有机朗肯循环和卡琳娜循环在海上平台低温余热利用的性能对比*

刘春雨 郝 铭 万宇飞 王文光 刘际海

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

有机朗肯循环和卡琳娜循环在海上平台低温余热利用的性能对比*

刘春雨 郝 铭 万宇飞 王文光 刘际海

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

刘春雨,郝铭，万宇飞，等.有机朗肯循环和卡琳娜循环在海上平台低温余热利用的性能对比[J].中国海上油气，2017,29(4)：169-174.

LIU Chunyu,HAO Ming,WAN Yufei,et al.Comparison of organic Rankine cycle and Kalina cycle in terms of energy performance in low temperature waste heat utilization on offshore platforms[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):169-174.

海上采油平台能量消耗大，低温余热资源丰富，节能潜力巨大，其中低温烟气和低温生产水是2种最主要的余热资源。通过流程模拟，建立了基于低温烟气和低温生产水的循环模型并进行了参数影响分析，对比研究了有机朗肯循环和卡琳娜循环在海上平台低温烟气和低温生产水余热利用的性能,结果表明在2种热源情况下有机朗肯循环的性能均优于卡琳娜循环。本文研究成果可为海上平台低温余热的循环利用提供参考。

有机朗肯循环；卡琳娜循环；海上平台；低温烟气；低温生产水；参数影响；性能对比

海洋石油开发投入高、风险大，合理利用能源将有利于提高平台能源利用率，从而提高油田开发的经济效益，尤其是中小型油田和边际油田的开发[1]。

有机朗肯循环以低沸点有机物为工作介质，其优点是循环简单，能够根据热源的温度选择特定的介质，并通过使用干介质避免了涡轮叶片腐蚀问题[2]。Roy等[3]建立了一个以燃煤电厂140 ℃烟气为热源的有机朗肯循环，并进行了参数优化和性能分析。Pierobon等[2]建立了一个以北海某海上采油平台燃气透平高温烟气为热源的有机朗肯循环模型，并通过多目标优化对比分析了以丙烷和环戊烷为工作介质的循环性能、简易程度和经济回报。严雨林 等[4]建立了一套以低温地热为热源的有机朗肯循环实验系统，热源进口温度为90 ℃，实验结果表明工作介质蒸发压力和膨胀剂转速均会影响循环整体性能。卡琳娜循环是一种使用氨水混合物作为循环介质的循环系统，通过改变介质中氨的浓度实现“变温”蒸发[5]。Hettiarachchi等[6]测试了卡琳娜循环在低温地热余热资源利用上的应用，并研究了氨水质量浓度和透平入口压力对循环效率的影响，结果表明，对于给定的透平入口压力，可选出最优的氨水质量浓度并得到最佳的循环效率。卢志勇 等[7]使用EES软件建立了卡琳娜地热发电热力循环模拟，研究了冷凝温度、蒸发压力和氨的浓度等对循环效率的影响，模拟结果与实验参数较符合。Rodríguez等[8]使用Aspen HYSYS软件模拟了回收低温地热余热资源的有机朗肯循环和卡琳娜循环，结果表明卡琳娜循环输出功率比有机朗肯循环高18%。Nemati[9]建立并对比了基于有机朗肯循环和基于卡琳娜循环的热电联产系统余热回收热力学模型和优化分析结果，认为有机朗肯循环具备循环压力低、结构简单、输出功率高等特点，比卡琳娜循环更具应用前景。由此可见，对于低温余热(低于200 ℃)回收，目前不同学者对于上述2个循环的评价并不一致[10]。

为了更好地利用海上平台低温余热资源，本文对有机朗肯循环和卡琳娜循环在海上平台低温余热资源利用上的性能进行研究和对比分析，以期为海上平台低温余热的循环利用提供参考依据。

1 海上平台余热资源现状

海上平台余热可以分为高温(250～350 ℃)、中温(150～250 ℃)、低温(90～150 ℃)等3种，余热回收装置的功率范围为3 kW～15 MW[11]。海上采油平台可利用的余热资源主要是透平电站高温烟气的废热以及油水处理后得到的低温生产水，这2类余热资源数量多，具有很大的利用空间。

1.1 低温透平电站烟气余热

根据透平电站的技术原理，气体燃烧后得到高温气体，其能量只有1/3能够用于发电，剩余的2/3随透平烟气排放，形成高温烟气余热资源，如东海某DPP平台排烟温度为400～500 ℃，可利用余热量最高可达6000 kW[12]。目前高温烟气余热利用技术已较为成熟，应用也十分广泛。例如，北部湾盆地涠洲12-1 PUQB平台使用热介质系统回收利用透平电站的高温废气，以导热油为中间介质，将回收的热量传递给工艺物流，达到了余热利用的目的[13]；某海上平台利用溴化锂机组回收燃气透平高温烟气能量，并用于透平进口气体冷却，经余热利用后的排烟温度为160 ℃[14]。据了解，目前海上新投产平台透平电站已全部配备余热回收装置，因此本文主要研究经过烟气余热利用后的低温烟气的余热再利用。

1.2 低温生产水余热

海上采油平台中的生产水是指在采油过程中从地层中采出的地下水，也包括为了强化采油而注入的水。一般情况下，地层温度较高，油气处理时需要通过增温提高分离效率，导致生产水温度较高；而且油田采出量大，中后期含水率升高，生产水量大，可利用余热潜力大。例如，渤海金县1-1油田CEPA平台生产水温度为60～80 ℃，流量为468 m3/h；绥中36-1油田CEPO平台生产水温度为58～65 ℃，流量为1 980 m3/h[12,15]。

2 低温烟气余热利用模拟分析

本文使用文献[16]中记载的热介质锅炉高温燃气数据，其中流量为11 000 Nm3/m，压力为500 kPa，温度150 ℃，各组分含量：CO2为3.01%，H2O(g)为8.66%，N2为73.33%，O2为14.13%。

2.1 低温烟气余热有机朗肯循环建模及参数影响分析

在Aspen HYSYS软件中建立低温烟气余热有机郎肯循环模型，使用R236fa(六氟丙烷)和R600(正丁烷)作为循环介质，流体包为Peng-Robinson方程，模型中包括预热器、蒸发器、透平、冷凝器和介质泵。如图1所示，有机循环介质首先在预热器中被加热到泡点温度，然后在蒸发器中等温蒸发，完全变成气态后进入透平膨胀做功，降压后的循环介质再经过冷却水冷却至液态，最后进入介质泵增压形成完整循环过程。

图1 低温烟气余热有机朗肯循环模型示意图Fig .1 Sketch of organic Rankine cycle model for low temperature flue gas heat

蒸发压力对烟气余热有机朗肯循环的影响如图2所示，横坐标为循环介质蒸发压力，纵坐标分别为净输出功(外输功与介质泵的差值)和循环效率。模拟结果表明，R236fa和R600这2种循环介质均存在最佳的蒸发压力，这是因为虽然蒸发压力提高有助于透平膨胀做功，但是压力提高会使循环介质蒸发温度升高，在总热量不变的情况下会使循环介质量变少，从而导致整体做功呈现先增大后减小的现象；二者最大净输出功率相近(约为43 kW)，但是R236fa的最佳蒸发压力为1500 kPa，R600的最佳蒸发压力为2 000 kPa，二者相差500 kPa。随着蒸发压力增加，有机朗肯循环效率不断增加，并且R236fa的效率始终高于R600。由此可见，对于低温烟气余热有机朗肯循环，R236fa比R600更适合。 过热度对烟气余热有机朗肯循环的影响如图3所示，横坐标为循环介质蒸气过热度，纵坐标分别为净输出功和循环效率。模拟结果表明，这2种循环介质的净输出功率和循环效率与过热度的关系曲线变化趋势相同，净输出功随过热度的增大而线性减小，但循环整体效率未出现明显变化，这表明该循环最佳的透平进口温度为露点温度。

图2 蒸发压力对烟气余热有机朗肯循环的影响Fig .2 Effect of evaporating pressure to organic Rankine cycle of flue gas waste heat recovery

图3 过热度对烟气余热有机朗肯循环的影响Fig .3 Effect of degree of superheat to organic Rankine cycle of flue gas waste heat recovery

2.2 低温烟气余热卡琳娜循环建模及参数优选

在Aspen HYSYS软件中建立低温烟气余热卡琳娜循环(KCS11)模型，使用氨水混合物作为循环介质，流体包为RefProp方程，模型中包括蒸发器、分离器、透平、高温回热器、低温回热器、冷凝器和介质泵。如图4所示，氨水混合物在蒸发器中与烟气换热后蒸发，经过分离器分离，蒸气去透平膨胀做功，液体在高温回热器中与回流氨水换热，膨胀后的气体和换热后的液体混合后通入低温回热器中与冷却后介质换热，然后进入冷凝器冷却至液态，最后经过介质泵回流形成完整循环过程。

蒸发压力对烟气余热卡琳娜循环的影响如图5所示，氨水质量浓度分别为65%和70%时，净输出功随蒸发压力的增加呈现先增大后减小的趋势，原因与有机朗肯循环类似。在低压区(<1 700 kPa)低浓度介质输出功和循环效率更高，但在高压区高浓度介质性能更佳，这是因为平台条件所限，冷凝温度最低只能设置为25 ℃，所以高氨水质量浓度时需要的冷凝压力也高，这就限制了透平做功的能力。而在较高压力时，高氨水质量浓度导致的蒸气量大，覆盖了这部分影响。因此，高质量浓度氨水在较高的压力下能够获得更大的输出功率和循环效率。 氨水质量浓度对烟气余热卡琳娜循环的影响如图6所示，在指定压力下存在最适宜的氨水质量浓度，使得卡琳娜循环系统输出功和循环效率最大，这也是由于海上平台冷凝温度有限所导致，即随着浓度升高，蒸气量逐渐增多，但是透平压降变小，从而导致存在一个中间值使得整体性能最佳。

图4 低温烟气余热卡琳娜循环模型示意图Fig .4 Sketch of Kalina cycle model for low temperature flue gas heat

图5 蒸发压力对烟气余热卡琳娜循环的影响Fig .5 Effect of evaporating pressure to Kalina cycle of flue gas waste heat recovery

图6 氨水浓度对烟气余热卡琳娜循环的影响Fig .6 Effect of ammonia concentration to Kalina cycle of flue gas waste heat recovery

3 低温生产水余热利用模拟分析

本文仅是对比2种循环的性能，所以参照文献与生产实际设置生产水数据，其中温度为70 ℃，压力为200 kPa，流量为5 000 m3/d。

3.1 低温生产水余热有机朗肯循环建模及参数影响分析

低温生产水余热有机朗肯循环建模过程与低温烟气余热有机朗肯循环建模类似，只是根据余热温度将循环介质更换为R245fa(五氟丙烷)和R227ea(七氟丙烷)。蒸发压力对生产水余热有机朗肯循环的影响如图7所示，可以看出蒸发压力对循环净输出功率的影响较大，随着蒸发压力增大，净输出功率呈现先增高后减小的趋势，最佳蒸发压力为800 kPa。由于热源温度的限制，蒸发压力较烟气余热利用循环低1 000～1 500 kPa，循环效率低10%,但2种循环介质性能差别不大。

图7 蒸发压力对生产水余热有机朗肯循环的影响Fig .7 Effect of evaporating pressure to organic Rankine cycle of production water waste heat recovery

3.2 低温生产水余热卡琳娜循环建模及参数影响分析

低温生产水余热卡琳娜循环建模过程与低温烟气余热卡琳娜循环建模类似。蒸发压力和氨水质量浓度对生产水余热卡琳娜循环的影响分别如图8、9所示。从图8可以看出，净输出功和循环效率均呈现“增大—减小—增大—减小”现象，但最佳蒸发压力出现在较高的压力阶段。同样由于热源温度较低，蒸发压力较烟气余热利用循环低1 000 kPa左右，循环效率也只有烟气余热利用循环的50%。从图9可以看出，由于海上平台冷凝温度有限，对于低温生产水余热卡琳娜循环，在指定压力下同样存在最适宜的氨水质量浓度，使得卡琳娜循环系统输出功和循环效率最大，即随着浓度升高，蒸气量逐渐增多，但是透平压降变小，从而导致存在一个中间值使得整体性能最佳，而且氨水质量浓度为70%和65%时循环性能差别较小。

图8 蒸发压力对生产水余热卡琳娜循环的影响Fig .8 Effect of evaporating pressure to Kalina cycle of production water waste heat recovery

图9 氨水质量浓度对生产水余热卡琳娜循环的影响Fig .9 Effect of ammonia concentration to Kalina cycle of production water waste heat recovery

4 2种循环低温余热回收性能对比

有机朗肯循环和卡琳娜循环在海上平台低温余热利用上的性能对比如表1所示。从表1可知，海上平台低温烟气有机朗肯循环的热效率可以达到13.9%，循环火用损为43.9%;而卡琳娜循环的热效率为13.1%，循环火用损为46.4%。由此可见，对于海上平台150 ℃的低温烟气而言，有机朗肯循环要优于卡琳娜循环，而卡琳娜循环的排烟温度最低只能降至85 ℃，存在一定的能量浪费，且循环压力也较高。另外，海上平台低温生产水有机朗肯循环的热效率为6.9%，火用损为50.2%，而卡琳娜循环热效率为5.6%，火用损为58.4%，经过2个循环后的水温均为66.4 ℃，有机朗肯循环的性能依然优于卡琳娜循环。

表1 两种低温热源余热回收情况对比Table 1 Waste heat recovery comparison of different waste heat sources

5 有机朗肯循环余热回收效果展望

根据透平厂家提供的运行参数，通过流程模拟，可以快速计算出不同型号透平的低温烟气经有机朗肯循环后的回收功率。如图10所示，目前主要透平型号的低温烟气，通过有机朗肯循环可回收余热功率为200～500 kW/台，可见，有机朗肯循环在透平机组低温余热的循环利用上具有较好的应用效果。例如，目前渤海北部某油田群采用电力组网模式，共有12台Titan-130机组和4台MARS100机组，正常情况下采用并网模式运行(为10用6备)，经计算，通过有机朗肯循环可利用余热达4 300 kW。渤海南部某油田群采用电力组网模式，共有10台Titan-130机组，正常情况下采用并网模式运行(为8用2备)，经计算，通过有机朗肯循环可利用余热达3 400 kW。

图10 低温烟气余热有机朗肯循环回收潜力Fig .10 Energy-saving potentiality of flue gas waste heat recovery by organic Rankine cycle

6 结论

低温烟气和低温生产水的有机朗肯循环和卡琳娜循环余热回收性能研究结果表明，对于低温烟气和低温生产水，有机朗肯循环的净外输功比卡琳娜循环分别高3.7 kW和12.1 kW，循环系统热效率分别高0.8%和1.3%，火用损分别低3.5 kW和8.2 kW，而且有机朗肯循环操作参数更加缓和，结构更简单，更有利于在海上采油平台应用。本文研究结果为海上平台低温余热循环利用选择提供了依据。

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(编辑：吕欢欢)

Comparison of organic Rankine cycle and Kalina cycle in terms of energy performance in low temperature waste heat utilization on offshore platforms

LIU Chunyu HAO Ming WAN Yufei WANG Wenguang LIU Jihai

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300459,China)

Energy consumption on offshore production platforms is enormous; on the other hand there are abundant low temperature heat resources there, hence a great potential of energy saving.The main waste heat resources are low temperature flue gas and low temperature produced water.In this paper, via process simulation, the cyclic models were established based on the waste heat resources of low temperature flue gas and low temperature produced water, with the parameters analyzed and optimized.The comparison of organic Rankine cycle and Kalina cycle in terms of energy performance in low temperature waste heat utilization was conducted, treating the flue gas and produced water as heat resources.The results show that organic Rankine cycle is superior to Kalina cycle in both cases.The results of this paper can be a reference for the cyclic utilization of low-temperature waste heat on offshore platforms.

organic Rankine cycle; Kalina cycle; offshore platform; low temperature flue gas; low temperature produced water; parameter influence; performance comparison

刘春雨，男，高级工程师，1997年毕业于江苏石油化工学院，获学士学位，现主要从事海上油气田地面工程的研究和设计工作。地址：天津市滨海新区海川路2121号渤海石油管理局B座(邮编：300459)。E-mail:liuchy2@cnooc.com.cn。

刘际海，男，助理工程师，2015年毕业于中国石油大学(北京)，获硕士学位，现主要从事海上油气田地面工程的研究和设计工作。地址：天津市滨海新区海川路2121号渤海石油管理局B座(邮编：300459)。E-mail:liujh77@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0169-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.023

TE68

A

2017-01-23 改回日期：2017-04-12

*“十三五”国家科技重大专项“高粘原油输送技术研究及应用(编号：2016ZX05058-004-003)”部分研究成果。