海上平臺主發(fā)電機(jī)組調(diào)試余熱回收裝置熱油循環(huán)方案設(shè)計及應(yīng)用

李汪洋，王君如，姬曉東，徐亞玲，畢華奇

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

近年來，深水油氣的勘探開發(fā)已經(jīng)成為研究的熱點及增儲上產(chǎn)的主力來源，深水大型平臺的建造前景巨大［1］?！吧詈Ｒ惶枴蹦茉凑臼? 500 m深水半潛式生產(chǎn)平臺，具備10萬噸級儲油能力，在我國深海工程發(fā)展史上具有里程碑式的意義［2-3］。項目透平發(fā)電機(jī)組是柴油與燃?xì)馔ㄓ玫碾p燃料發(fā)電機(jī)組，單機(jī)設(shè)計輸出功率為20 000 kW。透平主機(jī)是平臺的心臟，是調(diào)試的關(guān)鍵。

透平發(fā)動機(jī)組主要以消耗天然氣為動力。燃?xì)馐桨l(fā)動機(jī)組將天然氣熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的效率僅為30%～40%，而以排煙的形式排放到大氣中的熱量損失約為35%～45%［4-6］。因此，為了促進(jìn)節(jié)能減排，全面助力我國實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，3臺主機(jī)均設(shè)有大型的余熱回收裝置［7-9］。為了進(jìn)一步提高余熱回收效率，余熱回收裝置采用緊湊式結(jié)構(gòu)。煙氣排放通路上設(shè)有集成式熱油加熱盤管，其結(jié)構(gòu)緊湊，集成化程度高，但是對高熱量較為敏感。由于透平主發(fā)電機(jī)組負(fù)載調(diào)試期間，排放的煙氣必須要經(jīng)過余熱回收裝置，即使是設(shè)置煙氣旁通的情況下，仍至少會有1%的熱量排放進(jìn)入余熱回收裝置。同時，透平主發(fā)電機(jī)組負(fù)載調(diào)試期間，排放的煙氣溫度高達(dá)400 ℃以上，且滿載負(fù)載時間至少為2 h，煙氣排放時間長、強(qiáng)度大，卻無熱介質(zhì)使用用戶帶走熱量。高溫?zé)煔鉁羧菀自斐珊鏍t，對盤管進(jìn)行高溫炙烤，出現(xiàn)熱形變及管路生銹等問題。因此，余熱回收裝置無法在主機(jī)負(fù)載試驗期間長時間空運(yùn)行的問題亟需解決，而針對此問題的相關(guān)研究缺乏。為此，十分有必要開展研究制定調(diào)試方案，既保證主機(jī)正常調(diào)試，又防止余熱回收裝置受損害，同時為類似問題提供指導(dǎo)。

1 余熱回收裝置特性介紹

“深海一號”能源站的余熱回收裝置如圖1 所示，余熱回收裝置是熱介質(zhì)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，為工藝系統(tǒng)提供加熱熱源［10］。利用主發(fā)電機(jī)組的高溫排煙對裝置內(nèi)盤管中流動的熱介質(zhì)油進(jìn)行加熱升溫。余熱回收裝置內(nèi)加熱表面是帶有鋸齒狀螺旋翅片的碳鋼管［11］，散熱片厚度為1.3 mm，散熱片密度設(shè)計為上限密度，即每米197 片。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，其屬于緊湊式結(jié)構(gòu)［4，12］。散熱片延展和結(jié)構(gòu)緊湊后，加熱器的重量更輕、熱回收效率更高。所以，緊湊的設(shè)計具有明顯的價格優(yōu)勢和性能優(yōu)勢。余熱回收裝置碳鋼散熱片的耐高溫極限為454 ℃，設(shè)計溫度為350 ℃。如圖2所示，3 臺透平發(fā)電機(jī)組所排放的煙氣溫度均在400 ℃以上，滿載情況下煙氣溫度達(dá)770 ℃。高溫易造成烘爐和盤管形變和生銹。

圖1 “深海一號”能源站余熱回收裝置

圖2 透平發(fā)電機(jī)組不同負(fù)載情況下排放的煙氣溫度

如表1所示，單臺透平主發(fā)電機(jī)在不同功率下負(fù)載試驗穩(wěn)定運(yùn)行所需要的最少時間總計220 min，單機(jī)負(fù)載試驗平均負(fù)載功率為75%。

表1 單機(jī)負(fù)載試驗調(diào)試時間需求表

按照單機(jī)負(fù)載試驗平均負(fù)載90%保守考慮，余熱回收裝置此時的熱回收功率為15 000 kW。擋板閥的密封性最大為99%，即擋板旁通工況下，余熱回收裝置可吸收功率為150 kW。

根據(jù)透平調(diào)試時間需求，測試時進(jìn)入余熱回收系統(tǒng)的熱負(fù)荷：

式中：Q 為余熱回收裝置的熱負(fù)荷量，kJ；t 為調(diào)試時間，min。

因此，主機(jī)負(fù)載試驗過程中即使余熱回收裝置擋板閥旁通，每分鐘仍有9 000 kJ 的熱量被余熱回收裝置吸收。同時，主機(jī)負(fù)載實驗期間，熱介質(zhì)系統(tǒng)未機(jī)械完工，沒有使用用戶將熱量帶走，因此，余熱回收裝置無法在主機(jī)負(fù)載試驗期間長時間空運(yùn)行成為主機(jī)組負(fù)載試驗最大障礙。

2 方案設(shè)計及優(yōu)選

為了掃除主機(jī)調(diào)試障礙，防止余熱回收裝置干燒，利用平臺現(xiàn)有設(shè)施，設(shè)計氮氣吹掃、拆除移出加熱盤管和熱介質(zhì)油循環(huán)3種替代方案，并對3種方案進(jìn)行優(yōu)選。

2.1 氮氣吹掃

利用余熱回收管線上的吹掃口，接入連續(xù)的、滿足條件的干燥氮氣，并將其排空，以達(dá)到把多余的熱量帶走的目的，保證余熱回收裝置內(nèi)的溫度滿足廠家的要求。

進(jìn)入余熱回收裝置的煙氣溫度范圍為400～800 ℃，單機(jī)負(fù)載試驗平均負(fù)載90%的工況下，3 臺主機(jī)平均煙氣溫度約680 ℃，利用氮氣吹掃降到余熱回收裝置的設(shè)計溫度進(jìn)行排放，根據(jù)表1 可知，設(shè)計溫度為350 ℃，吹掃降低溫度差約330 ℃，根據(jù)公式：

式中：Q為氮氣吸收的熱量，kJ；m 為氮氣的質(zhì)量，kg；C 為氮氣等壓比熱容，kJ／（kg·℃）；ρ為氮氣的密度，kg／m3；ΔT為煙氣與氮氣的溫度差，℃；q 為氮氣的質(zhì)量流量，sm3／min；t為調(diào)試時間，min。

取氮氣等壓比熱容［13-14］C ＝1.04 kJ ／（kg·℃），ρ ＝1.25 kg／m3，根據(jù)廠家反饋以往的項目經(jīng)驗及查換熱器及冷卻器平均溫差相關(guān)圖版［15］，ΔT≈50 ℃。

根據(jù)式（1）和（2）計算，氮氣流量q ＝8 300 sm3／h。而平臺上空壓機(jī)的單機(jī)額定排量是1 050 sm3／h，根據(jù)設(shè)備資源考慮，很難達(dá)到如此大的流量要求。同時，氣體外部排放溫度較高，大流量的氮氣帶出大量的熱量，經(jīng)換熱將其溫度升高約至80 ℃，對周圍環(huán)境存在較大的安全風(fēng)險。

2.2 移出加熱盤管

根據(jù)余熱回收裝置操作說明書“如果要在高廢氣溫度下進(jìn)行空運(yùn)行，則閥門、配件和法蘭必須要與熱源保持一定距離，以確保溫度較低”，將余熱回收裝置撬拆除，移出加熱盤管，可以遠(yuǎn)離熱源。思考將余熱回收裝置撬拆除，移出盤管進(jìn)而遠(yuǎn)離熱源的可行性。

余熱回收裝置空間位置如圖3 所示。根據(jù)查閱設(shè)計圖紙，撬寬6 850 mm，而撬外所有步行空間寬5 685 mm。同時，由于空間較小、大量工藝管線及主結(jié)構(gòu)干涉吊裝，不利于移除。因此，將余熱回收裝置撬拆除移出，與熱源保持一定距離的操作施工困難。

圖3 余熱回收裝置空間位置

2.3 構(gòu)建熱油循環(huán)

利用熱介質(zhì)油排放罐、熱介質(zhì)油補(bǔ)給泵和臨時熱油管線，連接至余熱回收裝置，形成熱油循環(huán)，以達(dá)到將余熱回收裝置中的熱量帶走目的。

循環(huán)方案流程示意圖如圖4 所示，利用生產(chǎn)甲板的熱介質(zhì)油排放罐儲存熱油，熱介質(zhì)油補(bǔ)給泵提供循環(huán)動力。通過臨時熱介質(zhì)油管線將熱介質(zhì)油從補(bǔ)給泵出口分別接入余熱回收裝置，并從余熱回收裝置回接至熱介質(zhì)油排放罐，以達(dá)到熱介質(zhì)油整體循環(huán)的效果。通過熱介質(zhì)油循環(huán)降低余熱回收裝置內(nèi)部溫度，帶走煙氣熱量，同時持續(xù)循環(huán)，避免熱油結(jié)焦現(xiàn)象的產(chǎn)生。

圖4 熱油循環(huán)方案流程示意圖

熱介質(zhì)油排放罐外部尺寸為6 500 mm（長）×5 000 mm（寬）×4 000 mm（高），有效容積為100 m3。罐的液位低報警值為400 mm，考慮到補(bǔ)給泵的吸入口至少按照600 mm，并且罐內(nèi)熱介質(zhì)油的油溫溫升不宜過高，故罐內(nèi)的熱介質(zhì)油高度按照1 000 mm計算，罐內(nèi)的熱介質(zhì)油用量為32.5 m3。同時，3臺余熱回收裝置內(nèi)各考慮1 m3的用油以及約180 m 的三寸管線用油，熱介質(zhì)油的用量至少約為36.29 m3。

因此，余熱回收系統(tǒng)內(nèi)裝熱介質(zhì)油量按40 m3計算，環(huán)境溫度30 ℃。采用THERMINOL55 合成導(dǎo)熱油［16］，根據(jù)廠家資料，熱油的最大操作溫度為220 ℃，余熱回收裝置設(shè)計導(dǎo)熱油入口溫度為160 ℃，熱油等壓比熱容C ＝2.03 kJ／（kg·℃），熱油的密度ρ ＝864 kg／m3，根據(jù)式（1）和（3），熱油溫度由30 ℃溫升至160 ℃將余熱回收裝置中帶走的熱量，可以提供17 h的調(diào)試時間窗口。因此，此方案理論上可行，操作相對簡單。

式中：Q為熱油吸收的熱量，kJ；m 為熱油的質(zhì)量，kg；C 為熱油等壓比熱容，kJ ／（kg·℃）；ρ 為熱油的密度，kg／m3；ΔT為熱油溫度變化差值，℃。通過以上3種方案比較，熱油循環(huán)是將余熱回收裝置中的熱量帶走進(jìn)行換熱的最有效易行的途徑。

3 熱介質(zhì)油循環(huán)方案應(yīng)用

3.1 調(diào)試過程

利用熱介質(zhì)排放罐和補(bǔ)給泵構(gòu)建余熱回收系統(tǒng)循環(huán)，對透平發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)試。補(bǔ)給泵排量25 m3／h，排放罐中熱介質(zhì)油量為40 m3。9月22日，透平發(fā)電機(jī)C機(jī)空載1.9 h，熱油罐進(jìn)口熱油溫度達(dá)到148 ℃，調(diào)試被迫停止，調(diào)試過程中熱介質(zhì)油溫度隨時間變化如圖5所示。

圖5 C機(jī)調(diào)試過程中熱介質(zhì)油溫度隨時間變化

9月23 日，C 機(jī)透平滿載測試進(jìn)行30 min，熱油溫度由92 ℃迅速升至155 ℃。測試過程中，調(diào)試系統(tǒng)內(nèi)熱介質(zhì)油溫度不斷升高，在不增加其他熱用戶情況下，系統(tǒng)無法完成透平負(fù)荷調(diào)試需要。調(diào)試工作暫停。

經(jīng)計算，熱介質(zhì)油系統(tǒng)吸熱量達(dá)到了2 455 kW／h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過150 kW／h的設(shè)備擋板泄漏性能保證。多次測試后，熱油溫度升高仍然過快。為推動透平調(diào)試工作進(jìn)行，詳細(xì)檢查余熱回收裝置擋板閥密閉性，調(diào)整緊密度，并緊急拆除熱介質(zhì)油排放罐的保溫，增加2臺大功率風(fēng)機(jī)加強(qiáng)熱介質(zhì)油排放罐表面的強(qiáng)制冷卻。

9 月24 日，調(diào)整余熱回收裝置擋板閥緊密度后，拆除排放罐保溫，利用2 臺風(fēng)機(jī)風(fēng)冷排放罐表面，施工現(xiàn)場如圖6所示。C機(jī)組負(fù)荷測試，測試期間余熱回收熱油管線進(jìn)出口最大溫差為115 ℃，進(jìn)口溫度達(dá)155 ℃，熱油最大溫升速度12.4 ℃／15 min。每小時最大測試吸熱功率為1 000 kW。調(diào)試過程中熱介質(zhì)油溫度隨時間變化如圖7 所示。C機(jī)調(diào)試完成，但40 m3熱油提供的2 h調(diào)試時間，無法一次性完成單機(jī)負(fù)載調(diào)試工作，A、B機(jī)調(diào)試被迫停止。

圖6 施工現(xiàn)場

圖7 C機(jī)滿載測試過程中熱介質(zhì)油溫度隨時間變化

9月25日開始加注熱介質(zhì)油至81.2 m3。26 日，完成了B機(jī)負(fù)載測試，熱油溫升至132 ℃，B機(jī)負(fù)載測試過程中熱介質(zhì)油溫度隨時間變化如圖8所示。9月29日，完成了A機(jī)負(fù)載測試，熱油溫升至130 ℃。

圖8 B機(jī)負(fù)載測試過程中熱介質(zhì)油溫度隨時間變化

10月6日完成了3 臺主機(jī)聯(lián)調(diào)，測試前溫度為30 ℃，測試后升至122 ℃，測試期間最大溫差為92 ℃。至此，3 臺主機(jī)調(diào)試完成。

3.2 數(shù)據(jù)分析

通過透平發(fā)電機(jī)組調(diào)試過程中，對循環(huán)的熱介質(zhì)油溫度分析，根據(jù)式（1）和（3）求出不同降溫措施效果，如表2 所示，可以發(fā)現(xiàn)：擋板閥完全密閉后，余熱回收裝置擋板閥1 094 kW 的熱泄漏功率，遠(yuǎn)大于廠家提供的150 kW，這是調(diào)試工作無法順利進(jìn)行的主要原因。主機(jī)負(fù)載調(diào)試過程中，使用熱油循環(huán)對余熱回收裝置降溫起主要作用，占降溫效果的88%。利用熱介質(zhì)油補(bǔ)給泵不斷循環(huán)熱油所產(chǎn)生的環(huán)境降溫效果約占9%，而拆除熱介質(zhì)油排放罐的保溫、風(fēng)機(jī)強(qiáng)制冷卻為系統(tǒng)熱油輔助降溫效果僅占3%。

表2 不同降溫措施效果表

4 結(jié)束語

通過首次提出并使用熱油循環(huán)方案，為透平主發(fā)電機(jī)組調(diào)試期間，余熱回收裝置加熱盤管降溫。經(jīng)過以上調(diào)試方案及實踐，取得如下主要結(jié)論和認(rèn)識：

（1）透平主發(fā)電機(jī)組負(fù)載調(diào)試前，應(yīng)仔細(xì)檢查調(diào)整余熱回收裝置擋板閥的密閉情況，應(yīng)將擋板閥的泄漏控制在最低；

（2）擋板閥完全密閉后，余熱回收系統(tǒng)的擋板閥泄漏率在7%左右，與廠家提供的1%的泄漏數(shù)據(jù)偏差較大，是調(diào)試工作無法順利進(jìn)行的主要原因；

（3）主機(jī)負(fù)載調(diào)試過程中，使用熱介質(zhì)油循環(huán)對余熱回收裝置降溫起主要作用，同時可以通過加入熱介質(zhì)油量控制溫度升高速度；

（4）調(diào)試現(xiàn)場同時可以使用利用循環(huán)泵不斷循環(huán)熱油、拆除熱介質(zhì)油排放罐的保溫，增加風(fēng)機(jī)加強(qiáng)熱介質(zhì)油排放罐表面的強(qiáng)制冷卻等措施為系統(tǒng)熱油輔助降溫；

（5）為將來方便余熱回收裝置的保養(yǎng)和維修，余熱回收裝置撬旁設(shè)計的步行空間應(yīng)充分考慮余熱回收裝置拆除移出問題。