工業(yè)余熱回收與照明系統(tǒng)智能化在海洋石油平臺的應(yīng)用

（中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司， 天津 300459）

海洋石油平臺大多依靠自備電站為生產(chǎn)及生活設(shè)備提供電能。隨著油田增產(chǎn)項(xiàng)目的增加，生產(chǎn)設(shè)備不斷更新，電力負(fù)荷日益增高，而平臺電力系統(tǒng)裝機(jī)容量有限，很多采油平臺電站已接近滿載[1-2]。裝機(jī)容量有限的電網(wǎng)與不斷投入的大功率設(shè)備間的矛盾日益凸顯，電網(wǎng)的電力瓶頸難以突破，對于大功率設(shè)備的精細(xì)管理提出更高要求。為了解決電力缺口，同時(shí)為響應(yīng)國家低碳環(huán)保、節(jié)能降耗的方針，海洋采油平臺近年來不斷探索與創(chuàng)新，將余熱回收和電能的高效利用等多項(xiàng)前沿技術(shù)逐步應(yīng)用于海上采油平臺，取得了很好的效果[3-4]。

本文介紹了海上采油平臺近年來對熱能和電能的高效利用成果，通過對平臺多個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化改造，實(shí)現(xiàn)各類節(jié)能技術(shù)在平臺融合利用，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

1 余熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 發(fā)電機(jī)組冷卻高溫水余熱回收

海上采油平臺的電站一般由多臺大型柴油機(jī)組組成，電站作為整個(gè)平臺動(dòng)力的“心臟”，為整個(gè)平臺的生產(chǎn)、生活提供電能，其容量從幾十兆瓦到上百兆瓦不等，該類電站一般配備備用機(jī)組，來實(shí)現(xiàn)與其他機(jī)組輪流切換，目的是開展定期的停機(jī)保養(yǎng)和機(jī)組大修。運(yùn)行機(jī)組的缸套冷卻水出口溫度一般在70-85℃，需通過海水冷卻或風(fēng)冷卻方式進(jìn)行降溫，目的是防止產(chǎn)生熱應(yīng)力使缸套損壞，之后再進(jìn)行重復(fù)循環(huán)。而停機(jī)機(jī)組，缸套水一般要維持在45℃，如果水溫較低會導(dǎo)致機(jī)組難于啟動(dòng)。因此，實(shí)現(xiàn)將運(yùn)行機(jī)組高溫水與備用機(jī)組低溫水進(jìn)行熱互換，是一項(xiàng)重要節(jié)能措施。

(1)方案特點(diǎn)

該方案有以下優(yōu)點(diǎn)：一方面能有效降低對高溫水進(jìn)行冷卻的海水系統(tǒng)負(fù)擔(dān)；另一方面?zhèn)溆脵C(jī)組低溫水被有效加熱，滿足了機(jī)組暖缸要求，備用機(jī)組隨時(shí)處于熱備用狀態(tài)；最后是節(jié)能效果明顯，備用機(jī)組的大功率缸套水電加熱器不需投入，從而節(jié)省了電能。

(2)方案實(shí)施

該項(xiàng)目實(shí)施的主要措施包括以下方面：①在機(jī)組高溫水出口管線增加三通閥門，將部分高溫水引出；②安裝板式換熱器，實(shí)現(xiàn)高溫水與低溫水熱量交換；③換熱完畢的高溫水重新匯入高溫水冷卻管線。

(3)關(guān)鍵設(shè)備選型

該項(xiàng)改造的核心設(shè)備是板式換熱器，此類換熱器是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的換熱設(shè)備。如圖1所示。

圖1 板式換熱器結(jié)構(gòu)

換熱器的特點(diǎn)：①采用復(fù)雜流道設(shè)計(jì)，低雷諾數(shù)誘發(fā)湍流，換熱系數(shù)高；②高比表面設(shè)計(jì)，體積和占地面積??；③介質(zhì)適應(yīng)性好；④接近全逆流換熱，對數(shù)平均溫差大；⑤末端溫差小；⑥安裝、維護(hù)、維修方便。

換熱器的選型與設(shè)計(jì)：

①熱流體的入口溫度T1、出口溫度T2，根據(jù)Q=qmlCpl(T1-T2)求出換熱量Q：

②冷流體的入口溫度t1、出口溫度t2，根據(jù)

③根據(jù)傳熱系數(shù)估算傳熱面積：Q=K估A估ΦΔtm，K估和Φ都是跟冷卻器形式有關(guān)的系數(shù)；

④選定換熱器型號；

⑤冷卻器安裝的原則：

由于流量和壓力與管道的長度成反比，因此在空間允許的條件下，盡量縮短與主機(jī)的距離，并減少彎頭的數(shù)量，確保主機(jī)冷卻液有足夠的水功率[1]。

(4)方案實(shí)施效果

通過該項(xiàng)目的實(shí)施，對主機(jī)高溫缸套水的余熱進(jìn)行了有效回收，通過一段時(shí)間運(yùn)行，80-85℃的高溫水完全滿足備用機(jī)組45℃低溫水的加熱要求。另外，由于利用了板式換熱器，兩個(gè)機(jī)組冷卻水只是溫度傳遞，不會造成水質(zhì)交叉污染，安全且可靠。改造簡單，占地面積小，溫度便于控制。節(jié)省了傳統(tǒng)電加熱器的大功率電能損耗，以及頻繁對加熱器維修和備件采辦所需的人力和財(cái)力投入。

1.2 生產(chǎn)工藝系統(tǒng)熱水余熱回收

海洋石油平臺是一座原油處理工廠，過程中會分離出大量高溫生產(chǎn)水，這類生產(chǎn)水一般作為地層能量補(bǔ)充和提高原油采收率被回注入地層，但其所蘊(yùn)含的大量熱能未能進(jìn)行回收；平臺的水源井所采集的地?zé)崴?，大部分用來補(bǔ)充地層能量，但其熱能大部分沒有得到有效利用而直接注入地層。生產(chǎn)水及地?zé)崴话銣囟仍?0℃到110℃，對這類熱能的綜合回收利用，用來代替各類電加熱器，實(shí)現(xiàn)平臺生產(chǎn)及生活對熱能的需求，是近年來海洋石油平臺節(jié)能降耗的重點(diǎn)工作之一。

1.2.1 生活區(qū)地采暖設(shè)備改造

海洋平臺人員生活辦公區(qū)域，冬季大多采用單體空調(diào)、中央空調(diào)或各類電暖氣采暖，然而由于人員居住較為集中，生活樓設(shè)計(jì)空間較為緊湊，該類設(shè)備冬季運(yùn)行火災(zāi)隱患較多，這與海上油氣生產(chǎn)平臺將防火作為第一位的政策相悖。地?zé)崴蛏a(chǎn)水作為熱能來源，結(jié)合地暖管線，能很好地解決生活區(qū)辦公區(qū)域的冬季取暖需求，通過該技術(shù)的應(yīng)用，取暖效果好且低碳環(huán)保。

(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)如圖2所示，主要包括地暖管線、支路控制器、帶變頻驅(qū)動(dòng)的熱水循環(huán)泵、板式換熱器及生產(chǎn)水管線組成。

圖2 地采暖換熱示意圖

100℃左右的生產(chǎn)水通過板式換熱器和地暖水進(jìn)行熱量交換，通過熱水循環(huán)泵將吸熱完畢的地暖水循環(huán)到各房間，同時(shí)將冷水再次循環(huán)到板式換熱器吸熱，可通過調(diào)節(jié)變頻驅(qū)動(dòng)的熱水循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和換熱器出口安裝可調(diào)節(jié)流量的蝶閥來實(shí)現(xiàn)流量控制，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)。

(2)改造效果

該系統(tǒng)的特點(diǎn)是對余熱回收效率高，同時(shí)將生產(chǎn)水和地暖水通過板式換熱器進(jìn)行有效隔離，只進(jìn)行熱量交換，而不是將地暖水直接引入地暖系統(tǒng)，從而避免了生產(chǎn)水可能殘余的腐蝕性物質(zhì)對管線或人員造成危害的可能性，系統(tǒng)運(yùn)行真正實(shí)現(xiàn)了安全可靠。

1.2.2 儲罐加熱器系統(tǒng)改造

海上采油平臺生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中一般包括體積各異的大小儲罐，由于流程對液體溫度的特殊要求及冬季氣溫較低時(shí)的防凍要求，一般每個(gè)罐體都配備了電加熱器，功率從幾千瓦到幾百千瓦不等，是冬季平臺電力的主要負(fù)荷之一。利用生產(chǎn)水余熱，結(jié)合罐體內(nèi)加熱盤管，是有效電加熱替代方案。

(1)關(guān)鍵設(shè)備特點(diǎn)及選型

內(nèi)加熱盤管的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、操作管理方便、管內(nèi)可承受高壓、安裝靈活?？梢赃m應(yīng)容器的形狀，彎曲成圓柱形或平板等形狀，也可并聯(lián)若干組以增加傳熱面積，甚至可在同一設(shè)備中采用兩組獨(dú)立的盤管，通入不同的熱載體以充分利用熱量，加熱盤管如圖3所示。但由于儲罐的體積相對較大，儲罐內(nèi)流體的流速很低，所以管外給熱系數(shù)相對較小，這將影響總傳熱系數(shù)的提高。此外，盤管本身通過的能力有限，而且管內(nèi)難以清洗，故只適于傳熱負(fù)荷不很大的場合及較清潔的流體。為提高盤管外側(cè)的給熱系數(shù)，通?？梢园惭b攪拌裝置，以強(qiáng)化傳熱過程，提高總傳熱效率[5]。

圖3 內(nèi)加熱盤管結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)加熱盤管的設(shè)計(jì)選型原則

①當(dāng)采用液體作為加熱或保溫介質(zhì)時(shí)，為使盤管中充滿液體，應(yīng)從盤管下端送入液體；

②內(nèi)加熱盤管不宜過長，否則會增加流體阻力，消耗過多能量。當(dāng)所需的傳熱面積較大時(shí)，宜采用若干組盤管并聯(lián)來解決。

③內(nèi)加熱盤管直徑不宜過大，過大增加加工制造的困難，一般常用管徑在DN25～DN65。為防止盤管的壓降過大，限制管內(nèi)流速在0.3～0.8m/s。

④盤管內(nèi)外圈之間的間距一般為2～3d0（其中d0為盤管外徑），上下圈的垂直距離 應(yīng)保持在1.5～2.0d0，而最外圈與儲罐壁間的最小距離為100～200mm。

⑤在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)管內(nèi)流體的物性，選擇適宜的流速，決定盤管直徑及并聯(lián)組數(shù)m，然后進(jìn)行傳熱計(jì)算，求得傳熱面積，計(jì)算管長和圈數(shù)n，以及盤管的幾何尺寸。

已知體積流量V0，則根據(jù)選定流速v，計(jì)算盤管并聯(lián)組數(shù)m：

盤管總長Lt：Lt=a/πd0；每組長L：L=Lt/m；每圈盤管長l：l=√(nDc)2+h=πDc；每組的總?cè)?shù)n：n=L/l；盤管高度Lc：Lc=nh；符號補(bǔ)充說明：di盤管內(nèi)徑，m；Dc盤管的平均圈徑，m；ɑ表面給熱系數(shù)，W/(m2?℃)，一般取11.6W/(m2?℃)

(2)改造效果

該項(xiàng)目的實(shí)施，有效地解決了大部分對傳熱負(fù)荷不很大的儲罐的保溫防凍及加熱要求。同時(shí)，結(jié)合攪拌器及多組內(nèi)加熱管的并聯(lián)應(yīng)用，加熱效果可以得到大幅提高。通過改造，節(jié)省了電加熱器安裝和維護(hù)費(fèi)用，節(jié)約電能效果明顯，發(fā)電機(jī)所帶負(fù)載較之前下降約800～100kW。

2 智能開關(guān)在照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

海洋石油生產(chǎn)設(shè)施配備照明設(shè)備種類多、數(shù)量龐大，存在物資成本浪費(fèi)、能源資源浪費(fèi)、人力成本及維護(hù)增加、環(huán)境污染等缺點(diǎn)。針對這一海洋石油平臺普遍存在的問題，旨在通過對海上現(xiàn)有照明系統(tǒng)進(jìn)行電氣改造，建立可視化、智能化的管理界面，從而實(shí)現(xiàn)對所有照明設(shè)備的智能化管理，既對設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，也可做到智能啟停，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的整體目標(biāo)。

海上采油平臺常用照明燈具包括，普通熒光燈具、防爆熒光燈具、防爆鹵素?zé)艟?。一般的生活區(qū)室內(nèi)及生產(chǎn)區(qū)的室內(nèi)非危險(xiǎn)區(qū)域都采用普通熒光燈，生產(chǎn)區(qū)其他區(qū)域大多選用防爆熒光燈和防爆投光燈。這類燈具數(shù)量眾多，一個(gè)中型采油平臺至少需要配備400到600盞燈具才能滿足平臺生產(chǎn)需要。熒光燈具一般布置于平臺各人員通道周圍，每盞功率60-100W；鹵素投光燈具主要布置在各類工藝管線及設(shè)備區(qū)域，每盞功率250-400W。設(shè)備數(shù)量多、功耗大、維修成本高，是目前海洋石油平臺照明系統(tǒng)的共同特點(diǎn)。

2.1 LED照明優(yōu)點(diǎn)

近年來，隨著節(jié)能照明設(shè)備技術(shù)不斷成熟，LED照明設(shè)備在工業(yè)系統(tǒng)開始大面積推廣，LED體積小，光色純，開關(guān)時(shí)間短，可大幅降低電能消耗以及維護(hù)成本。LED照明設(shè)備優(yōu)異的節(jié)能效果、啟停特性以及智能空氣開關(guān)的問世，為海洋石油平臺照明系統(tǒng)節(jié)能改造提供了條件。

2.2 智能開關(guān)介紹

智能開關(guān)主要有如下功能：

(1)遠(yuǎn)程控制（借助通訊網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，并可以遠(yuǎn)程反饋開關(guān)信息），可將該所有開關(guān)接入平臺電能管理系統(tǒng)EMS，實(shí)現(xiàn)開關(guān)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制；

(2)定時(shí)設(shè)置（日出日落模式、可精準(zhǔn)定制）開關(guān)分合并?？蓪⑵脚_幾百盞室外防爆燈具實(shí)現(xiàn)“白天工作、晚上休眠”，并且將平臺不同甲板、不同位置的照明分類設(shè)置工作時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的目的。

(3)能耗管理（按設(shè)備、房間、樓層精準(zhǔn)統(tǒng)計(jì)），通過網(wǎng)絡(luò)接觸電能管理系統(tǒng)EMS或APP實(shí)時(shí)生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表，幫助電力調(diào)度人員跟蹤分析電能使用情況。該方案相較于光感應(yīng)控制，靈活性更強(qiáng)，避免了光感應(yīng)控制在平臺中下層甲板造成昏暗和光線不夠的弊端。

2.3 安裝方式

以常見P9智能開關(guān)為例，安裝尺寸、方式和通用的照明空氣開關(guān)類似，替換的靈活性高，可直接利用原先空間安裝，重新完成接線即可，如圖4所示。

圖4 智能開關(guān)電氣安裝互聯(lián)圖

照明智能化控制系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是場景控制，在同一室內(nèi)可有多路照明回路，對每一回路亮度調(diào)整后達(dá)到某種燈光氣氛稱為場景；可預(yù)先設(shè)置不同的場景，切換場景時(shí)的淡入淡出時(shí)間，使燈光柔和變化。

可通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，例如了解當(dāng)前各個(gè)照明回路的工作狀態(tài)；設(shè)置、修改場景；當(dāng)有緊急情況時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)及發(fā)出故障報(bào)警（例如回路電能消耗預(yù)警功能）。

2.4 改造效果

該方案相較于每個(gè)回路增加光感探頭控制的成本高，線路改造復(fù)雜，探頭數(shù)量偏少，容易造成部分區(qū)域白天照明亮度不足的情況。

LED照明設(shè)備和智能空氣開關(guān)的組合使用，充分發(fā)揮了兩種設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對照明系統(tǒng)的各種智能化管理及自動(dòng)控制，有效地避免了電能的浪費(fèi)。可在后期項(xiàng)目建造和施工中提前考慮。對節(jié)省工作量和智能化管理提供一個(gè)可預(yù)期的參考。

3 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對能源的需求也與日俱增；同時(shí)，伴隨著新科技的日新月異，對于石油這種不可再生資源的高效利用，也將成為各行業(yè)不斷探索的重要課題。工業(yè)余熱回收及照明系統(tǒng)智能化改造項(xiàng)目的實(shí)施，在節(jié)能降耗方面取得了成效。隨著各類新工藝、新材料在現(xiàn)代工業(yè)中的不斷應(yīng)用，例如海水淡化、光伏發(fā)電、伴生氣利用、區(qū)域組網(wǎng)發(fā)電、電網(wǎng)無功補(bǔ)償?shù)裙?jié)能技術(shù)逐步在海上油田推廣，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。相信更加高效、節(jié)能、高產(chǎn)的海洋石油裝備將不斷涌現(xiàn)，為國家能源安全做出新貢獻(xiàn)。