余熱回收裝置在海上油田的應(yīng)用

陳可營曾斌何達(dá)（中海石油（中國）有限公司湛江分公司）

余熱回收裝置在海上油田的應(yīng)用

陳可營曾斌何達(dá)（中海石油（中國）有限公司湛江分公司）

為了解決海上某中心處理平臺(tái)對(duì)原油處理過程中熱負(fù)荷需求大、空間有限的問題，在油田開發(fā)中綜合考慮到為平臺(tái)提供電力的燃?xì)馔钙降奈矚饩哂袦囟雀撸?00℃）、穩(wěn)定排放、排量大的特點(diǎn)，建立一套通過熱油循環(huán)的方法來回收利用透平高溫尾氣熱能的裝置，滿足了熱負(fù)荷需求的同時(shí)，減小了占地空間。通過對(duì)余熱回收裝置的現(xiàn)場(chǎng)使用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，顯示出其節(jié)能效果明顯，具有較強(qiáng)的應(yīng)用推廣價(jià)值。

海洋石油；余熱回收；節(jié)能減排；熱油循環(huán)；經(jīng)濟(jì)效益

某油田作為海上石油與天然氣生產(chǎn)的中心處理平臺(tái)，配置有兩套原油處理流程，分別為合營處理系統(tǒng)和自營處理系統(tǒng)。合營處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理原油60×104m3/a；自營處理系統(tǒng)一期處理量300× 104m3/a，二期處理量將達(dá)到400×104m3/a。由于整個(gè)中心平臺(tái)熱用戶多，熱量需求大，故平臺(tái)采用集中供熱的方式，通過熱油循環(huán)將熱量傳遞給各個(gè)用戶。平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)所需要的總熱負(fù)荷約為33 500 kW，供熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)按42 000 kW來考慮。同時(shí)平臺(tái)設(shè)計(jì)有3臺(tái)透平，為回收利用透平尾氣的高溫?zé)崮埽卦跓嵴局性O(shè)置了3套透平發(fā)電機(jī)余熱回收裝置，單套功率為7000 kW。同時(shí)，考慮到油田后期所需的熱負(fù)荷較大，另外配置了2臺(tái)熱介質(zhì)鍋爐，單臺(tái)功率10 000 kW，與透平發(fā)電機(jī)余熱回收裝置并網(wǎng)運(yùn)行。油田投產(chǎn)至今，余熱回收裝置為油田生產(chǎn)提供了穩(wěn)定連續(xù)的熱源。

1 海上余熱回收系統(tǒng)特點(diǎn)

由于海上平臺(tái)空間有限，余熱回收系統(tǒng)設(shè)備較多，在布局時(shí)需綜合考慮對(duì)甲板及各甲板高度差的利用。因此，在布局時(shí)選擇將余熱回收裝置、熱油膨脹罐、熱油循環(huán)泵放在上層甲板，各熱用戶布局在中層甲板，熱油回收罐放置在最底層甲板。最高點(diǎn)的膨脹罐，收集熱循環(huán)過程中的熱油膨脹余量，亦可補(bǔ)充循環(huán)過程中的熱油損耗。在最低點(diǎn)設(shè)置的熱油回收罐，可以回收熱用戶因?yàn)閴毫Ξ惓６尫诺臒嵊停部上驘嵊团蛎浌扪a(bǔ)充熱油，并且當(dāng)平臺(tái)在生產(chǎn)過程中突然掉電時(shí)，設(shè)置在系統(tǒng)中的自動(dòng)置換閥打開，熱油可以靠重力自流替換掉正在加熱的熱油，流入熱油回收罐，防止燒焦。

海上平臺(tái)需要較高的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，以保證操作的便捷性及安全性，其控制系統(tǒng)由PLC控制柜、現(xiàn)場(chǎng)儀表及三通調(diào)節(jié)閥等組成，其中控制柜是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。負(fù)荷和出口溫度調(diào)節(jié)方面，通過控制系統(tǒng)中負(fù)荷調(diào)節(jié)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)荷的自動(dòng)調(diào)節(jié)，平時(shí)不需過多操作，僅對(duì)系統(tǒng)定期巡檢維護(hù)即可維持整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。

2 余熱回收裝置在油田的應(yīng)用

2.1 工藝流程

熱油系統(tǒng)是一套密閉系統(tǒng)，熱油在獨(dú)立封閉的管路中運(yùn)行，只與熱用戶交換熱能。熱油經(jīng)過循環(huán)泵加壓，進(jìn)入余熱回收裝置內(nèi)被加熱，然后攜帶著大量的熱能，流經(jīng)各用戶（熱交換器、加熱盤管等）進(jìn)行熱能傳遞，經(jīng)過換熱后熱油匯集在一起，回到熱媒膨脹罐，重新分配到余熱回收循環(huán)泵與熱介質(zhì)鍋爐循環(huán)泵，如此反復(fù)循環(huán)，系統(tǒng)為熱用戶提供穩(wěn)定的熱源。流程見圖1。

2.2 熱介質(zhì)油選取

主要根據(jù)以下幾方面來進(jìn)行選?。壕哂辛己玫臒岱€(wěn)定性；具有良好的抗氧化穩(wěn)定性；黏度低；沸點(diǎn)、閃點(diǎn)高；流動(dòng)性好；揮發(fā)性小[1]。本油田所用熱油品牌是Castrol Perfecto HT 5，使用情況良好。

2.3 排煙溫度設(shè)定

由于目前油田用電負(fù)荷較小，僅啟用單臺(tái)透平為平臺(tái)用戶供電，經(jīng)余熱回收裝置后，透平尾氣的排放溫度由500℃降低到185℃，以400 m3/h循環(huán)熱油的溫度由140℃上升到165℃。根據(jù)煙氣入口參數(shù)和排煙溫度參數(shù)，可計(jì)算確定余熱回收裝置的供熱負(fù)荷。熱負(fù)荷計(jì)算公式[2]如下：

圖1 熱油循環(huán)系統(tǒng)流程

式中：Q為余熱回收裝置的供熱負(fù)荷，W；W為熱油的質(zhì)量流率，kg/s；Cp為平均溫度下熱油的定壓比熱，J/(kg·℃)；T4為熱油的出口溫度，℃；T3為熱油的入口溫度，℃。

由以上公式可以確定目前余熱回收裝置提供的熱負(fù)荷為5125 kW。

2.4 熱油與煙氣的壓降計(jì)算

在進(jìn)行熱工計(jì)算時(shí)，要做熱油的阻力計(jì)算，以確保循環(huán)泵的壓頭能同設(shè)計(jì)的余熱回收阻力相匹配，先計(jì)算雷諾數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)確定磨擦系數(shù)，再計(jì)算確定流體阻力[3]。目前油田啟用2臺(tái)余熱循環(huán)泵，泵入口壓力100 kPa，出口壓力550 kPa，流量400 m3/h，滿足循環(huán)壓力。

透平發(fā)電機(jī)尾氣的出口氣壓要求≤8 inH2O（1 in=25.4 mm），因此余熱回收裝置的氣體阻力要≤6 inH2O[4]。本油田余熱回收裝置滿足以上設(shè)計(jì)要求。

3 余熱回收裝置的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

余熱回收裝置在油田節(jié)約生產(chǎn)成本方面，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。下面分別以使用液體、固體、氣體燃料為例，分析比較提供相同的熱量所需要的費(fèi)用。

取固體燃料煤的低位發(fā)熱值Qdw=4 200 kcal/kg（1 kJ=0.238 9 kcal），燃煤熱載體爐的效率為76%；液體燃料重油的低位發(fā)熱值Qdw=10 000 kcal/kg，燃油熱載體爐的效率為86%；氣體燃料天然氣的低位發(fā)熱值Qdw=8 500 kcal/m3（0℃，101.325 kPa），燃?xì)鉄彷d體爐的效率[5]為90%；（表1）。

表1 燃料的低位熱值

根據(jù)目前市場(chǎng)情況，設(shè)定固體燃料煤的價(jià)格為560元/t，液體燃料油的價(jià)格為3 500元/t，氣體燃料天然氣的價(jià)格[6]為2.50元/m3；1kWh=860kcal。

根據(jù)油田余熱回收裝置設(shè)計(jì)中在2020年設(shè)計(jì)所承擔(dān)的熱負(fù)荷12 000 kW，以固體燃料為例進(jìn)行計(jì)算演示。

固體燃料費(fèi)用：12 000×860÷0.76÷4200× 0.56=1810.53元/h，費(fèi)用為1586萬元/a。

同理得出液體燃料費(fèi)用為3 679.2萬元/a，氣體燃料費(fèi)用為2 989.5萬元/a。

通過以上的計(jì)算比較可以看出，余熱回收裝置相對(duì)于使用其他燃料的方式具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

介紹了余熱回收裝置在海上油田的實(shí)際運(yùn)用情況，結(jié)合油田現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)余熱回收裝置的設(shè)計(jì)及使用做了闡述，并對(duì)余熱回收裝置的經(jīng)濟(jì)效益做了一定的評(píng)價(jià)。余熱回收裝置不僅可以回收透平尾氣所攜帶的大量熱量，提高透平裝置燃?xì)饫眯?，而且還可以減少化石燃料的燃燒，節(jié)約生產(chǎn)成本，減少溫室氣體的排放。余熱回收裝置在海上油田的運(yùn)用，具有較好的經(jīng)濟(jì)性和較強(qiáng)的可操作性，若將該套設(shè)施在海上油田全面推廣使用，不僅有利于節(jié)約油田的生產(chǎn)成本，還對(duì)國家的節(jié)能減排方針的實(shí)施具有重大的意義。

[1]歐光堯，陳熾彬，江陵.熱油循環(huán)方法回收利用燃?xì)馔钙綑C(jī)煙氣余熱[J].天然氣工業(yè)，2011，31（9）：107-111.

[2]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006：153-167.

[3]弗蘭克，英克魯佩勒.傳熱與傳質(zhì)基本原理[M].6版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：321-352.

[4]賈力，孫金棟，李孝萍.天然氣鍋爐煙氣冷凝熱能回收的研究[J].節(jié)能與環(huán)保，2001，1（1）：11-15.

[5]張世軍.燃?xì)忮仩t余熱回收的理論與應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

[6]王瑞娟.燃?xì)忮仩t余熱回收理論及其應(yīng)用分析[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2014，2（6）：17-17.

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.04.016

2016-09-23

（編輯 李珊梅）

陳可營：工程師，2009年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）（油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)），從事原油生產(chǎn)處理工作，E-mail：chenky5@cnooc.com.cn，地址：廣東湛江南油一區(qū)北苑，524057。