透平煙氣余熱回收系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459)

0 引言

能源短缺、環(huán)境污染是世界性問題，節(jié)能減排、降低能耗、提高能源利用率是解決能源問題的根本途徑[1-3]。目前，我國的能源利用率僅為33%左右，大量余熱以各種形式被排放到大氣中，因此，工業(yè)余熱回收就尤為重要。充分利用余熱資源成為工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排、降低能耗的主要途徑。透平作為海上油田的發(fā)電設(shè)備，所排放的煙氣溫度一般為300～550 ℃，余熱回收潛力巨大，因此如何充分挖掘透平節(jié)能潛力，變廢為寶，創(chuàng)造經(jīng)濟效益成為海上油田開展節(jié)能工作的重點。目前海上油田透平煙氣余熱回收方式以安裝余熱回收裝置加熱導(dǎo)熱油為主[4-8]，余熱回收裝置利用透平高溫?zé)煔鈱?dǎo)熱油進行加熱，建立導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的循環(huán)，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場的需要。目前一部分海上油田已采用以上方式回收透平煙氣余熱，但生產(chǎn)現(xiàn)場的熱需求有限，仍有大量的透平煙氣余熱無法回收利用，還有一部分海上油田由于缺乏有效的方式或措施而沒有實施透平煙氣余熱回收，這樣就造成大量余熱資源的浪費。針對以上問題，設(shè)計了一套海上油田透平煙氣余熱回收系統(tǒng)，并在渤海某油田進行示范應(yīng)用，取得良好效果。

1 余熱回收潛力分析

渤海某油田透平選型為Solar Mars100，燃料為天然氣與柴油(主要采用天然氣，柴油作為應(yīng)急備用)，其在不同工況下的運行參數(shù)見表1。該透平運行穩(wěn)定，負荷率為80%，對應(yīng)所排放的煙氣溫度為420 ℃，屬于中溫余熱，為一等余熱資源[9]，回收潛力較大，應(yīng)優(yōu)先回收。

表1 透平不同工況下的運行參數(shù)

2 余熱回收系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)工藝流程

為了確保透平煙氣余熱回收系統(tǒng)的使用效果，對該系統(tǒng)的設(shè)計進行優(yōu)化，最終確定的系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 透平煙氣余熱回收系統(tǒng)工藝流程

該設(shè)計在透平后分別增加熱管蒸汽發(fā)生器和汽水混合加熱器，以透平高溫?zé)煔庾鳛闊峁苷羝l(fā)生器的熱源，熱管蒸汽發(fā)生器利用高溫?zé)煔馀c凈化水進行換熱，換熱后的煙氣依次通過熱管蒸汽發(fā)生器的排煙氣管道和煙囪后排放到大氣中；產(chǎn)生的高溫低壓飽和蒸汽引入汽水混合加熱器，將回注水加熱以提高溫度，并通過油田已有的注水泵增壓回注地層，增強油藏水驅(qū)效果，從而提高原油采收率，實現(xiàn)透平高溫?zé)煔庥酂岬母咝Щ厥绽谩?/p>

熱管蒸汽發(fā)生器的進煙氣管道上設(shè)有第一煙氣擋板閥，在透平煙囪相連的排煙氣管道上設(shè)有第二煙氣擋板閥，第二煙氣擋板閥為第一煙氣擋板閥的隨動系統(tǒng)，二者根據(jù)熱管蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓力進行比例積分微分(PID)反饋控制，采用雙控模式聯(lián)動控制第一煙氣擋板閥和第二煙氣擋板閥的煙氣擋板開度，從而安全、平穩(wěn)地控制熱管蒸汽發(fā)生器的煙氣流入量。當(dāng)熱管蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓力較高時，第一煙氣擋板閥的煙氣擋板開度適度變小而減少煙氣流量，同時第二煙氣擋板閥的煙氣擋板開度適度變大而增大煙氣流量，通過第二煙氣擋板閥后的煙氣由透平煙囪排放到大氣中，避免透平煙氣回壓過高而影響透平的正常運行；當(dāng)熱管蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓力較低時，第一煙氣擋板閥和第二煙氣擋板閥的煙氣擋板開度的變化與蒸汽壓力較高時的情況相反。

2.2 熱管蒸汽發(fā)生器

熱管蒸汽發(fā)生器以熱管為傳熱元件，將熱管優(yōu)化設(shè)計組裝成束，即熱管蒸汽發(fā)生器是由若干獨立傳熱的熱管按一定的排列方式組成，其熱量傳遞依賴于熱管。熱管借助工作液體的相變進行傳熱，即通過全密閉真空管內(nèi)飽和工作液體的蒸發(fā)和凝結(jié)而吸收與釋放熱量，以工作液體的循環(huán)流動來實現(xiàn)傳熱功能[10-11]，這是一種相變潛熱交換過程。熱管具有極高的導(dǎo)熱率和良好的等溫性，其導(dǎo)熱系數(shù)為銅的數(shù)千倍，被稱作傳熱超導(dǎo)體[12-13]。將熱管蒸汽發(fā)生器中的熱管的蒸發(fā)段置于煙道內(nèi)，高溫?zé)煔獾挠酂嵬ㄟ^熱管管壁傳給管內(nèi)的工作液體，使其汽化，在內(nèi)部壓差的作用下，周而復(fù)始地把高溫?zé)煔獾挠酂醾鬟f給水，使水變成飽和蒸汽。

熱管蒸汽發(fā)生器主要由預(yù)熱室、蒸汽發(fā)生室、隔板、煙道板和熱管組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。預(yù)熱室和蒸汽發(fā)生室相連通，均設(shè)置在隔板上，預(yù)熱室的高度低于蒸汽發(fā)生室的液位控制要求的最低液位高度，以確保加熱過程中預(yù)熱室始終為滿水狀態(tài)。預(yù)熱室和蒸汽發(fā)生室內(nèi)部分別設(shè)置有8組、3組熱管，每組熱管由2列呈豎直平行且交錯排列的熱管構(gòu)成(見圖3)，這些熱管一端伸入煙道內(nèi)，另一端伸入預(yù)熱室與蒸汽發(fā)生室內(nèi)，與隔板采用可拆卸方式連接；預(yù)熱室內(nèi)熱管的數(shù)量可根據(jù)所需的蒸汽壓力來設(shè)置，但要確保預(yù)熱室內(nèi)的水不被汽化。蒸汽發(fā)生室內(nèi)的每組熱管之間設(shè)置有用于承受隔板和蓋板之間拉力的受力拉桿，隔板和蓋板上設(shè)置有用于連接受力拉桿的連接孔。

圖2 熱管蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意

圖3 熱管布置方式示意

熱管蒸汽發(fā)生器主要技術(shù)參數(shù)：功率5 200 kW，熱效率≥95%，熱管長度6 m，熱管內(nèi)徑24 mm，熱管厚度2 mm，預(yù)熱室熱管數(shù)量347根，蒸汽發(fā)生室熱管數(shù)量880根，進口煙氣溫度420 ℃，進口煙氣流量130 t/h，供水溫度50 ℃，供水流量8.0 m3/h，蒸汽壓力650 kPa，蒸汽溫度168 ℃，蒸汽流量8.0 t/h。

熱管蒸汽發(fā)生器主要技術(shù)特點：(1)恒溫操作，采用對水充分預(yù)熱、再蒸汽發(fā)生的方式，換熱效率高；(2)冷熱流體完全隔開，單根熱管損壞，可以任意更換而不影響整體正常運行；(3)熱管列豎直平行設(shè)置，極大地減少了煙氣阻力損失；(4)預(yù)熱室、蒸汽發(fā)生室與頂部的蓋板采用螺栓連接，熱管可拆卸，檢修時可將熱管豎直向上抽出而節(jié)省占地面積；(5)系統(tǒng)多重冗余，設(shè)計可滿足將來擴容的需要。

2.3 汽水混合加熱器

汽水混合加熱器采用臥式結(jié)構(gòu)，主要由防水擊裝置、殼體以及位于殼體內(nèi)部的芯管和靜態(tài)混合器等組成(見圖4)。防水擊裝置為圓柱形，與進汽管垂直連接，直徑是進汽管直徑的2～3倍，蒸汽通過防水擊裝置的折流與擴徑作用而減小流速，防止啟動時出現(xiàn)水擊現(xiàn)象；防水擊裝置與殼體側(cè)周相切，軸線與芯管軸線偏移了一定距離(見圖5)，蒸汽沿殼體切線方向進入做旋流運動，避免了直接沖擊芯管而產(chǎn)生振動及噪音；蒸汽通過材質(zhì)為不銹鋼的鋼絲網(wǎng)整流后，流速更加平緩，有效降低了噪音。芯管進水端相對很小的部位為喉口，喉口后面為芯管的擴散段，擴散段外壁上均勻分布有無數(shù)個斜向噴孔，噴孔直徑3.5 mm，噴孔軸線與芯管軸線的夾角為45°，蒸汽由噴孔噴入芯管后與原油混合；芯管兩端固定有由吸振材料組成的消振裝置，用來吸收芯管振動，以防止振動向外傳遞。靜態(tài)混合器為2個前后排列的螺旋形靜態(tài)導(dǎo)流葉片，用來強化蒸汽與原油的混合換熱，使混合更充分，加熱出水溫度更均勻。汽水混合加熱器運行時，被加熱水從芯管的喉口高速噴入擴散段，同時高溫蒸汽也從噴孔高速噴入芯管的擴散段，汽水在高速流動中瞬時混合換熱，然后在靜態(tài)混合器的作用下強化混合換熱，最后熱水從出水管流出。

圖4 汽水混合加熱器結(jié)構(gòu)示意

圖5 蒸汽進入方式示意

汽水混合加熱器主要技術(shù)參數(shù)：功率為5 200 kW，設(shè)計壓力950 kPa，設(shè)計溫度195 ℃，加熱水量315 m3/h，蒸汽壓力650 kPa，蒸汽溫度168 ℃，蒸汽流量8.0 t/h。

汽水混合加熱器主要技術(shù)特點：(1)通過防水擊裝置、鋼絲網(wǎng)和消振裝置的共同作用以及蒸汽切向的進汽方式，達到無水擊、無振動和低噪音；(2)采用靜態(tài)混合器強化汽水混合換熱，使加熱出水溫度更均勻，換熱效率更高；(3)自動化程度高，免維護，操作簡便；(4)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。

3 現(xiàn)場應(yīng)用及效果

透平煙氣余熱回收系統(tǒng)在渤海某油田進行示范應(yīng)用，運行穩(wěn)定，效果良好，透平高溫?zé)煔庥酂岜桓咝Щ厥绽?。透平煙氣余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用效果的有關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 透平煙氣余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用效果的有關(guān)數(shù)據(jù)

由表2可看出，透平煙氣溫度由420 ℃降至240 ℃，有效降低了透平所排放的煙氣溫度；系統(tǒng)熱效率由32.7%升至50.8%，明顯提高了能源利用率；系統(tǒng)節(jié)約標(biāo)準煤8 061 t/a，由此減少CO2排放量20 150 t/a，節(jié)能減排效果明顯；系統(tǒng)加熱回注水315 m3/h，考慮到透平需要停機維護或檢修，以系統(tǒng)每年運行330 d計算，加熱回注水2.49×106m3/a，將回注水溫度由62 ℃升至77 ℃，增強了油藏水驅(qū)效果；使用CMG油藏數(shù)值模擬軟件，計算出提高原油采收率0.05%，經(jīng)濟效益可觀。

4 結(jié)語

針對海上油田透平煙氣余熱回收潛力巨大而實際回收率較低的問題，設(shè)計了一套基于熱管蒸汽發(fā)生器和汽水混合加熱器的透平煙氣余熱回收系統(tǒng)，并在渤海某油田進行示范應(yīng)用，實現(xiàn)了透平高溫?zé)煔庥酂岬母咝Щ厥绽?，取得了良好的社會效益和?jīng)濟效益。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，改變了常規(guī)的安裝余熱回收裝置加熱導(dǎo)熱油模式對海上油田透平煙氣余熱進行回收的模式，提供了一種全新、高效的透平煙氣余熱回收方式。

通過實施余熱回收，透平煙氣溫度由420 ℃降至240 ℃，而溫度為240 ℃的煙氣仍具有較大的利用價值，可以進一步實施余熱回收，實現(xiàn)煙氣余熱梯級利用。建議對熱管蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)與熱管布置方式進一步優(yōu)化，以更大程度地減少系統(tǒng)壓降對透平排煙氣的影響及減小設(shè)備占地面積。