余熱制冷技術在海上平臺節(jié)能應用的新思路

白云 李暉 王方正（中海油研究總院）

海上油氣田開發(fā)項目的能源利用率大約在20%～30%，相較陸上項目普遍偏低，究其原因是由于平臺空間有限、重量控制嚴格，海上平臺發(fā)電機組效率和余熱資源的利用還處于相對較低的水平。海上設施大多安裝發(fā)電機組，為本平臺和周邊依托平臺提供電力，燃料消耗來自于自產油氣，其能源消耗占海上生產設施綜合能源消耗的比重很大，屬于主要耗能設備。從項目統(tǒng)計數據可以看出，海上設施采取發(fā)電機組余熱回收項目的整體能源利用率比未采用余熱回收的項目高10%～15%左右。目前，加強海上平臺大型電站煙氣余熱利用是直接提高開發(fā)項目的能源利用率和經濟效益的最有效方式。

1 海上油氣田開發(fā)余熱資源利用途徑

海上油田開發(fā)項目和氣田項目相比，油田的用熱負荷要遠高于氣田的用熱負荷，氣田的煙氣廢熱（特別是氣田后期的地層壓力衰減后啟動濕氣壓縮機保產階段）要高于油田。海上油氣生產裝置（含陸地終端）可利用的主要余熱資源有：燃氣透平高溫煙氣廢熱；燃氣、燃油往復式發(fā)動機煙氣廢熱；熱介質爐、加熱爐、蒸汽或熱水鍋爐等低溫煙氣廢熱；高溫生產水以及主機缸套水廢熱等。同時，海上平臺存在眾多用熱及用冷環(huán)節(jié)，例如：油氣處理、輸送與儲存工藝的保溫，海水低溫閃蒸制淡，工藝、生活空調等。目前，海上開發(fā)項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、熱介質爐、加熱爐等），例如，海上平臺將透平發(fā)電機排煙引入余熱鍋爐加熱盤管中的導熱油從而替代熱站。

2）替代電驅壓縮機制冷和電加熱空調的余熱驅動溴化鋰吸收式制冷、制熱空調。

3）替代電加熱生活熱水系統(tǒng)。

4）余熱驅動的蒸發(fā)式海水淡化裝置等[1]。

2 海上氣田開發(fā)生產裝置冷量需求

在海上油氣開發(fā)過程中，自帶燃氣透平電站或者原油發(fā)電機組的中心處理平臺存在大量的高溫煙氣余熱，燃氣透平電站排煙溫度高達400℃，余熱利用潛力很大。不同于油田開發(fā)加工需要大量熱源用于工藝流程，氣平臺的熱用戶很少，在負荷小的情況下一般不對燃氣輪機排氣進行余熱回收，直接采用電加熱器更為靈活、便利，所以對于氣田來說，因為大量余熱資源沒有合理利用，項目能源利用率往往偏低。

海上油氣田開發(fā)過程中央空調系統(tǒng)需要冷量的提供，海上平臺的生活區(qū)和生產區(qū)工作間是在封閉的室內?？照{設備為這些區(qū)域的工作人員提供舒適的工作生活環(huán)境，同時保障封閉室內的設備正常運轉環(huán)境。以往多是采用電驅動壓縮式制冷裝置來提供這些冷量，冷量的獲得通常需要消耗很多能量?？紤]利用平臺余熱服務冷用戶，回收余熱同時減少能源消耗。以溴化鋰吸收式技術為基礎的制冷機組由熱能驅動運行，驅動熱能可以是蒸汽、熱水、直接燃燒燃料(燃氣、燃油)產生的高溫煙氣或外部裝置排放的余熱煙氣、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，有效回收利用低溫熱能，在海上平臺余熱節(jié)能技術領域發(fā)揮了重要的作用[2-3]。

中海油與康菲石油共同開發(fā)的西江某平臺利用90℃左右含油污水作為熱源，驅動溴化鋰空調機組，用于機房及生活樓供冷，是迄今國內第一家在海上平臺應用吸收式制冷機的項目。此外，位于南海西部海域某氣田開發(fā)項目采用回收透平發(fā)電機組產生的450℃左右高溫煙氣作為溴化鋰吸收式制冷機的驅動熱源，為平臺生活樓提供冷源。從經濟效益上看，生活樓供冷耗電量占平臺電耗比例很小，且受使用時間的限制，考慮到安裝溴化鋰制冷系統(tǒng)帶來的一系列改造，包括平臺結構以及管線上的改造，溴化鋰制冷技術的應用雖然減少了燃氣消耗及溫室氣體排放，但節(jié)能效果有限，需要結合投資回收期綜合考慮。結合海上氣田開發(fā)項目能源實際需求，在充分考慮技術可行、經濟合理基礎上，余熱制冷需要拓展新的思路，挖掘節(jié)能潛力。

3 余熱制冷在烴露點控制系統(tǒng)改造中的應用

南海某高凝析氣田開發(fā)項目擬新建3座平臺，包括1座中心平臺和2座井口平臺，中心平臺設有氣液分離系統(tǒng)、濕氣壓縮系統(tǒng)、凝析油處理系統(tǒng)、TEG脫水系統(tǒng)、烴露點控制系統(tǒng)、干氣壓縮系統(tǒng)、公用系統(tǒng)等。中心平臺接收并處理本平臺和周邊井口平臺物流，經處理后合格干氣經外輸氣壓縮系統(tǒng)增壓后通過海底管道外輸送往陸上終端外銷。

對天然氣輸配系統(tǒng)的操作而言，烴露點是一項重要指標。因為液烴在管道內冷凝并積聚后會產生兩相流而影響計量的準確性，加大管道阻力，造成生產操作方面的安全隱患。此外，天然氣夾帶的液烴也會影響燃氣透平的操作，對壓縮機組的運行造成不良影響。國家標準GB 17820—2012《天然氣》以及GB 50251—2015《輸氣管道工程設計規(guī)范》中明確規(guī)定，在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣中應不存在液態(tài)烴[4]。因此，天然氣處理環(huán)節(jié)設有烴露點控制系統(tǒng)，除去天然氣中的重烴組分，以保證銷售氣烴露點滿足質量指標要求。

工藝外輸天然氣烴露點控制常規(guī)做法是通過JT閥對天然氣進行節(jié)流降溫，原理是通過氣流產生焦耳-湯姆遜效應，節(jié)流降壓來實現降溫[5]，該項目采用常規(guī)J-T閥方案，具體流程見圖1。TEG系統(tǒng)脫水處理后的干氣分為兩股，分別經干氣/低溫氣換熱器和干氣/低溫液換熱器換熱后匯合，經J-T閥節(jié)流降溫后進入低溫分離器氣液分離脫除重烴，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，進入外輸干氣增壓系統(tǒng)，分離的重烴與脫水后的干氣換熱升溫后進入凝析油閃蒸罐。具體流程工藝參數如表1所示。根據HYSYS模擬結果，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，而后又通過壓縮機增壓到15.1 MPa外輸。相對而言，J-T閥節(jié)流降壓，導致后續(xù)干氣壓縮機需要出力更多才能將干氣增壓至外輸要求壓力，這就增加了壓縮機的功耗，帶來能量的浪費。

圖1 中心平臺天然氣脫水/烴露點控制系統(tǒng)流程

表1 J-T閥節(jié)流制冷主要節(jié)點模擬參數

該中心平臺作為區(qū)域電力供應中心，平臺電站包括3臺26 MW（兩用一備）燃氣透平發(fā)電機組，為本平臺動力設施和低壓用電設備提供電力。項目為氣田開發(fā)且地處南海，工藝和公用設施熱負荷較少，未設余熱回收裝置。燃氣透平電站排煙溫度高達400℃，大量高溫煙氣直接排放到大氣中，沒有得到合理應用。項目開發(fā)階段考慮采用溴化鋰制冷機組利用燃機排煙余熱驅動，在傳統(tǒng)降壓流程采用的J-T閥前端加裝溴化鋰制冷機組，利用溴化鋰制冷方案提供的冷量代替部分J-T閥的功能預先對天然氣進行降溫，可減少J-T閥節(jié)流過程壓降而引起的能量損失，從而節(jié)省天然氣消耗。表2為溴化鋰制冷機組參數，圖2為溴化鋰制冷技術用于烴露點控制系統(tǒng)改造流程。

表2 溴化鋰制冷機組參數

該改造方案如下：經過三甘醇脫水系統(tǒng)處理后32℃的干氣通過與溴化鋰制冷機蒸發(fā)器制取的冷水換熱，降溫至12℃；此時干氣分為兩股，分別經干氣/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J-T閥節(jié)流降溫后進入低溫分離器進行氣液分離脫除重烴，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，進入外輸干氣增壓系統(tǒng)，分離的重烴與脫水后的干氣換熱升溫后進入凝析油閃蒸罐。具體工藝流程主要節(jié)點參數見表3。

圖2 溴化鋰制冷技術用于烴露點控制系統(tǒng)改造流程

表3 溴化鋰制冷改造主要節(jié)點模擬參數

根據HYSYS模擬結果顯示，由于溴化鋰制冷機提供部分冷量對干氣進行了預冷卻，-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的要求。6.5 MPa的干氣通過壓縮機增壓到15.1 MPa外輸，此時壓縮功率大約為16.2 MW。通過比較得出，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)流可使干氣壓縮機減少壓降約1.5 MPa，壓縮機功率減少了5.6 MW。改造前后節(jié)能效果對比見表4。

表4 改造前后節(jié)能效果對比

4 結論

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

[1]海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程機械與設備設計[M].北京：石油工業(yè)出版社，2008：131.

[2]金紅光，鄭丹星，徐建中.分布式冷熱電聯產系統(tǒng)裝置及應用[M].北京：中國電力出版社，2010：128-171.

[3]張長江.溴化鋰吸收式技術在余熱利用領域中的應用[J].上海電力，2009（4）：269-273.

[4]馬國光，董文浩，馬俊杰，等.凝析氣田外輸氣烴露點控制方法研究[J].石油與天然氣化工，2015，44（3）：19-22.

[5]申雷昆，蔣洪.天然氣烴水露點控制問題探討[J].石油化工應用，2017，36（4）：136-140.

[6]國家發(fā)展改革委員會.固定資產投資項目節(jié)能評估和審查工作指南[M].北京：中國市場出版社，2014：94.