海上平台烟气余热利用分析与工艺优化

张雨 贺相军

作者简介：张雨（1993-），工程师，从事海洋石油平台设计和建造工作，zy165416@163.com。

引用本文：张雨，贺相军.海上平台烟气余热利用分析与工艺优化[J].化工机械，2024，51（3）：470-476.

DOI：10.20031/j.cnki.0254?6094.202403020

摘 要 依托南海某在建钻采平台，从工艺原理、工艺流程、有机工质的选择、安全性、能源节约及降低二氧化碳排放等方面进行分析，论证有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，ORC）技术在海上平台应用的可行性。根据能量梯级利用原则，设计一套优化的烟气-导热油-热用户系统，利用透平废热实现ORC发电、生产系统加热及溴化锂制冷的热电冷联产系统。

关键词 海洋平台 有机朗肯循环 余热回收 有机工质 能量梯级利用

中图分类号 TE53   文献标志码 A   文章编号 0254?6094（2024）03?0470?07

Analysis and Optimization of Flue Gas Waste Heat

Utilization on Offshore Platform

ZHANG Yu， HE Xiang?jun

（Offshore Oil Engineering Co.， Ltd.）

Abstract   Basing on a drilling platform under construction in the South China Sea， the feasibility of applying Rganic Rankine Cycle （ORC） technology in the offshore platform was discussed from the process principle， process flow， organic working medium selection， safety， energy saving and reduction of carbon dioxide emission. According to the principle of energy cascade utilization， a set of optimized flue gas?heat transfer oil?heat user system was designed to establish a turbine waste heat?based cogeneration system which boasting of ORC power generation， production system heating and lithium bromide refrigeration.

Key words    offshore platform， ORC， waste heat recovery， organic working medium， energy cascade utilization

以海洋平台为代表的离岸能量系统通常使用燃气轮机作为供电设备，天然气在燃气透平电站燃烧后得到高温烟气，其能量只有30%被用于发电，剩余的70%能量随透平烟气排放，形成中高温（200～600 ℃）余热资源[1，2]，具有排放量大、持续稳定、利用价值高的特点，对其有效且低成本地利用是降低能耗、提高能效、削减温室效应的重要手段[3，4]。

对于高温余热，通常通过换热装置转化为供热装置的热源，但国内海上平台余热回收过程中烟气利用方式[火][用]损失较大，仅用于加热生产水和原油，排烟温度较高，生产过程中产生的大量废热未被充分、有效回收利用就直接排放至环境中。余热发电技术有助于减少化石能源消耗、缓解大气污染物排放，在工业余热和新型能源的开发利用中具有广阔的应用前景[5]。有机朗肯循环技术是基于传统的朗肯循环，通过沸点更低的有机介质替代水蒸气作为动力源，将中低品位热能高效转化为电能的动力循环技术。ORC系统具有辅助系统少、结构简单、运行稳定性高、热回收率高、经济性高、系统体积小、无需燃料、无温室气体排放、工作压力合适、维护要求低及可适用热源温度范围广等优点[6，7]，通常被认为是最有效、环保的余热回收方法之一。我国对ORC发电技术的市场需求量较大，ORC系统在小型发电站中的应用日益增多，但目前国内ORC系统设备生产厂家稀缺，且在海洋石油行业余热发电领域的应用性研究基本属于空白。

笔者依托南海某项目，该项目在建钻采平台透平电站满负荷运行时的排烟温度为506 ℃（冬季）～532 ℃（夏季），余热温度较高，可以回收利用。若直接利用，不可避免地会造成较大的[火][用]损失，难以达到能源梯级利用的原则[8，9]。本项目通过ORC技术回收海上平台燃气透平产生的废热发电，结合供热端主电站逐年运行工况和冷却端海水温度变化情况，针对海上平台的生产工艺特点和烟气余热利用现状，在充分考虑基于热源品位概念的能量梯级利用原则上，对ORC发电系统结合溴化锂吸收式制冷技术在海上平台应用方案进行优化，从安全性、经济效益及减排效益等方面出发，对ORC发电技术和预热制冷技术应用于海上平台的可行性及市场前景进行探讨。

1 项目简介

南海某油田新建一座带7 000 m模块钻机、油气处理、生产水处理、天然气脱水、注气设施和120人生活楼的八腿钻采平台。该新建平台利旧2台11.5 MV透平电站，新铺设1条海底电缆，并将该平台电站接入现有油田电网，实现区域电力组网，组网后与本海域其他平台电站互联互通，供电能力提升至39 MW，区域管网路由完善，保障平台电站机组有充足燃料气。新建平台配置两套余热回收装置用于满足工艺流程热负荷需求，平台工艺流程热负荷为11 MW，主电站余热未能被有效利用。

2 ORC余热发电系统

2.1 ORC余热发电系统构成及技术特点

如图1所示为ORC余热发电系统，主要由蒸发器、膨胀机、水冷冷凝器和工质泵4个部件构成，可分为烟气余热回收系统、导热油-有机工质热交换系统和有机工质发电系统。考虑到气侧热阻、稳定性、海上平台工艺需求和避免烟气与烃类有机物直接换热高温下发生热裂解等因素，本项目ORC系统不采用烟气直接和有机工质进行换热，而是基于能量置换技术将燃气透平产生的高温烟气的热能高效传递给热性能更为稳定的导热油系统。通过导热油作为换热介质，一方面可充分利用导热油的热稳定性、良好导热性、不易耗散性等特点提高系统的稳定性，另一方面降低供热端的最高温度增加了有机工质的可选择性。

烟气余热回收系统：余热回收装置回收燃气轮机产生的高温余热（532 ℃），并将其转化为中间传热介质——导热油的热量，高温导热油（310 ℃）进入ORC发电系统预热器、蒸发器、过热器加热有机工质，释放完热量低温导热油（160 ℃）返回余热回收装置循环加热，工艺流程如图2所示。

导热油-有机工质热交换系统：由若干管壳式换热器构成，将中间传热介质导热油携带的热量传递给有机工质，即有机工质在蒸发器内经历等压吸热过程，从低温液态转变为高温高压蒸气。

有机工质发电系统：在导热油-环戊烷蒸发器中吸热后的高品质有机工质蒸气进入膨胀发电机做功，同时带动发电机组发电，将热能转化为高品位电能，做功后的有机工质乏汽经回热器后，进入冷凝器完成恒压放热，冷却水带走其冷却热量，冷凝后的液态有机工质经工质泵绝热压缩增压到过冷状态，返回到蒸发器重新开始新的循环[10]。考虑到冷源温度越低，热源温度越高，余热利用率越高，发电量越大[6]，因此新建平台配置闭式循环系统采用淡水进行冷却有机工质，淡水进口温度为28 ℃，出口温度为38 ℃。

2.2 设备设计

膨胀透平为ORC余热发电系统最核心的设备，综合该项目膨胀机规格需求，选用透平膨胀发电机组。本项目ORC膨胀透平发电机组具有高膨胀比、高温进机、环戊烷工质特性及海上平台首次应用等特点。

换热器为ORC余热发电系统占地面积最大的设备，包括预热器、蒸发器（过冷）、冷凝器和回热器。具有高温位、低压降、存在相变等特点。与管壳式换热器相比，板式换热器结构紧凑，换热系数高。综合该项目换热器特点和海上平台紧凑式换热器使用经验，推荐预热器采用管板式，蒸发器、冷凝器和回热器采用管壳式。

为满足ORC余热发电系统用热温位需求，因此采用高温位导热油，导热油温度为160～310 ℃，同时尽可能回收烟气热量（废热出口烟气温度为190 ℃），此外，为减少占地面积，采用立式余热回收装置。

2.3 热源情况

ORC余热发电系统利用的热源来自该新建平台2台11.5 MW燃气透平发电机组烟气余热。透平电站的烟气温度在冬季时为506 ℃，满负荷运行的烟气量约为181 136 kg/h;透平电站的烟气温度在夏季时为532 ℃，满负荷运行的烟气量约为163 673 kg/h。

用热端不同用户所需热量：根据井口参数和工艺流程方案统计得出主系统需要用到的热负荷工况，热、油两个主要热用户需要的最大热负荷为11.142 MW;吸收式（溴化锂）制冷系统最大热负荷需求约62 kW，ORC发电系统热负荷约为20 MW，装机功率5 MW。

2.4 工质选择

工质是实现能量传递与转换的物质载体，也是构建循环系统的基础[7]，工质的选择在循环系统的设计中至关重要，选择合适的工质能够有效提高系统的发电量、稳定性和废热利用效率[11，12]。ORC工质需具备以下特性：在相同蒸发温度和冷凝温度下，绝热焓降大;较高的动力循环效率、良好的传热性能、换热系数大;工质临界参数、常压下沸点等热物理性质适宜;良好的化学稳定性和材料相容性;干工质或等熵工质;ODP（消耗臭氧层潜值）值为零、GWP（全球变暖潜能值）值低（小于150）;潜热低、臭氧安全[1，13～15]。

目前已有大量研究对不同工质的性能进行对比，在ORC中较常用的包括氢氟烃类、碳氢类、硅氧烷类、氟代醚类和氢氟（氯）烯等纯工质[14]。在常用烃类有机物中，环戊烷具有较高的临界温度和临界压力，换热温度区间较大，换热效率较高，是使用纯工质时综合性能评分较高的有机介质，且其GWP和ODP值较低，对环境污染较小[14]。此外，国外对于透平和初温在400～600 ℃热源温度范围内均选择环戊烷[16]，几种常见有机工质的热力参数见表1。

3 安全设计

在中高温热源条件下，有机工质由于热稳定性不佳，在较高温度下发生热分解会影响系统的正常运行。生成的不凝性气体会提高冷凝压力，降低系统输出功，固态物质会附着在部件表面影响换热效果，堵塞管路，与系统材料发生腐蚀作用，部分热解产物可能具有毒性，引发安全问题，此外，原工质与产物形成的混合物也会导致系统运行参数、性能偏离设定值。而循环上限温度取值过低则会影响膨胀温度、蒸发温度的充分优化，限制系统性能[12，16]。环戊烷的最大允许分解速率为4.0×10-9 s-1，300 ℃时分解速率为7.9×10-8 s-1[16]，环戊烷的安全使用温度为250～275 ℃[17，18]。

环戊烷作为易燃易爆的危险化学品，泄漏导致的蒸汽云爆炸事故影响范围较广且破坏性严重，每年国内外化工行业因环戊烷泄漏引起的事故频发，对环境和人员造成的影响十分恶劣[19]。考虑到海上平台与陆地项目相比空间受限，可能对平台工作人员造成更为严重的伤害。结合环戊烷工质特性，为保障海上平台首台套ORC发电系统的安全可靠运行，开展了ORC发电系统的本质安全设计研究：

a. 采用机械密封方式减少系统工质泄漏量，防止海上平台工质频繁加注风险;

b. 采用高效紧凑式换热器设备减少系统环戊烷工质填充量，减少工质泄漏风险;

c. 撬内设备按照防爆要求，同时在平台已有消防系统基础上，设置惰性气体灭火系统并与可燃气体探测系统连锁;系统布置在上层甲板开敞区域且远离平台生活楼，同时系统配置尽量采用焊接型式，减少法兰连接;

d. 置红外等可燃气体探头监测及火灾自动报警系统;

e. 在ORC机组内部设置火焰和可燃气探测设备，对机组撬内火灾和环戊烷泄漏进行实时探测，并根据预设逻辑，触发机组关断及启动消防。

4 ORC余热发电系统优化方案

4.1 符合能量梯级利用原则的ORC余热发电系统

新建平台利旧渤海岸电2台11.5 MW级透平机组，设置2台5 MW余热锅炉为主工艺设施的热用户（2台3 MW生产加热器）及ORC装置供热，其中，2台11.5 MW燃气透平发电机组烟气余热采用ORC余热发电技术后，系统可发电量约5 MW。

原方案只将部分废热转化为电能，大部分热量以冷凝热的形式耗散到环境中，能源利用效率较低。为了充分利用低温烟气余热、实现能量梯级综合利用，对ORC余热发电系统进一步优化，按供热、供电系统消耗的热量和热能品质分配总热耗量。此外，考虑到溴化锂吸收式制冷在余热制冷方面是节能和经济效益较好的一种余热制冷技术[20]，在生活楼增加溴化锂空调系统。将燃气轮机烟气温度高低和用热需求分为三级，第1级为烟油换热器，燃气轮机透平产生532 ℃的高温烟气首先由余热回收装置回收，燃气透平尾气余热加热导热油，310～215.4 ℃的导热油热量供海上平台工艺热用户（例如，加热原油、加热燃料气、海水淡化等）使用;第2级导热油供ORC机组发电系统使用，温度降到162.4 ℃;第3级为将导热油通入溴化锂机组的发生器，为溴化锂机组提供热源，使用后导热油温度降到158 ℃，工艺流程如图3所示。

假设整个系统运行过程是稳态过程，并忽略动能和势能变化以及除测定点外的其他损失，工艺系统所需热负荷Qtec约为11.2 MW，热源释放的热量Q为：

Q=m·（h-h）=mCdT=Cm（T-T）

式中 C——导热油的比热容，2.611 kJ/（kg·℃），

考虑到热损失，效率取90%;

h、h——导热油在换热器中进、出口的比焓;

m——导热油的质量流量，360 m3/h。

其中，3台热介质循环泵，同时使用两台，一台备用，单台泵的流量为180 m3/h。

由能量守恒定律可知：

Qtec=Q

导热油在工艺热用户的出口温度T=257 ℃。

ORC发电系统所需热负荷QORC约为20 MW，导热油供ORC发电系统使用的热量Q为：

Q=m·（h-h）=mCdT=Cm（T-T）

其中，h和h分别为导热油在蒸发器中进、出口的比焓，由能量守恒定律可知：

QORC=Q

导热油在ORC发电系统的出口温度T=162.4 ℃。

导热油供溴化锂系统使用的热量Q为：

Q=m·（h-h）=mCdT=Cm（T-T）

溴化锂系统所需热负荷Q约为770 kW，由能量守恒定律可知：

Q=Q

导热油在溴化锂系统的出口温度为T=158.7 ℃。

4.2 经济效益和减排效益评估

对优化后的方案进行经济性评估，基于品位对口、高能高用、低能低用的能量梯级利用原理，通过工艺热用户、ORC发电系统和溴化锂空调系统逐级对烟气进行利用，可将排烟温度降至110 ℃左右（表2）。考虑到燃气透平电站运行状况等方面的限制，选取90%负荷下主机的运行情况。

5 结论

5.1 该项目采用主电站烟气余热ORC发电技术，通过主电站能效提升，年节省天然气消耗约2 800万方，年均节省费用约2 800万元，约3年可实现投资回收。经济年限内节省燃料费用折现约1.96亿元，同时年减排二氧化碳约48 000 t，项目能效水平提升显著，经济性明显。在节省区域天然气消耗的同时有效减少二氧化碳的排放，实现海洋平台的绿色低碳经济开发。

5.2 基于能量梯级利用设计的优化系统，热量首先供海上平台工艺热用户使用，再通过ORC机组利用高温导热油的中高品位热能进行发电，之后导热油的低品位热源供溴化锂空调系统使用，符合“温度对口，梯级利用”的科学用能原则，烟气余热回收更彻底，最终烟气排放温度接近100 ℃，大幅提高系统的热力学特性和机组的经济性能，有效提高能源利用率。

5.3 优化后系统的循环温度取值满足通过导热油串联的各热用户的对应工质最佳使用温度，使得系统的热经济性能最优。

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（收稿日期：2023-06-23，修回日期：2024-05-16）