余熱回收利用技術(shù)在FPSO中的應(yīng)用

牛歡，馬永濤

(中海油總節(jié)能減排監(jiān)測(cè)中心有限公司，天津 300452)

摘要：結(jié)合中海油FPSO余熱回收利用改造經(jīng)驗(yàn)，介紹煙氣余熱回收利用技術(shù)特點(diǎn)，分析中海油FPSO上能源消耗情況，以及煙氣余熱回收技術(shù)在FPSO上實(shí)施的可行性，認(rèn)為FPSO發(fā)電機(jī)組余熱回收利用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：節(jié)能減排；浮式儲(chǔ)油裝重；余熱回收利用

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.009

中圖分類號(hào)：U674.38；P752

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2015)05-0031-03

收稿日期：2015-07-30

作者簡(jiǎn)介：第一牛歡(1985-)，男，碩士，助理工程師

Abstract:In terms of the experiences of waste heat recovery and utilization for FPSO in CNOOC, the technical features of the waste heat recovery and utilization technology of flue gas are introduced. The energy consumption of CNOOC FPSO is analyzed, as well as the feasibility of the flue gas heat recovery technology in FPSO. It is concluded that applying the waste heat recovery and utilization technology of the generator set in FPSO has vast prospects.

修回日期：2015-09-01

研究方向:石油煉化系統(tǒng)節(jié)能

E-mail:niuhuan2@cnooc.com.cn

作為海上主要油氣生產(chǎn)設(shè)施，F(xiàn)PSO在保障海上油氣生產(chǎn)的同時(shí)，也消耗了大量能源。中海油是目前國(guó)內(nèi)惟一一家應(yīng)用FPSO的企業(yè)，在國(guó)家日益加大節(jié)能力度的形勢(shì)下，通過(guò)加強(qiáng)節(jié)能管理和節(jié)能技術(shù)應(yīng)用來(lái)挖掘FPSO的節(jié)能潛力，已成為中海油在上游領(lǐng)域開(kāi)展節(jié)能工作的重點(diǎn)之一。

煙氣是一般耗能設(shè)備浪費(fèi)能量的主要途徑，煙氣余熱回收主要是通過(guò)某種換熱方式將煙氣攜帶的熱量轉(zhuǎn)換成可以利用的熱量。而發(fā)電機(jī)組作為FPSO上的主要用能設(shè)備，其機(jī)組排煙溫度一般在350～450 ℃，余熱利用的潛力比較大[1]。

中海油所屬部分FPSO在近幾年陸續(xù)實(shí)施了3個(gè)余熱回收利用改造項(xiàng)目，獲得了比較可觀的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，為余熱回收利用技術(shù)在FPSO上的成功應(yīng)用積累了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1余熱的產(chǎn)生和利用價(jià)值

余熱指在已投運(yùn)的工業(yè)、企業(yè)耗能裝置中未被原始設(shè)計(jì)合理利用的顯熱和潛熱，包括高溫廢氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢汽廢水余熱、高溫產(chǎn)品和爐渣余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱、可燃廢氣廢液和廢料余熱等[2]。

工業(yè)余熱資源被視為繼煤、石油、天然氣、水力之后的第5大常規(guī)能源[3]。各行業(yè)的余熱總資源約占其燃料消耗總量的17%～67%，可回收利用的余熱資源約為余熱總資源的60%，回收潛力巨大。因此充分利用余熱資源是實(shí)現(xiàn)工業(yè)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標(biāo)的主要手段之一。

余熱回收利用是節(jié)約燃料、提高經(jīng)濟(jì)性的一條重要途徑。利用余熱回收技術(shù)將此類低品位能源加以回收利用[4]，提供工業(yè)、生活熱水或者為建筑供熱，不僅可以減少工業(yè)企業(yè)的污染排放，還可以大幅度降低工業(yè)企業(yè)原有的能源消耗。

2可行性分析

2.1FPSO余熱回收利用潛力

FPSO能源消耗量巨大，具有較大的回收利用空間。2012年，中海油完全擁有資產(chǎn)且在用的FPSO能源消耗總量約占海上油氣生產(chǎn)能源消耗總量的24%。發(fā)電機(jī)組是FPSO上的主要用能設(shè)備[1S]，其機(jī)組排煙溫度一般在350～450 ℃。而且，根據(jù)現(xiàn)有研究成果，燃油、氣產(chǎn)生的熱能只有30%～35%轉(zhuǎn)化為電能，約有30%隨廢氣排出，35%～40%通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)身散發(fā)和冷卻循環(huán)水帶走。由于發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的廢氣帶走的熱量與機(jī)組的有用功幾乎相等，通過(guò)余熱回收利用裝置將這一部分余熱資源回收利用、變廢為寶潛力巨大。

2.2FPSO余熱回收利用工藝特點(diǎn)

根據(jù)《工業(yè)余熱術(shù)語(yǔ)、分類、等級(jí)及余熱資源量計(jì)算方法》(GBT 1028-2000)[5]的規(guī)定，按余熱資源回收利用的可行性與緊迫性，余熱資源分為三個(gè)等級(jí)(見(jiàn)表1)，一等余熱資源應(yīng)優(yōu)先回收；二等余熱資源應(yīng)盡量回收；三等余熱資源可視情況回收。余熱資源回收利用，應(yīng)按“梯級(jí)利用，高質(zhì)高用”的原則確定最佳余熱回收利用的方案，其中：對(duì)煙氣溫度大于400 ℃的余熱資源應(yīng)優(yōu)先用于作功發(fā)電；對(duì)煙氣溫度為250～400 ℃的余熱資源應(yīng)優(yōu)先用于生產(chǎn)蒸汽，鼓勵(lì)用于作功發(fā)電；對(duì)煙氣溫度小于250 ℃的余熱資源可用于干燥物料、制冷、采暖或供應(yīng)生活熱水等[6]。

表1　余熱資源等級(jí)

FPSO發(fā)電機(jī)組排煙溫度一般在350～450 ℃，屬于中、高溫?zé)煔狻Ｄ壳?，F(xiàn)PSO發(fā)電機(jī)組余熱回收利用途徑主要是通過(guò)余熱回收裝置，將煙氣余熱作為熱介質(zhì)系統(tǒng)熱源，減少現(xiàn)有熱介質(zhì)鍋爐的消耗，或完全取代熱介質(zhì)鍋爐，可顯著提高系統(tǒng)的熱能利用效率、降低熱介質(zhì)系統(tǒng)的燃料消耗，從而達(dá)到節(jié)能減排目的[7]。

余熱回收系統(tǒng)的流程一般為：發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生的具有一定溫度和壓力的尾氣流經(jīng)余熱回收裝置后由煙囪排出。熱油即導(dǎo)熱介質(zhì)，經(jīng)給油泵進(jìn)入余熱回收裝置加熱，如達(dá)到用戶要求溫度，則熱油由旁通管路送達(dá)用戶；如熱油溫度沒(méi)有達(dá)到用戶要求，則熱油經(jīng)熱介質(zhì)鍋爐加熱后送達(dá)用戶。在熱油由熱介質(zhì)鍋爐流出后，如溫度達(dá)到用戶要求，則保持鍋爐燃料量不變；如果溫度高于用戶要求溫度，則降低燃料供給量；如果溫度低于用戶要求溫度，則增加燃料供給量。熱油由熱用戶降溫后再經(jīng)給油泵送入余熱回收裝置，至此完成一個(gè)循環(huán)。詳見(jiàn)圖1。

圖1　余熱回收系統(tǒng)的工藝流程

在海洋環(huán)境條件下，受作業(yè)空間狹小、施工難度大、技術(shù)安全風(fēng)險(xiǎn)高等因素影響，中溫?zé)煔獾挠酂峄厥绽弥饕峭ㄟ^(guò)余熱回收裝置回收發(fā)電機(jī)組尾氣余熱作為熱介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)的熱源，這類項(xiàng)目是目前在浮式油氣生產(chǎn)裝置上較為可行的一種余熱回收利用方案，但具體實(shí)施仍有一定的技術(shù)難度。

3技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾年，中海油陸續(xù)實(shí)施了多次余熱回收利用改造項(xiàng)目，目前已應(yīng)用煙氣余熱回收利用技術(shù)的FPSO共有4艘，這些項(xiàng)目在不同程度上獲得了比較可觀的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，但也存在不同程度的問(wèn)題和不足。具體應(yīng)用情況如下。

3.1海洋石油1號(hào)FPSO

在正常生產(chǎn)工況，海洋石油1號(hào)FPSO煙氣余熱理論上可以滿足正常生產(chǎn)用熱需求；但由于電站負(fù)荷、生產(chǎn)負(fù)荷波動(dòng)較大，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，僅運(yùn)行余熱回收利用裝置，不能滿足生產(chǎn)熱負(fù)荷需求。如果將余熱回收裝置與熱介質(zhì)鍋爐聯(lián)合運(yùn)行，熱介質(zhì)鍋爐導(dǎo)熱油進(jìn)口處的溫度會(huì)高于其設(shè)定的溫度，不滿足熱介質(zhì)鍋爐正常工作的條件，進(jìn)而導(dǎo)致該裝置未能正常投入運(yùn)行。

分析認(rèn)為，如若在原來(lái)的導(dǎo)熱油流程上增加一個(gè)導(dǎo)熱油的旁路系統(tǒng)，相應(yīng)的增設(shè)管道和閥門，使一部分導(dǎo)熱油經(jīng)過(guò)透平余熱回收裝置后和另一部分不通過(guò)透平余熱回收裝置的導(dǎo)熱油在熱介質(zhì)鍋爐前混合，通過(guò)調(diào)整閥門的開(kāi)度，在理論上可以滿足進(jìn)入熱介質(zhì)鍋爐的溫度要求。或者用透平余熱回收裝置直接加熱來(lái)自平臺(tái)的生產(chǎn)物流，也可以降低熱介質(zhì)鍋爐負(fù)荷，減少燃料氣的消耗量。下一步應(yīng)通過(guò)技術(shù)改造實(shí)現(xiàn)余熱回收裝置正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.2海洋石油2號(hào)FPSO

海洋石油2號(hào)FPSO有1臺(tái)燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組、5臺(tái)原油發(fā)電機(jī)組。目前已對(duì)1臺(tái)燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組的高溫?zé)煔庵械挠酂徇M(jìn)行了利用。

正常工況下，海洋石油2號(hào)FPSO平均熱負(fù)荷約14 400 kW(額定熱負(fù)荷為33 500 kW)；發(fā)電機(jī)組高溫?zé)煔庵锌衫玫挠酂崃繛?9 821 kW，可滿足生產(chǎn)用熱需求。下一步應(yīng)繼續(xù)完成剩余發(fā)電機(jī)組余熱回收，以實(shí)現(xiàn)更多的節(jié)能效益。

3.3海洋石油3號(hào)FPSO

海洋石油3號(hào)FPSO有5臺(tái)往復(fù)式循環(huán)內(nèi)燃機(jī)，尾氣溫度在350 ℃左右，屬于較高品位的余熱資源，沒(méi)有得以回收利用；同時(shí)，海洋石油3號(hào)FPSO配備3臺(tái)10 000 kW的熱介質(zhì)鍋爐，鍋爐配置偏高，長(zhǎng)期處于大馬拉小車的狀態(tài)，在消耗大量能源的同時(shí)還存在一定的能源浪費(fèi)。經(jīng)測(cè)算，海洋石油3號(hào)FPSO可回收利用的高溫?zé)煔庥酂峥梢詽M足熱介質(zhì)鍋爐對(duì)應(yīng)熱用戶的需求，具備通過(guò)余熱回收裝置替代熱介質(zhì)鍋爐的條件。

經(jīng)過(guò)技術(shù)研究和工程施工，2013年5月，海洋石油3號(hào)FPSO余熱回收利用裝置投入運(yùn)行，替代原有熱介質(zhì)鍋爐(原有熱介質(zhì)鍋爐成為備用)?；痉桨甘牵河酂峄厥昭b置布置在主機(jī)排煙道消音器后面，與熱介質(zhì)鍋爐形成并聯(lián)關(guān)系，這樣余熱回收裝置與熱介質(zhì)鍋爐可以互為備用，也可相互補(bǔ)充，在保證安全生產(chǎn)的同時(shí)，可減少現(xiàn)有熱介質(zhì)鍋爐的消耗，或者完全取代熱介質(zhì)鍋爐，從而大幅度降低燃油消耗。

該項(xiàng)目實(shí)施后年節(jié)能量為3 652 t標(biāo)準(zhǔn)煤，靜態(tài)投資回收期1.70年，動(dòng)態(tài)投資回收期2.38年，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。而且項(xiàng)目實(shí)施后，避免了熱介質(zhì)鍋爐燃燒原油產(chǎn)生的煙塵污染，改善了生產(chǎn)生活環(huán)境，減少了二氧化碳排放。

3.4海洋石油4號(hào)FPSO

海洋石油4號(hào)FPSO重點(diǎn)耗能設(shè)備主要是透平發(fā)電機(jī)，共4臺(tái)(3用1備)。以自產(chǎn)天然氣作為主燃料，向主電站供電。其煙氣排放溫度約為529 ℃，屬較高品位余熱。該FPSO在設(shè)計(jì)時(shí)就已經(jīng)考慮廢熱利用，在透平排煙口設(shè)置了4臺(tái)余熱回收利用裝置(3用1備)，用于加熱熱介質(zhì)油，平均輸出功率為12 000 kW，可以滿足生產(chǎn)用熱需求。由于在設(shè)計(jì)時(shí)就設(shè)置了余熱回收裝置，與其他設(shè)備匹配良好，成為目前中海油實(shí)施余熱回收利用技術(shù)最為成功的案例。

4存在的問(wèn)題

FPSO主要為海上油氣田服務(wù)，而油氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)過(guò)程中往往產(chǎn)生大量的伴生天然氣，由于伴生天然氣的品質(zhì)、數(shù)量和持續(xù)時(shí)間難以準(zhǔn)確預(yù)計(jì)，導(dǎo)致其不能完全被用于燃料而部分被放空。在放空的環(huán)境下利用伴生天然氣作為能源，需要花費(fèi)大量投資、占用FPSO上珍貴且有限的空間資源以及承擔(dān)工程風(fēng)險(xiǎn)。因此，余熱回收利用技術(shù)在FPSO上應(yīng)用面臨的首要問(wèn)題是解決油田伴生氣的回收利用、為余熱資源尋找有價(jià)值的熱用戶。

5應(yīng)用前景

中海油完全擁有資產(chǎn)且正在使用的FPSO中有2艘暫不具備實(shí)施余熱回收利用技術(shù)改造的條件，其余大部分FPSO理論上都具有良好余熱回收利用技術(shù)改造前景。在現(xiàn)有FPSO全部進(jìn)行余熱回收利用技術(shù)改造后，預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)年節(jié)能相當(dāng)于3.7萬(wàn) t標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于年節(jié)約原油2.6萬(wàn) t，占可回收余熱資源總量6.8萬(wàn) t標(biāo)準(zhǔn)煤的54%，前景非常廣闊。

參考文獻(xiàn)

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Application of the Waste Heat Recovery Technology in FPSO

NIU Huan, MA Yong-tao

(CNOOC Energy Conservation & Pollution Reduction Monitor Center Co. Ltd., Tianjin 300452, China)

Key words: energy-saving; FPSO; waste heat recovery technology