海上平臺(tái)余熱制冷技術(shù)應(yīng)用研究

趙河山 金 丹 秦逸涵 吳堯增 徐海波 秦小剛 劉向東

(中海油研究總院有限責(zé)任公司,北京)

0 引言

位于中國(guó)南海的海洋石油平臺(tái),常年處于高溫高濕環(huán)境,為了滿(mǎn)足平臺(tái)生活樓人員的舒適度要求,通常采用電驅(qū)壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)制冷。船用電驅(qū)壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)在制冷時(shí)會(huì)消耗大量的電能,其產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲也會(huì)對(duì)人員產(chǎn)生影響。

海上平臺(tái)一般設(shè)有主電站系統(tǒng),為平臺(tái)或區(qū)域供電[1]。以南海某油田新建平臺(tái)為例,平臺(tái)設(shè)置了燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組,機(jī)組發(fā)電過(guò)程中產(chǎn)生的高溫?zé)煔獗挥酂峄厥昭b置回收利用,制得高溫導(dǎo)熱油用于工藝流程加熱,該部分熱量亦可以用于制冷。

溴化鋰吸收式制冷機(jī)組以溴化鋰溶液作為吸收劑,以水作為制冷劑,利用水在高真空狀態(tài)下低溫蒸發(fā)吸收熱量達(dá)到制冷的目的。由于它具有節(jié)省能源、不污染環(huán)境、效率高、噪聲低、一機(jī)多用、自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)而被越來(lái)越多的用戶(hù)所采用[2]。但在新建海上平臺(tái)中沒(méi)有使用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的先例[1]。本文以南海某新建海上平臺(tái)生活樓空調(diào)系統(tǒng)首次應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組為例,研究分析了溴化鋰吸收式制冷技術(shù)在海上平臺(tái)的應(yīng)用可行性和節(jié)能經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明,在海上平臺(tái)使用溴化鋰吸收式制冷技術(shù),其方案可行并具有節(jié)能和經(jīng)濟(jì)效益,可在具備條件的海上平臺(tái)推廣。

1 海上平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化生活樓空調(diào)系統(tǒng)概述

中海油海上平臺(tái)生活樓通常采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)方案。以南海某新建平臺(tái)120人標(biāo)準(zhǔn)化生活樓為例,生活樓總制冷負(fù)荷為420 kW,采用間接冷卻式集中空調(diào)設(shè)計(jì)方案。該方案利用船用螺桿式冷水機(jī)組消耗電能制出7 ℃冷水,通過(guò)冷水泵輸送至位于生活樓各層的空調(diào)機(jī)組冷卻室外新風(fēng)與室內(nèi)回風(fēng)的混合空氣。常規(guī)海上平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化生活樓空調(diào)系統(tǒng)流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 常規(guī)海上平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化生活樓空調(diào)系統(tǒng)流程圖

常規(guī)海上平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化生活樓空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備如表1所示。

表1 常規(guī)海上平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化生活樓空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備

船用螺桿式冷水機(jī)組和冷水循環(huán)泵布置于生活樓1層甲板,空調(diào)機(jī)組布置于生活樓各層甲板兩側(cè)樓梯通道處,各設(shè)備之間通過(guò)冷水管相連。

2 溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用研究

2.1 技術(shù)概述和發(fā)展現(xiàn)狀

溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的工作原理與氨、氟利昂蒸氣壓縮式制冷機(jī)一樣,都是利用液體相變過(guò)程形成制冷循環(huán),不同的是蒸氣壓縮式制冷是靠消耗機(jī)械功或電能使熱量從低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移,而溴化鋰制冷機(jī)是靠消耗熱能來(lái)完成這種非自發(fā)過(guò)程[3]。

溴化鋰吸收式制冷機(jī)組具有以下優(yōu)點(diǎn):

1) 溴化鋰吸收式制冷機(jī)組具有節(jié)能和耗電量小的優(yōu)點(diǎn)。溴化鋰吸收式制冷機(jī)組能利用低品位熱能(余熱、廢熱、排熱),大量減少能耗;以熱能為動(dòng)力,溴化鋰吸收式制冷機(jī)可以比利用電能為動(dòng)力的壓縮式制冷機(jī)明顯減少電耗[4]。

2) 溴化鋰吸收式制冷機(jī)組具有噪聲小、運(yùn)行振動(dòng)小的優(yōu)點(diǎn)。整個(gè)機(jī)組除功率較小的屏蔽泵外,無(wú)其他運(yùn)動(dòng)部件,運(yùn)行安靜,A聲級(jí)噪聲僅75～80 dB[4]。

3) 溴化鋰吸收式制冷機(jī)組使用的工質(zhì)為溴化鋰水溶液,具有無(wú)毒、無(wú)味、不易燃等安全環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)溴化鋰吸收式制冷機(jī)組在真空狀態(tài)下運(yùn)行,無(wú)高壓爆炸危險(xiǎn),安全可靠[4]。

4) 溴化鋰吸收式制冷機(jī)組具有制冷量調(diào)節(jié)范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。其在20%～100%負(fù)荷率內(nèi)可進(jìn)行冷量的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié),并且能隨著負(fù)荷的變化調(diào)節(jié)溶液循環(huán)量,有著優(yōu)良的調(diào)節(jié)性能[4]。

溴化鋰吸收式制冷機(jī)組也存在著以下問(wèn)題,需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中盡量采取預(yù)防措施。

1) 溴化鋰溶液對(duì)普通碳鋼具有較強(qiáng)的腐蝕性,在大氣環(huán)境下腐蝕性更強(qiáng)。機(jī)組和管線(xiàn)發(fā)生腐蝕會(huì)導(dǎo)致氣密性下降,對(duì)機(jī)組性能、正常運(yùn)行和設(shè)備壽命產(chǎn)生影響。

2) 溴化鋰吸收式制冷機(jī)組對(duì)于氣密性要求很高,對(duì)設(shè)備的生產(chǎn)制造有著非常高的要求,即使漏入微量的空氣也會(huì)影響機(jī)組的性能[4]。

世界上第1臺(tái)吸收式制冷機(jī)于1858年誕生在法國(guó)。我國(guó)于20世紀(jì)60年代開(kāi)始研究吸收式制冷機(jī),90年代,溴化鋰吸收式制冷機(jī)組進(jìn)入了全面發(fā)展時(shí)期,其生產(chǎn)企業(yè)不斷增加,產(chǎn)品產(chǎn)量及產(chǎn)值迅速提高,技術(shù)水平也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步[2]。

目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)新建海上平臺(tái)溴化鋰吸收式制冷機(jī)組應(yīng)用案例。在南海西江平臺(tái)曾對(duì)空調(diào)系統(tǒng)實(shí)施節(jié)能改造,將平臺(tái)上1臺(tái)電驅(qū)壓縮式制冷機(jī)組替換為溴化鋰吸收式制冷機(jī)組,采用高溫生產(chǎn)水作為機(jī)組的驅(qū)動(dòng)熱源,但由于生產(chǎn)水水質(zhì)較差,機(jī)組內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)垢堵塞的情況,目前已經(jīng)停止使用。

2.2 海上平臺(tái)余熱資源分析

根據(jù)余熱形式,溴化鋰吸收式制冷機(jī)組可以分為煙氣型、蒸汽型和熱水型3種類(lèi)型,具體使用哪種類(lèi)型的溴化鋰吸收式制冷機(jī)組需結(jié)合海上平臺(tái)余熱資源情況進(jìn)行分析。表2對(duì)比了3種類(lèi)型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的使用工況和優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 3種類(lèi)型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的使用工況和優(yōu)缺點(diǎn)

以南海某新建平臺(tái)為例,該平臺(tái)設(shè)有25 MW燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組,機(jī)組發(fā)電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生高溫?zé)煔?。由于平臺(tái)上有工藝用熱需求,因此僅設(shè)置了10 MW余熱回收裝置,該裝置利用煙氣余熱制出高溫導(dǎo)熱油用于工藝流程加熱。

如直接利用平臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組的高溫?zé)煔?需要增加大尺寸煙道和煙氣擋板閥用于將煙氣引入機(jī)組,同時(shí)需要增加補(bǔ)燃裝置,用于穩(wěn)定煙氣溫度,整體投資較高。考慮到溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的運(yùn)行安全性,無(wú)法直接使用導(dǎo)熱油作為驅(qū)動(dòng)熱源,需用換熱器制備高溫?zé)崴蛴糜酂徨仩t制備飽和蒸汽。采用余熱鍋爐制備飽和蒸汽,輔助系統(tǒng)投資較高,且對(duì)安全性要求較高。使用熱水作為溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的驅(qū)動(dòng)熱源,雖然效率比使用蒸汽低,但輔助系統(tǒng)投資相對(duì)較低,且使用煙氣余熱可以減少燃料的消耗并降低空調(diào)系統(tǒng)電負(fù)荷,整體是節(jié)能的。

2.3 溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用方案

南海某新建平臺(tái)采用1臺(tái)熱水型溴化鋰吸收式制冷機(jī)組代替常規(guī)海上平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化生活樓空調(diào)系統(tǒng)中的船用螺桿式冷水機(jī)組作為生活樓主要制冷設(shè)備。余熱回收裝置利用主電站尾氣余熱加熱導(dǎo)熱油,高溫導(dǎo)熱油進(jìn)入換熱器加熱淡水,淡水通過(guò)熱水循環(huán)泵增壓后進(jìn)入溴化鋰吸收式制冷機(jī)組,完成對(duì)溴化鋰溶液加熱后返回?fù)Q熱器完成閉式循環(huán)。為了滿(mǎn)足熱水閉式循環(huán)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定和補(bǔ)水需求,設(shè)置了熱水定壓膨脹罐和補(bǔ)水管線(xiàn)接口,溴化鋰吸收式制冷機(jī)組使用海上平臺(tái)閉式循環(huán)冷卻系統(tǒng)的淡水進(jìn)行制冷劑和溴化鋰溶液的冷卻。熱水閉式循環(huán)系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 熱水閉式循環(huán)系統(tǒng)流程圖

溴化鋰吸收式制冷機(jī)組利用高溫?zé)崴?qū)動(dòng)溴化鋰溶液實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)-吸收循環(huán),制備7 ℃的冷水,冷水由冷水泵輸送至生活樓各層空調(diào)機(jī)組。為了滿(mǎn)足冷水循環(huán)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定和補(bǔ)水需求,還設(shè)置了冷水定壓膨脹罐和補(bǔ)水管線(xiàn)接口。應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的生活樓空調(diào)系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的生活樓空調(diào)系統(tǒng)流程圖

應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組后的生活樓空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備數(shù)量和規(guī)格參數(shù)如表3所示。

表3 應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的生活樓空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備

代替原來(lái)1臺(tái)船用螺桿式冷水機(jī)組的溴化鋰吸收式制冷機(jī)組布置于生活樓1層甲板,冷水泵和空調(diào)機(jī)組布置位置與常規(guī)海上平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化生活樓空調(diào)系統(tǒng)布置保持一致。熱水閉式循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備布置于余熱回收裝置旁的甲板上。

2.4 海上平臺(tái)應(yīng)用適應(yīng)性分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)

溴化鋰吸收式機(jī)組通常用于陸地。海上平臺(tái)所處海洋環(huán)境條件比陸地惡劣,具有空氣相對(duì)濕度大、含鹽量高的特點(diǎn)。海上平臺(tái)設(shè)備通常露天布置,缺少船用產(chǎn)品選型、選材經(jīng)驗(yàn)及產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)例[1],因此需要進(jìn)行海上平臺(tái)應(yīng)用的適應(yīng)性分析,并針對(duì)相應(yīng)問(wèn)題提出優(yōu)化設(shè)計(jì)和解決方案。

1) 海洋環(huán)境腐蝕性。

針對(duì)海洋環(huán)境空氣相對(duì)濕度大、含鹽量高的特點(diǎn),本項(xiàng)目將溴化鋰吸收式制冷機(jī)組放置于集裝箱外殼中,集裝箱外殼采用不銹鋼材質(zhì),防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP56。集裝箱由溴化鋰吸收式制冷機(jī)組供應(yīng)商隨機(jī)組一同供貨,集裝箱罩內(nèi)根據(jù)要求設(shè)置相應(yīng)的通風(fēng)、照明、消防、排水等設(shè)施,并預(yù)留檢修門(mén)。針對(duì)海水腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn),本項(xiàng)目利用海水-淡水換熱器提供冷卻水對(duì)機(jī)組進(jìn)行冷卻。

2) 海上平臺(tái)振動(dòng)。

雖然海上固定平臺(tái)與船舶相比,其搖擺要小得多,但是相對(duì)平穩(wěn)的陸地來(lái)說(shuō),海上平臺(tái)的搖擺等振動(dòng)帶來(lái)的鋼結(jié)構(gòu)振動(dòng)不容忽視[1]。本項(xiàng)目為了避免海上平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)甲板振動(dòng)造成接口破損,減輕結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)機(jī)組的影響,在機(jī)組所在位置局部進(jìn)行了鋼結(jié)構(gòu)甲板加強(qiáng)設(shè)計(jì)。在溴化鋰吸收式制冷機(jī)組本體底座采取增加橡膠隔振墊等隔振措施,在與機(jī)組連接的管線(xiàn)處采取增加軟連接或管道減振托架等措施。另外,在溴化鋰吸收式制冷機(jī)組上設(shè)置了自動(dòng)集氣抽真空裝置,該裝置可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)組真空度,根據(jù)需要定期開(kāi)啟真空泵向外抽氣以保障機(jī)組真空度,減少機(jī)組制冷量的衰減。

3) 海上平臺(tái)水質(zhì)。

海上平臺(tái)淡水是本項(xiàng)目溴化鋰吸收式制冷機(jī)組的驅(qū)動(dòng)熱源工質(zhì),水質(zhì)滿(mǎn)足機(jī)組運(yùn)行要求是保障機(jī)組運(yùn)行效果和延長(zhǎng)機(jī)組使用壽命的充分必要條件。GB/T 18431—2014《蒸汽和熱水型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組》中明確規(guī)定了補(bǔ)充水水質(zhì)要求。本項(xiàng)目海上平臺(tái)使用的淡水來(lái)源于海水淡化裝置,該裝置的出水水質(zhì)滿(mǎn)足HY/T 247—2018《海水淡化產(chǎn)品水水質(zhì)要求》二級(jí)反滲透法產(chǎn)品水水質(zhì)要求。經(jīng)對(duì)比分析,本平臺(tái)海水淡化裝置出水水質(zhì)可以基本滿(mǎn)足溴化鋰吸收式制冷機(jī)組運(yùn)行的熱源水質(zhì)要求。本項(xiàng)目淡水和GB/T 18431—2014《蒸汽和熱水型溴化鋰吸收式冷水機(jī)組》補(bǔ)充水水質(zhì)要求關(guān)鍵項(xiàng)對(duì)比如表4所示。

表4 水質(zhì)要求對(duì)比

4) 設(shè)備第三方認(rèn)證。

為了滿(mǎn)足新建平臺(tái)的完整性要求,所有海上平臺(tái)的設(shè)備需獲得國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局中國(guó)海洋石油作業(yè)安全辦公室批準(zhǔn)的第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)頒發(fā)的證書(shū)。供應(yīng)商應(yīng)負(fù)責(zé)安排機(jī)構(gòu)認(rèn)證,并承擔(dān)取證費(fèi)用。以中國(guó)船級(jí)社取證為例,對(duì)本項(xiàng)目溴化鋰吸收式制冷機(jī)組整體進(jìn)行取證,由于設(shè)備主要部件為壓力容器,常規(guī)溴化鋰吸收式制冷機(jī)組供應(yīng)商的熱水型機(jī)組均滿(mǎn)足TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的相關(guān)要求,因此本項(xiàng)目溴化鋰吸收式制冷機(jī)組擬按其他第一類(lèi)、第二類(lèi)及常壓壓力容器取得CCS《海上固定設(shè)施產(chǎn)品檢驗(yàn)證書(shū)》,檢驗(yàn)類(lèi)別為B類(lèi),證件類(lèi)別為C/E。取證工作主要包括設(shè)計(jì)審圖和現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn),整體費(fèi)用約為設(shè)備合同額的3%,取證審圖周期大約為20個(gè)工作日。

3 方案和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組和采用船用冷水機(jī)組2種方案的主要設(shè)備數(shù)量、規(guī)格和電功率差異如表5所示。

表5 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量、規(guī)格和電功率差異

從表5可以看出,采用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組代替1臺(tái)船用冷水機(jī)組,增加了換熱器、熱水定壓膨脹罐和熱水循環(huán)泵3種設(shè)備,減少了1臺(tái)船用冷水機(jī)組。方案1的電功率較方案2減少了94 kW。

從投資上來(lái)看,2種方案機(jī)組設(shè)備投資基本相同,輔助系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備投資方案1增加約55萬(wàn)元,機(jī)組維保和備品備件費(fèi)用方案1每年增加1.5萬(wàn)元。設(shè)備初投資、維保和備品備件費(fèi)用對(duì)比如表6所示。

表6 設(shè)備初投資、維保和備品 備件費(fèi)用對(duì)比 萬(wàn)元

以空調(diào)系統(tǒng)每年運(yùn)行150 d計(jì)算,使用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組代替電驅(qū)壓縮式制冷機(jī)組作為生活樓制冷冷源,年均節(jié)電約33.8×104kW·h,節(jié)省的電量折合燃?xì)饧s13.8×104m3,考慮設(shè)備維保費(fèi)用后年均節(jié)省費(fèi)用約27萬(wàn)元。在項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)年限內(nèi)可實(shí)現(xiàn)累計(jì)節(jié)省天然氣約186.5×104m3,累計(jì)可節(jié)省費(fèi)用約371萬(wàn)元,可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)年限內(nèi)凈現(xiàn)值(NPV)約210萬(wàn)元。

4 結(jié)論

分析表明,在具有應(yīng)用條件的海上平臺(tái)上用溴化鋰吸收式制冷機(jī)組代替常規(guī)使用的電驅(qū)壓縮式制冷空調(diào)機(jī)組是可行的,且具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能示范作用,建議進(jìn)行推廣,但在應(yīng)用該技術(shù)之前還需進(jìn)行適用性和經(jīng)濟(jì)性分析。

南海某新建平臺(tái)生活樓應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷技術(shù)后可以有效利用平臺(tái)余熱,降低電能和燃?xì)庀?降低碳排放,機(jī)組在維保檢修期間可以使用船用冷水機(jī)組(電驅(qū))作為備用,有效保障了生活樓正常供冷。該方案還有效利用了平臺(tái)熱介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng),僅新增了1套熱水閉式循環(huán)系統(tǒng),設(shè)備尺寸、質(zhì)量對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案影響不大,技術(shù)方案可行。

從設(shè)備投資和經(jīng)濟(jì)性上看,2種方案設(shè)備初投資基本相同,溴化鋰吸收式制冷方案考慮熱水循環(huán)系統(tǒng)后相較常規(guī)設(shè)計(jì)方案投資增加約55萬(wàn)元。采用溴化鋰吸收式制冷方案后年均可節(jié)省費(fèi)用約27萬(wàn)元,大約2年可以回收新增投資。在項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)年限內(nèi)可實(shí)現(xiàn)凈現(xiàn)值(NPV)約210萬(wàn)元。