工业余热回收与照明系统智能化在海洋石油平台的应用

（中海石油（中国）有限公司秦皇岛32-6作业公司， 天津 300459）

海洋石油平台大多依靠自备电站为生产及生活设备提供电能。随着油田增产项目的增加，生产设备不断更新，电力负荷日益增高，而平台电力系统装机容量有限，很多采油平台电站已接近满载[1-2]。装机容量有限的电网与不断投入的大功率设备间的矛盾日益凸显，电网的电力瓶颈难以突破，对于大功率设备的精细管理提出更高要求。为了解决电力缺口，同时为响应国家低碳环保、节能降耗的方针，海洋采油平台近年来不断探索与创新，将余热回收和电能的高效利用等多项前沿技术逐步应用于海上采油平台，取得了很好的效果[3-4]。

本文介绍了海上采油平台近年来对热能和电能的高效利用成果，通过对平台多个系统优化改造，实现各类节能技术在平台融合利用，达到节能降耗的目的。

1 余热回收系统的应用

1.1 发电机组冷却高温水余热回收

海上采油平台的电站一般由多台大型柴油机组组成，电站作为整个平台动力的“心脏”，为整个平台的生产、生活提供电能，其容量从几十兆瓦到上百兆瓦不等，该类电站一般配备备用机组，来实现与其他机组轮流切换，目的是开展定期的停机保养和机组大修。运行机组的缸套冷却水出口温度一般在70-85℃，需通过海水冷却或风冷却方式进行降温，目的是防止产生热应力使缸套损坏，之后再进行重复循环。而停机机组，缸套水一般要维持在45℃，如果水温较低会导致机组难于启动。因此，实现将运行机组高温水与备用机组低温水进行热互换，是一项重要节能措施。

(1)方案特点

该方案有以下优点：一方面能有效降低对高温水进行冷却的海水系统负担；另一方面备用机组低温水被有效加热，满足了机组暖缸要求，备用机组随时处于热备用状态；最后是节能效果明显，备用机组的大功率缸套水电加热器不需投入，从而节省了电能。

(2)方案实施

该项目实施的主要措施包括以下方面：①在机组高温水出口管线增加三通阀门，将部分高温水引出；②安装板式换热器，实现高温水与低温水热量交换；③换热完毕的高温水重新汇入高温水冷却管线。

(3)关键设备选型

该项改造的核心设备是板式换热器，此类换热器是目前工业领域应用广泛的换热设备。如图1所示。

图1 板式换热器结构

换热器的特点：①采用复杂流道设计，低雷诺数诱发湍流，换热系数高；②高比表面设计，体积和占地面积小；③介质适应性好；④接近全逆流换热，对数平均温差大；⑤末端温差小；⑥安装、维护、维修方便。

换热器的选型与设计：

①热流体的入口温度T1、出口温度T2，根据Q=qmlCpl(T1-T2)求出换热量Q：

②冷流体的入口温度t1、出口温度t2，根据

③根据传热系数估算传热面积：Q=K估A估ΦΔtm，K估和Φ都是跟冷却器形式有关的系数；

④选定换热器型号；

⑤冷却器安装的原则：

由于流量和压力与管道的长度成反比，因此在空间允许的条件下，尽量缩短与主机的距离，并减少弯头的数量，确保主机冷却液有足够的水功率[1]。

(4)方案实施效果

通过该项目的实施，对主机高温缸套水的余热进行了有效回收，通过一段时间运行，80-85℃的高温水完全满足备用机组45℃低温水的加热要求。另外，由于利用了板式换热器，两个机组冷却水只是温度传递，不会造成水质交叉污染，安全且可靠。改造简单，占地面积小，温度便于控制。节省了传统电加热器的大功率电能损耗，以及频繁对加热器维修和备件采办所需的人力和财力投入。

1.2 生产工艺系统热水余热回收

海洋石油平台是一座原油处理工厂，过程中会分离出大量高温生产水，这类生产水一般作为地层能量补充和提高原油采收率被回注入地层，但其所蕴含的大量热能未能进行回收；平台的水源井所采集的地热水，大部分用来补充地层能量，但其热能大部分没有得到有效利用而直接注入地层。生产水及地热水一般温度在80℃到110℃，对这类热能的综合回收利用，用来代替各类电加热器，实现平台生产及生活对热能的需求，是近年来海洋石油平台节能降耗的重点工作之一。

1.2.1 生活区地采暖设备改造

海洋平台人员生活办公区域，冬季大多采用单体空调、中央空调或各类电暖气采暖，然而由于人员居住较为集中，生活楼设计空间较为紧凑，该类设备冬季运行火灾隐患较多，这与海上油气生产平台将防火作为第一位的政策相悖。地热水或生产水作为热能来源，结合地暖管线，能很好地解决生活区办公区域的冬季取暖需求，通过该技术的应用，取暖效果好且低碳环保。

(1)系统设计

该系统如图2所示，主要包括地暖管线、支路控制器、带变频驱动的热水循环泵、板式换热器及生产水管线组成。

图2 地采暖换热示意图

100℃左右的生产水通过板式换热器和地暖水进行热量交换，通过热水循环泵将吸热完毕的地暖水循环到各房间，同时将冷水再次循环到板式换热器吸热，可通过调节变频驱动的热水循环泵转速和换热器出口安装可调节流量的蝶阀来实现流量控制，从而实现室内温度调节。

(2)改造效果

该系统的特点是对余热回收效率高，同时将生产水和地暖水通过板式换热器进行有效隔离，只进行热量交换，而不是将地暖水直接引入地暖系统，从而避免了生产水可能残余的腐蚀性物质对管线或人员造成危害的可能性，系统运行真正实现了安全可靠。

1.2.2 储罐加热器系统改造

海上采油平台生产工艺系统中一般包括体积各异的大小储罐，由于流程对液体温度的特殊要求及冬季气温较低时的防冻要求，一般每个罐体都配备了电加热器，功率从几千瓦到几百千瓦不等，是冬季平台电力的主要负荷之一。利用生产水余热，结合罐体内加热盘管，是有效电加热替代方案。

(1)关键设备特点及选型

内加热盘管的特点是结构简单、造价低、操作管理方便、管内可承受高压、安装灵活。可以适应容器的形状，弯曲成圆柱形或平板等形状，也可并联若干组以增加传热面积，甚至可在同一设备中采用两组独立的盘管，通入不同的热载体以充分利用热量，加热盘管如图3所示。但由于储罐的体积相对较大，储罐内流体的流速很低，所以管外给热系数相对较小，这将影响总传热系数的提高。此外，盘管本身通过的能力有限，而且管内难以清洗，故只适于传热负荷不很大的场合及较清洁的流体。为提高盘管外侧的给热系数，通常可以安装搅拌装置，以强化传热过程，提高总传热效率[5]。

图3 内加热盘管结构图

内加热盘管的设计选型原则

①当采用液体作为加热或保温介质时，为使盘管中充满液体，应从盘管下端送入液体；

②内加热盘管不宜过长，否则会增加流体阻力，消耗过多能量。当所需的传热面积较大时，宜采用若干组盘管并联来解决。

③内加热盘管直径不宜过大，过大增加加工制造的困难，一般常用管径在DN25～DN65。为防止盘管的压降过大，限制管内流速在0.3～0.8m/s。

④盘管内外圈之间的间距一般为2～3d0（其中d0为盘管外径），上下圈的垂直距离 应保持在1.5～2.0d0，而最外圈与储罐壁间的最小距离为100～200mm。

⑤在设计计算时，首先应根据管内流体的物性，选择适宜的流速，决定盘管直径及并联组数m，然后进行传热计算，求得传热面积，计算管长和圈数n，以及盘管的几何尺寸。

已知体积流量V0，则根据选定流速v，计算盘管并联组数m：

盘管总长Lt：Lt=a/πd0；每组长L：L=Lt/m；每圈盘管长l：l=√(nDc)2+h=πDc；每组的总圈数n：n=L/l；盘管高度Lc：Lc=nh；符号补充说明：di盘管内径，m；Dc盘管的平均圈径，m；ɑ表面给热系数，W/(m2•℃)，一般取11.6W/(m2•℃)

(2)改造效果

该项目的实施，有效地解决了大部分对传热负荷不很大的储罐的保温防冻及加热要求。同时，结合搅拌器及多组内加热管的并联应用，加热效果可以得到大幅提高。通过改造，节省了电加热器安装和维护费用，节约电能效果明显，发电机所带负载较之前下降约800～100kW。

2 智能开关在照明系统中的应用

海洋石油生产设施配备照明设备种类多、数量庞大，存在物资成本浪费、能源资源浪费、人力成本及维护增加、环境污染等缺点。针对这一海洋石油平台普遍存在的问题，旨在通过对海上现有照明系统进行电气改造，建立可视化、智能化的管理界面，从而实现对所有照明设备的智能化管理，既对设备的状态进行实时监控，也可做到智能启停，从而实现节能降耗的整体目标。

海上采油平台常用照明灯具包括，普通荧光灯具、防爆荧光灯具、防爆卤素灯具。一般的生活区室内及生产区的室内非危险区域都采用普通荧光灯，生产区其他区域大多选用防爆荧光灯和防爆投光灯。这类灯具数量众多，一个中型采油平台至少需要配备400到600盏灯具才能满足平台生产需要。荧光灯具一般布置于平台各人员通道周围，每盏功率60-100W；卤素投光灯具主要布置在各类工艺管线及设备区域，每盏功率250-400W。设备数量多、功耗大、维修成本高，是目前海洋石油平台照明系统的共同特点。

2.1 LED照明优点

近年来，随着节能照明设备技术不断成熟，LED照明设备在工业系统开始大面积推广，LED体积小，光色纯，开关时间短，可大幅降低电能消耗以及维护成本。LED照明设备优异的节能效果、启停特性以及智能空气开关的问世，为海洋石油平台照明系统节能改造提供了条件。

2.2 智能开关介绍

智能开关主要有如下功能：

(1)远程控制（借助通讯网络或无线网络，实现远程控制，并可以远程反馈开关信息），可将该所有开关接入平台电能管理系统EMS，实现开关远程监控和控制；

(2)定时设置（日出日落模式、可精准定制）开关分合并。可将平台几百盏室外防爆灯具实现“白天工作、晚上休眠”，并且将平台不同甲板、不同位置的照明分类设置工作时间，从而实现高效节能的目的。

(3)能耗管理（按设备、房间、楼层精准统计），通过网络接触电能管理系统EMS或APP实时生成统计报表，帮助电力调度人员跟踪分析电能使用情况。该方案相较于光感应控制，灵活性更强，避免了光感应控制在平台中下层甲板造成昏暗和光线不够的弊端。

2.3 安装方式

以常见P9智能开关为例，安装尺寸、方式和通用的照明空气开关类似，替换的灵活性高，可直接利用原先空间安装，重新完成接线即可，如图4所示。

图4 智能开关电气安装互联图

照明智能化控制系统的最大特点是场景控制，在同一室内可有多路照明回路，对每一回路亮度调整后达到某种灯光气氛称为场景；可预先设置不同的场景，切换场景时的淡入淡出时间，使灯光柔和变化。

可通过计算机网络对整个系统进行监控，例如了解当前各个照明回路的工作状态；设置、修改场景；当有紧急情况时控制整个系统及发出故障报警（例如回路电能消耗预警功能）。

2.4 改造效果

该方案相较于每个回路增加光感探头控制的成本高，线路改造复杂，探头数量偏少，容易造成部分区域白天照明亮度不足的情况。

LED照明设备和智能空气开关的组合使用，充分发挥了两种设备的优点，实现对照明系统的各种智能化管理及自动控制，有效地避免了电能的浪费。可在后期项目建造和施工中提前考虑。对节省工作量和智能化管理提供一个可预期的参考。

3 结语

随着我国经济的不断发展，对能源的需求也与日俱增；同时，伴随着新科技的日新月异，对于石油这种不可再生资源的高效利用，也将成为各行业不断探索的重要课题。工业余热回收及照明系统智能化改造项目的实施，在节能降耗方面取得了成效。随着各类新工艺、新材料在现代工业中的不断应用，例如海水淡化、光伏发电、伴生气利用、区域组网发电、电网无功补偿等节能技术逐步在海上油田推广，并取得了很好的经济效益。相信更加高效、节能、高产的海洋石油装备将不断涌现，为国家能源安全做出新贡献。