循環(huán)海水冷卻系統(tǒng)在燃?xì)廨啓C(jī)余熱發(fā)電中的應(yīng)用

李樹國 張海紅 陳曉英（中海油研究總院有限責(zé)任公司）

隨著社會的不斷發(fā)展，對資源的需求越來越大，不合理的資源利用以及污染物的恣意排放，給人類賴以生存的地球帶來了諸多不利的影響。氣候變暖、部分地區(qū)資源枯竭、環(huán)境污染等已成為無法回避的現(xiàn)實問題，節(jié)能減排和應(yīng)對氣候變化已經(jīng)成為我國當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的一項重要而緊迫的任務(wù)。

中海油某終端處理廠建設(shè)時安裝有4 臺西門子公司生產(chǎn)的Typhoon73 型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。為了滿足日益增長的電力負(fù)荷需求，“十二五”期間，擴(kuò)建了2 臺6 MW UGT6000 型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。這些燃?xì)廨啓C(jī)均采用簡單循環(huán)運(yùn)行方式，天然氣燃料的能量除28%左右用于發(fā)電外，其余大部分熱能都通過燃?xì)廨啓C(jī)煙氣直接排入大氣。中海油在實現(xiàn)高效、快速發(fā)展的同時，始終把節(jié)能降耗、減少污染物排放、保護(hù)環(huán)境、應(yīng)對氣候變化作為企業(yè)不可推卸的重要社會責(zé)任，開展燃?xì)廨啓C(jī)電站余熱回收發(fā)電項目，將目前以簡單循環(huán)模式運(yùn)行的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組改建為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電站。在有電網(wǎng)電力缺口和滿足未來發(fā)展需要的同時，更是節(jié)能減排，提高能源利用效率，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，實現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。

蒸汽輪機(jī)發(fā)電的一個重要環(huán)節(jié)為做功后的蒸汽冷凝部分。由于液化潛熱巨大，導(dǎo)致需要大量的循環(huán)水，選擇何種冷卻系統(tǒng)成為本工程的一個關(guān)鍵問題。

1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)基本原理及其必要性

燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)是目前世界上廣泛采用的節(jié)能燃?xì)獍l(fā)電技術(shù)。該技術(shù)結(jié)合了兩個在溫度范圍上互補(bǔ)的熱力循環(huán)過程，實現(xiàn)了熱能的梯級利用[1]，使綜合循環(huán)效率比簡單循環(huán)效率提高了10%～20%。其基本結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)能量平衡關(guān)系如圖1 所示。

圖1 燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)基本結(jié)構(gòu)及其熱力系統(tǒng)T-s 圖

中海油某終端處理廠現(xiàn)有4 臺Typhoon73 型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組和2 臺6 MW UGT6000 型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組，均采用簡單循環(huán)，大量能量均隨高溫?zé)煔馀湃氪髿狻Ｈ绻軐⑦@些燃?xì)廨啓C(jī)煙氣余熱利用，回收用于生產(chǎn)蒸汽，推動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，不僅可以滿足日益增長的電力負(fù)荷的需求，而且可向地方提供更多的電力，實現(xiàn)節(jié)能減排，降低天然氣消耗。按終端現(xiàn)有的電力負(fù)荷經(jīng)理論計算，余熱鍋爐回收利用改造后，額定發(fā)電量約8 MW，扣除廠用電后，可對外供電7.442 MW。如果將所發(fā)電力折合成燃煤電廠的標(biāo)準(zhǔn)煤耗，相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)煤20 836 t，每年可相應(yīng)減排SO2約1 413 t， 減排CO2約45 423 t，減排NOx 約683 t，減少煙塵排放約200 t，溫室氣體和酸性氣體的排放量顯著下降。

2 項目實施主方案

燃?xì)廨啓C(jī)的煙氣余熱技術(shù)已經(jīng)成熟，中小型余熱利用設(shè)備已實現(xiàn)100%國產(chǎn)化，并取得了較為豐富的工程實踐應(yīng)用經(jīng)驗。

終端燃?xì)廨啓C(jī)的煙氣溫度在400～530 ℃之間，屬中品位余熱。中品位余熱是比較好的二次能源，它在總余熱能源中占有相當(dāng)大的比例，在余熱回收中是不容忽視的部分。

終端公用設(shè)施齊全，水、電系統(tǒng)完善，便于實施燃?xì)廨啓C(jī)余熱利用改造，投資省。

燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的余熱回收設(shè)計工況為：燃料為天然氣，大氣溫度28 ℃，相對濕度80%；4 臺Typhoon73 型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組輸出功率為3.6 MW（機(jī)組輸出功率3.2 MW 和3.8 MW 作為校核工況）；2 臺UGT6000 型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組輸出功率為3.8 MW （機(jī)組輸出功率3.4 MW 和4.0 MW 作為校核工況）。

經(jīng)過詳細(xì)的方案比選，該工程選用2 臺余熱鍋爐匹配1 臺10 MW 蒸汽輪機(jī)的方案。

3 汽輪機(jī)冷凝水計算

1） 現(xiàn)場水文氣象條件。 極端最高溫度35.0 ℃，最低溫度3.7 ℃，年平均溫度22.9 ℃，年平均月最高（7 月） 28.9 ℃，年平均月最低（1月）15.5 ℃。常風(fēng)向NNE，每年5—11 月受臺風(fēng)影響，尤其是7—10 月臺風(fēng)最為集中。降水集中在6—10 月，月平均降雨量最大值在8 月份，為224.6 mm，最小值在1 月份，為6.9 mm。相對濕度最大為83%，最小為76%，年平均為80%。

2）汽輪機(jī)冷凝器冷卻水耗量。10 MW 汽輪機(jī)設(shè)計蒸汽總進(jìn)汽量32.4 t/h， 設(shè)計排汽壓力0.007 MPa（絕壓）。當(dāng)循環(huán)冷卻水進(jìn)、出水溫分別為27 ℃、35 ℃（極端最高溫度33 ℃、41 ℃）時，0.007 MPa （絕壓） 乏汽溫度、比焓值為38.66 ℃、614.1 kcal/kg；0.007 MPa（絕壓）飽和水溫度、比焓值為38.66 ℃、38.67 kcal/kg；0.007 MPa（絕壓） 的乏汽與飽和水比焓差為575.43 kcal/kg；循環(huán)冷卻水進(jìn)、出水溫差Δt ＝8 ℃，比焓值約8 kcal/kg。

計算的凝汽器循環(huán)水設(shè)計流量為2 590 t/h，水循環(huán)冷卻系統(tǒng)的循環(huán)水流量為2 849 t/h，考慮實際運(yùn)行時冷卻水溫差≤8 ℃，因此水循環(huán)冷卻系統(tǒng)循環(huán)水設(shè)計流量Q ＝3 500 t/h。

3）水平衡計算。冷卻塔蒸發(fā)損失水量Qe為

其中

式中： Pe為蒸發(fā)損失率，%； Ke為蒸發(fā)水量損失系數(shù)； Δt 為進(jìn)、出水溫差，℃。冷卻塔風(fēng)吹損失水量Qw為

式中： Pw為風(fēng)吹損失率，%。

排污損失水量Qb應(yīng)根據(jù)循環(huán)水水質(zhì)和濃縮倍數(shù)要求計算確定，即

式中： Pb為排污百分率，%； C 為濃縮倍數(shù)（C ＝1.5～2.5，取C ＝2.0）。

補(bǔ)充水量Qm為

4 冷凝系統(tǒng)選型方案研究

汽輪機(jī)冷凝系統(tǒng)應(yīng)用最多、技術(shù)最成熟的方案當(dāng)屬開式淡水冷卻系統(tǒng)[2]。該方案應(yīng)用廣泛、成熟可靠，可選設(shè)備多。由于淡水的腐蝕性較小，整個冷卻系統(tǒng)的初始投資較低，主要缺點(diǎn)為淡水消耗量大。該工程的所在地為一個海島，淡水資源非常珍貴，每小時111.6 t 的淡水消耗量不可行。

中海油在平臺上最常用的冷卻水為海水，但由于冷卻負(fù)荷較小，均采用海水直冷系統(tǒng)，即海水通過海水取水泵直接進(jìn)入換熱器，換熱后直接排入深海。本項目如果采用海水直冷系統(tǒng)，海水循環(huán)量為3 500 t/h。該工程的海拔高度約為20 m，海水取水點(diǎn)距離工程地點(diǎn)約1 km，并且路又復(fù)雜，海水取水泵的揚(yáng)程應(yīng)達(dá)到100 m。經(jīng)過計算，海水取水泵的功率為1 500 kW，每年耗電約1 260×104kWh，運(yùn)行成本約1 260 萬元。此方案能耗偏高，經(jīng)濟(jì)性也較差。

循環(huán)海水冷卻系統(tǒng)可以解決上述兩個方案帶來的諸多問題，既節(jié)省淡水，又能減少海水取水泵的能耗。此方案的主要設(shè)備構(gòu)成與開式淡水冷卻系統(tǒng)相同，但不同之處就是循環(huán)的介質(zhì)不再是淡水，而是海水，有嚴(yán)重的腐蝕性[3]。本方案的優(yōu)點(diǎn)除節(jié)省淡水外，還起到節(jié)能作用，海水的取水量不再是巨大（3 500 t/h），取水量只是每小時的補(bǔ)水量（111.6 t） 即能滿足工程需求。每年節(jié)約電能約1 200×104kWh，節(jié)約運(yùn)行成本約1 200 萬元。但該方案也存在著挑戰(zhàn)，如：海水冷卻塔的選型，普通淡水冷卻塔不能承受海水的腐蝕，純玻璃鋼冷卻塔承載力過低[4]，海水取水泵及循環(huán)泵材質(zhì)抗腐蝕問題，蒸汽輪機(jī)冷凝器材質(zhì)抗腐蝕問題[5]。

綜合上述三個方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終確定采用循環(huán)海水冷卻系統(tǒng)作為該工程的推薦方案。通過調(diào)研及研究，海水冷卻塔選用水泥框架支撐的玻璃鋼逆流式冷卻塔，海水循環(huán)泵及海水取水泵均選用雙相鋼材質(zhì)，凝汽器材質(zhì)選用鈦合金。

5 結(jié)論

通過開展本余熱發(fā)電項目，燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率從26.46%提高至38.18%。循環(huán)海水冷卻系統(tǒng)的應(yīng)用，使該工程每小時節(jié)約淡水約111.6 t，年節(jié)約淡水約94×104t。相比海水直冷系統(tǒng)，循環(huán)海水冷卻系統(tǒng)年節(jié)約電能約1 200×104kWh，節(jié)約運(yùn)行費(fèi)約1 200 萬元。5 臺燃?xì)廨啓C(jī)的煙氣經(jīng)余熱回收利用后可發(fā)電8 095 kW，相當(dāng)于每年節(jié)約標(biāo)煤20 836 t，每年可相應(yīng)減排SO2約1 413 t， 減排CO2約45 423 t，減排NOx 約683 t，減少煙塵排放約200 t，溫室氣體和酸性氣體的排放量顯著下降。

西南油氣分公司元壩氣田凈化廠