU的功率為3 500 kW。但是在透平功率較低的情況下，可以有效利用的余熱功率將小于3 500 kW，按照業(yè)主要求，平臺(tái)此次改造階段暫不考慮增加補(bǔ)燃裝置。改造過程中，保留現(xiàn)有平臺(tái)上的一臺(tái)直燃熱介質(zhì)爐作為WHRU的備用，即如果用熱負(fù)荷在上述計(jì)算范圍之內(nèi)，可由WHRU全部提供，直燃熱介質(zhì)爐作為備用；如果平臺(tái)用熱負(fù)荷超出了WHRU的范圍，不足部分由直燃熱介質(zhì)爐提供。

1.3廢熱回收裝置空間布置

當(dāng)前A平臺(tái)上層甲板可利用的空間約為6.5 m×5 m×15 m（長(zhǎng)×寬×高），考慮3 500 kW WHRU臥式安裝尺寸約為13.5 m×4.5 m×6.5 m（長(zhǎng)×寬×高），故本文選用立式安裝廢熱回收裝置，成橇尺寸6 m×4.5 m×11 m（長(zhǎng)×寬×高）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，WHRU的安裝位置距離平臺(tái)直升機(jī)甲板較近，根據(jù)CAP437《海上直升機(jī)甲板設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，在直升飛機(jī)起降的飛行區(qū)域，溫度升高的最大值不能超過2 ℃。因此，在直升飛機(jī)操作時(shí)需要避免進(jìn)入高溫?zé)煔鈪^(qū)域，同時(shí)高溫的煙氣對(duì)生活樓也會(huì)造成一定的不良影響，經(jīng)煙氣擴(kuò)散分析后得知，立式安裝的WHRU煙管需調(diào)整煙管的布局，將煙管水平引至甲板外排煙，方可降低此類危險(xiǎn)的系數(shù)，最終確定煙管布置方案如圖2云霧線部分所示。

表1　冬季工況下不同電負(fù)荷所能回收的余熱量

表2　夏季工況下不同電負(fù)荷所能回收的余熱量

1.4排氣系統(tǒng)背壓校核

透平機(jī)組的排氣背壓對(duì)其輸出功率影響很大，根據(jù)技術(shù)要求，整個(gè)排氣系統(tǒng)的背壓需控制在254 mm H2O以下。從透平排煙出口排出的煙氣經(jīng)由膨脹節(jié)，進(jìn)入廢熱爐體，后經(jīng)膨脹節(jié)進(jìn)入消音器，再經(jīng)由排煙管路引至平臺(tái)甲板外。

已知透平組排煙量Qm為83 844 kg/h，排煙溫度為502 ℃，煙氣密度ρ=0.434 kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度ν=6.8×10-5，排煙管直徑為1.3 m，直管段長(zhǎng)度20 m，彎頭2個(gè)，故煙氣流速：

式中：S — 煙管截面積。

雷諾數(shù)：

式中：Di— 煙管內(nèi)徑，mm。

根據(jù)Re，可知煙氣流動(dòng)型式為湍流，則管路的摩擦系數(shù)由下式計(jì)算：

則直管段的摩擦壓降：

式中：L — 直管段長(zhǎng)度；

λ — 管路摩擦系數(shù)。彎頭的局部阻力系數(shù)：

式中：D — 直徑；

R — 圓弧半徑。則彎頭的阻力壓降為

廢熱爐、消煙器和膨脹節(jié)的壓降，分別為：600 Pa、500 Pa和200 Pa。故排煙系統(tǒng)的總壓降為：

式中：ΔPs— 消音器壓降；

圖2　廢熱回收裝置（WHRU）煙管布置圖

ΔPe— 鍋爐本體壓力降。

透平排氣背壓最大值為2 491 Pa，可以看出，ΔP＜2 491 Pa，排煙系統(tǒng)滿足透平排氣背壓要求。

2　結(jié)論

本文通過對(duì)透平機(jī)組煙氣余熱功率進(jìn)行估算，并考慮平臺(tái)空間的限制，選定立式廢熱回收裝置對(duì)透平煙氣余熱進(jìn)行回收與利用，同時(shí)考慮了排煙對(duì)直升機(jī)起降以及平臺(tái)生活樓的影響，合理規(guī)劃煙管布局，從而達(dá)到滿足透平排氣背壓的要求。對(duì)透平機(jī)組煙氣的再利用既節(jié)約了燃料耗量，又提高了燃料的利用率，同時(shí)也減少了廢氣的排放，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

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中圖分類號(hào)：TE992

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2014.01.103

收稿日期：2013-08-07；改回日期：2013-10-02

作者簡(jiǎn)介：王美波，男，1982年生，機(jī)械工程師，從事機(jī)械設(shè)計(jì)工作。E-mail：wangmb@mail.cooec.com.cn。

文章編號(hào)：1008-2336（2014）01-0103-04

Selection Design Analysis of Vertical Waste Heat Recovery Unit on Offshore Oil Platform

WANG Meibo
（Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China）

Abstract:Turbines often produce exhaust gas at very high temperatures, which contains a large amount of heat. Using waste heat recovery unit (WHRU), the temperature of exhaust gas can be considerably reduced，thermal oil can be heated, and then used for production as a heat transfer medium for users such as heat exchangers etc. By estimating the effective waste heat power from the turbine, combined with the platform space arrangement, the selection of the WHRU is conf i rmed, also the entire exhaust system back pressure is checked, and rational planning of the exhaust duct is arranged, and the waste heat from the gas turbine is recovered and used.

Key words:gas turbine; WHRU; selection design analysis; back pressure checking; waste heat recovery; space arrangement