FPSO原油發(fā)電機(jī)廢煙熱利用及凈化新模式研究

吳奇林 肖凱倫 劉 磊 郭 恒 苗 建

中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司, 廣東 深圳 518054

0 前言

2020年9月,中國(guó)明確提出2030年“碳達(dá)峰”與2060年“碳中和”目標(biāo)?！半p碳”目標(biāo)是系統(tǒng)性的能源革命,作為所屬油田的油氣處理中心和電力供應(yīng)中心的浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading,FPSO)成為海洋油氣開發(fā)進(jìn)一步節(jié)能減排的主要挖潛目標(biāo)。目前中國(guó)大多數(shù)油田天然氣產(chǎn)量不足,FPSO電站多使用原油發(fā)電機(jī)[1],其產(chǎn)生的大量中溫?zé)煔馐强諝馕廴竞蜔嵛廴镜闹饕獊碓础Ｑ芯繜煔饣厥绽玫男录夹g(shù)和新模式,充分回收煙氣中的余熱資源和惰性氣體,不僅能夠創(chuàng)造大量能源利用的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益,還能促進(jìn)節(jié)能減排,助力“雙碳”目標(biāo)盡早實(shí)現(xiàn)[2-3]。

目前,中國(guó)海洋石油行業(yè)的海洋石油112 FPSO[4]、海洋石油115 FPSO[5]原油發(fā)電機(jī)排煙管上加裝了余熱回收裝置,回收的大量余熱用以加熱熱介質(zhì)系統(tǒng)的熱介質(zhì)油,部分取代了熱介質(zhì)鍋爐加熱,但沒有對(duì)煙氣進(jìn)行凈化處理,直接排放到大氣中造成污染。對(duì)于煙氣的回收利用,主要體現(xiàn)在將FPSO熱介質(zhì)鍋爐的煙氣用于惰氣系統(tǒng)。海洋石油118 FPSO將熱介質(zhì)鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣經(jīng)過處理后用作油艙惰封氣體[6]，但為保證煙氣流量滿足要求，往往需要提高熱介質(zhì)鍋爐的熱負(fù)荷生產(chǎn),此舉雖然實(shí)現(xiàn)了煙氣利用,但增加了能源消耗,且造成原油發(fā)電機(jī)煙氣余熱和煙氣的浪費(fèi)。此外,陸豐13-2 DPP在原油發(fā)電機(jī)煙管設(shè)立海水噴淋系統(tǒng)對(duì)煙氣進(jìn)行抑制、除塵和冷卻[7-8],海洋石油115 FPSO、海洋石油118 FPSO原油發(fā)電機(jī)的煙氣直接放空,氮氧化物、硫化物和灰分極大地污染了大氣環(huán)境。

綜上所述,中國(guó)FPSO廢熱廢煙回收利用的現(xiàn)狀是,回收原油發(fā)電機(jī)的中溫?zé)煔庥酂釙r(shí)卻未回收利用煙氣,回收熱介質(zhì)鍋爐低溫?zé)煔鈺r(shí)造成了額外的能源消耗,且大多數(shù)煙氣未經(jīng)過凈化處理。因此,本文針對(duì)上述現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一種FPSO原油發(fā)電機(jī)廢煙熱利用及凈化新模式,回收原油發(fā)電機(jī)的中溫?zé)煔庥酂釣闊峤橘|(zhì)系統(tǒng)提供熱量,同時(shí)將煙氣引入惰氣系統(tǒng)用作油艙惰封氣體,其余煙氣凈化處理后排放到大氣中。

1 FPSO煙氣綜合回收利用思路

目前,中國(guó)煙氣余熱利用的總體原則是“按質(zhì)用能、梯級(jí)利用”。FPSO原油發(fā)電機(jī)排煙溫度通常為250～400 ℃[9],屬于中溫?zé)煔?是FPSO熱介質(zhì)系統(tǒng)的理想熱源,見表1。FPSO作為油田電力供應(yīng)中心,發(fā)電量大,除了中溫?zé)煔饪苫厥绽糜酂彷^多外,煙氣量同樣可觀。因此,設(shè)計(jì)了FPSO原油發(fā)電機(jī)廢煙熱利用及凈化新模式，在回收利用原油發(fā)電機(jī)中溫?zé)煔庥酂岬耐瑫r(shí),還可將大量煙氣通過惰氣系統(tǒng)用作油艙惰封氣體。回收余熱后，在部分或完全替代了熱介質(zhì)鍋爐的同時(shí),也解決了惰氣系統(tǒng)煙氣來源問題。

表1 工業(yè)部門常見的工藝煙氣溫度表

1.1 原油發(fā)電機(jī)廢煙熱利用及凈化新模式

針對(duì)中國(guó)FPSO原油發(fā)電機(jī)廢煙熱利用及凈化方面的缺陷和不足,本文將現(xiàn)階段中國(guó)成熟的余熱回收技術(shù)和煙氣利用技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化整合,并首次提出對(duì)廢煙進(jìn)行凈化處理,設(shè)計(jì)出一種可同時(shí)實(shí)現(xiàn)“余熱回收、煙氣利用、煙氣凈化”的FPSO原油發(fā)電機(jī)廢煙熱利用及凈化新模式，其流程見圖1。

圖1 FPSO原油發(fā)電機(jī)廢煙熱利用及凈化新模式流程圖Fig.1 Flowchart of a new model of waste heat utilization and purification of FPSO crude oil generator flue gas

按惰氣來源方式分類,惰氣發(fā)生裝置可分為煙氣模式惰氣發(fā)生裝置、燃燒模式惰氣發(fā)生裝置以及同時(shí)包含兩種模式的多功能惰氣發(fā)生裝置[10]。多功能惰氣發(fā)生裝置的工作方式是,當(dāng)煙氣含氧量低于5%時(shí),煙氣由風(fēng)機(jī)抽出,經(jīng)預(yù)水洗塔冷卻并除塵后,由風(fēng)機(jī)打入各貨油艙;當(dāng)含氧量超過5%時(shí),煙氣和柴油二次燃燒，煙氣含氧量進(jìn)一步降低后由風(fēng)機(jī)打入各貨油艙。多功能惰氣發(fā)生裝置流程[11]見圖2。

圖2 多功能惰氣發(fā)生裝置流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of multifunctional inert gas system

通常FPSO只需要在貨油外輸和洗艙驅(qū)氣時(shí)才使用惰氣,此時(shí)需要投用多功能惰氣發(fā)生裝置;其他時(shí)間多功能惰氣發(fā)生裝置無需啟動(dòng)。

1.1.1 工況1:未投用多功能惰氣發(fā)生裝置

在無需投用多功能惰氣發(fā)生裝置時(shí),原油發(fā)電機(jī)的中溫?zé)煔馐紫冗M(jìn)入煙氣換熱器中,與熱介質(zhì)油充分換熱后的低溫?zé)煔膺M(jìn)入洗滌塔清潔除塵,凈化后的潔凈煙氣通過風(fēng)機(jī)直接排放到大氣中。

1.1.2 工況2:投用多功能惰氣發(fā)生裝置

當(dāng)需要啟用多功能惰氣發(fā)生裝置時(shí),打開風(fēng)機(jī)至多功能惰氣發(fā)生裝置隔離閥,關(guān)閉煙氣放空閥,潔凈煙氣通過風(fēng)機(jī)增壓后進(jìn)入多功能惰氣發(fā)生裝置，此時(shí)又可分為三種情況。

1)當(dāng)煙氣含氧量低于5%時(shí),多功能惰氣發(fā)生裝置無需啟動(dòng),惰氣直接經(jīng)過第二次凈化處理后進(jìn)入油艙惰封系統(tǒng)。

2)當(dāng)煙氣含氧量高于5%時(shí),多功能惰氣發(fā)生裝置啟動(dòng),煙氣與柴油混合二次燃燒后形成含氧量低于5%的合格惰氣，合格惰氣經(jīng)過第二次凈化處理后進(jìn)入油艙惰封系統(tǒng)。

3)當(dāng)上游流程故障,無法使用原油發(fā)電機(jī)煙氣時(shí),多功能惰氣發(fā)生裝置可以利用新鮮空氣助燃柴油制造惰氣,合格惰氣經(jīng)過第二次凈化處理后進(jìn)入油艙惰封系統(tǒng)。

1.2 新模式技術(shù)難點(diǎn)和解決方案

1.2.1 低溫腐蝕問題

在煙氣余熱利用技術(shù)中,換熱材料的低溫腐蝕問題最為突出。當(dāng)煙氣溫度低于硫酸蒸汽的酸露點(diǎn)時(shí),受熱面金屬會(huì)發(fā)生較嚴(yán)重的腐蝕[12]。工程實(shí)際應(yīng)用上根據(jù)適用的公式計(jì)算酸露點(diǎn),再根據(jù)酸露點(diǎn)設(shè)定換熱器的出口溫度。此外,換熱部位可應(yīng)用各類含氟聚合物材料,避免傳統(tǒng)金屬材料的腐蝕問題[13]。

1.2.2 換熱管積灰問題

在換熱器中,煙氣中的酸性組分和冷凝水混合后會(huì)附著在換熱管表面,輕則降低傳熱效率,重則增加煙氣流動(dòng)阻力并堵塞煙道。對(duì)此,業(yè)內(nèi)一般采用適當(dāng)提高煙速、優(yōu)選盤管間距、定期吹灰等措施解決積灰問題[14]。

1.2.3 煙氣含氧量不合格問題

原油發(fā)電機(jī)的煙氣含氧量一般為10%～15%[15],原油發(fā)電機(jī)負(fù)荷不同、工況變化均會(huì)導(dǎo)致煙氣含氧量發(fā)生變化，原油發(fā)電機(jī)煙氣排放口煙氣組分參數(shù)見表2。由于油船油艙惰氣要求含氧量低于5%[16],因此不能直接將原油發(fā)電機(jī)煙氣用作惰封氣體,除了對(duì)煙氣進(jìn)行降溫除塵處理外,還需進(jìn)一步降低煙氣含氧量。因此，在新模式中應(yīng)用了多功能惰氣發(fā)生裝置。

表2 原油發(fā)電機(jī)煙氣排放口煙氣組分參數(shù)表

2 案例分析

本文選取海洋石油118 FPSO作為實(shí)例研究對(duì)象,分析該設(shè)施應(yīng)用原油發(fā)電機(jī)廢煙熱利用及凈化新模式的可行性,同時(shí)對(duì)其經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益進(jìn)行量化評(píng)價(jià)。

海洋石油118 FPSO布置有6臺(tái)美國(guó)卡特彼勒公司 8 000 kW 原油/柴油雙燃料往復(fù)式原油發(fā)電機(jī),為全油田供電。在正常生產(chǎn)情況下,6臺(tái)原油發(fā)電機(jī)3用3備。熱介質(zhì)系統(tǒng)由3臺(tái)10 000 kW的熱介質(zhì)鍋爐、4臺(tái)熱介質(zhì)循環(huán)泵和1個(gè)熱介質(zhì)膨脹罐組成,為各個(gè)工藝環(huán)節(jié)提供熱量。海洋石油118 FPSO還布置了1套煙氣模式惰氣發(fā)生裝置,煙氣來源為熱介質(zhì)鍋爐；1套燃燒模式惰氣發(fā)生裝置,裝置燃料為柴油。

2.1 可行性分析

2.1.1 熱值理論計(jì)算

正常生產(chǎn)情況下,海洋石油118 FPSO的3臺(tái)原油發(fā)電機(jī)運(yùn)行,分配負(fù)荷為65%,美國(guó)卡特彼勒公司提供的原油發(fā)電機(jī)負(fù)荷與排煙溫度和排煙流量的關(guān)系見圖3。65%負(fù)荷下單臺(tái)原油發(fā)電機(jī)排煙流量為44 000 kg/h,總排煙流量共計(jì)132 000 kg/h,原油發(fā)電機(jī)排煙溫度為400 ℃(實(shí)測(cè))。煙氣定壓比熱容為1.2 kJ/(kg·K),設(shè)定余熱回收裝置煙氣出口溫度為150 ℃(經(jīng)典理論和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析認(rèn)為,排煙溫度在120～140 ℃內(nèi)為宜[17],為保持足夠的安全余量,這里采用換熱器煙氣出口溫度為150 ℃進(jìn)行核算)，余熱回收裝置效率暫取0.9,熱功率為9 900 kW。

圖3 原油發(fā)電機(jī)負(fù)荷與排煙溫度和排煙流量的關(guān)系圖Fig.3 Relationship between load of crude oil generator andflue gas temperature and flue gas flow rate

余熱回收裝置功率和典型年份熱負(fù)荷需求對(duì)比見圖4。

圖4 余熱回收裝置功率和典型年份熱負(fù)荷需求對(duì)比圖Fig.4 Comparison of power of waste heat recovery device andthermal load requirements in typical years

2019年海洋石油118 FPSO熱負(fù)荷為2 140 kW,為歷年最高。當(dāng)3臺(tái)原油發(fā)電機(jī)以高于65%負(fù)荷運(yùn)行、煙氣出口溫度低于150 ℃時(shí),余熱回收裝置可提供的功率至少為9 900 kW,大于FPSO熱介質(zhì)系統(tǒng)實(shí)際最高熱負(fù)荷需求2 140 kW;所以,加裝余熱回收裝置能夠充分滿足熱介質(zhì)系統(tǒng)對(duì)熱量的需求,可以部分或全部取代熱介質(zhì)鍋爐,即使當(dāng)后續(xù)油田產(chǎn)量高于預(yù)期,熱負(fù)荷高于預(yù)測(cè),余熱回收裝置也是熱站熱源的有力補(bǔ)充。

2.1.2 煙氣量計(jì)算

海洋石油118 FPSO正常生產(chǎn)時(shí)原油發(fā)電機(jī)組總排煙流量為13 200 kg/h,煙氣實(shí)測(cè)密度為0.684 kg/m3,故煙氣體積流量為19 298 m3/h,充分滿足FPSO日常洗艙作業(yè)惰氣需求。此外,惰氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力還應(yīng)是外輸速率的1.25倍[18]。在外輸工況下,海洋石油118 FPSO 4臺(tái)原油發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行,分配負(fù)荷為55%,單臺(tái)原油發(fā)電機(jī)排煙流量為38 500 kg/h,總排煙流量可達(dá)154 000 kg/h,折算體積流量為225 146 m3/h,而正常外輸速率為4 200 m3/h,煙氣需求量?jī)H為5 250 m3/h，原油發(fā)電機(jī)組總煙量完全滿足外輸惰氣需求。

2.2 經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

2.2.1 運(yùn)行成本效益

海洋石油118 FPSO熱負(fù)荷需求按最高2 140 kW計(jì)算,按年生產(chǎn)時(shí)率330 d計(jì),FPSO原油發(fā)電機(jī)廢煙熱利用及凈化新模式下每年可節(jié)約能耗 2 083 t 標(biāo)準(zhǔn)煤。將原油發(fā)電機(jī)煙氣用作油艙惰氣,按約10 d/次的外輸頻率計(jì),可節(jié)約柴油約450 t/a。

2.2.2 投資成本效益

由于工藝改造涉及面寬,影響較大,本文不考慮將現(xiàn)FPSO改造為原油發(fā)電機(jī)廢煙熱利用及凈化新模式,只考慮新造FPSO時(shí)采用新模式相對(duì)于舊模式的投資成本效益。在海洋石油118 FPSO,3臺(tái)額定熱功率10 000 kW的導(dǎo)熱油加熱爐總投資成本約240萬元,而在新模式中,2臺(tái)額定熱功率為10 000 kW的余熱回收裝置即可滿足工藝要求,根據(jù)市場(chǎng)均價(jià)2臺(tái)余熱回收裝置的投資成本僅50萬元。因此,新模式相較舊模式投資成本可節(jié)省約190萬元。此外,新模式的其他工藝設(shè)備在現(xiàn)FPSO中均有布置,不再核算其他設(shè)備的投資成本效益。

2.3 環(huán)保效益評(píng)價(jià)

當(dāng)前燃油工業(yè)煙氣中平均煙塵濃度為445.7 mg/m3,氮氧化物平均排放濃度為429 mg/kg,二氧化硫平均排放濃度為48 mg/kg[19]。根據(jù)海洋石油118 FPSO正常生產(chǎn)時(shí)原油發(fā)電機(jī)組總排煙流量13 200 kg/h(19 298 m3/h)計(jì)算,新模式下,按年生產(chǎn)時(shí)率330 d、煙氣凈化效率80%計(jì)算,海洋石油118 FPSO可減少煙塵排放54.5 t/a,減少氮氧化物排放35.84 t/a,減少二氧化硫排放4.01 t/a,環(huán)保效益顯著。

3 結(jié)論

1)余熱回收裝置能夠充分滿足熱介質(zhì)系統(tǒng)對(duì)熱量的需求,多功能惰氣發(fā)生裝置也能解決原油發(fā)電機(jī)煙氣含氧量不合格問題。兩種裝置引入后，F(xiàn)PSO原油發(fā)電機(jī)廢煙熱利用及凈化新模式完全滿足生產(chǎn)實(shí)際需要，后續(xù)油田產(chǎn)量高于預(yù)期,熱負(fù)荷高于預(yù)測(cè),余熱回收裝置也是熱站熱源的有力補(bǔ)充。

2)原油發(fā)電機(jī)組日常負(fù)荷下,排煙流量充分滿足FPSO日常洗艙作業(yè)惰氣需求。外輸工況下,煙氣需求量增加,但原油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷增加,排煙流量同樣增加,充分滿足原油外輸工況下的惰氣需求。

3)運(yùn)用新模式后,每年節(jié)約采油450 t,直接經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4)新模式可減少FPSO煙塵排放54.5 t/a,減少氮氧化物排放35.84 t/a,減少二氧化硫排放4.01 t/a,環(huán)保效益顯著。