(中海石油(中國(guó))有限公司 天津分公司，天津 300459)

0 引言

能源短缺、環(huán)境污染是世界性問(wèn)題，節(jié)能減排、降低能耗、提高能源利用率是解決能源問(wèn)題的根本途徑[1-3]。目前，我國(guó)的能源利用率僅為33%左右，大量余熱以各種形式被排放到大氣中，因此，工業(yè)余熱回收就尤為重要。充分利用余熱資源成為工業(yè)企業(yè)節(jié)能減排、降低能耗的主要途徑。透平作為海上油田的發(fā)電設(shè)備，所排放的煙氣溫度一般為300～550 ℃，余熱回收潛力巨大，因此如何充分挖掘透平節(jié)能潛力，變廢為寶，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益成為海上油田開(kāi)展節(jié)能工作的重點(diǎn)。目前海上油田透平煙氣余熱回收方式以安裝余熱回收裝置加熱導(dǎo)熱油為主[4-8]，余熱回收裝置利用透平高溫?zé)煔鈱?duì)導(dǎo)熱油進(jìn)行加熱，建立導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)的循環(huán)，滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需要。目前一部分海上油田已采用以上方式回收透平煙氣余熱，但生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的熱需求有限，仍有大量的透平煙氣余熱無(wú)法回收利用，還有一部分海上油田由于缺乏有效的方式或措施而沒(méi)有實(shí)施透平煙氣余熱回收，這樣就造成大量余熱資源的浪費(fèi)。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套海上油田透平煙氣余熱回收系統(tǒng)，并在渤海某油田進(jìn)行示范應(yīng)用，取得良好效果。

1 余熱回收潛力分析

渤海某油田透平選型為Solar Mars100，燃料為天然氣與柴油(主要采用天然氣，柴油作為應(yīng)急備用)，其在不同工況下的運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1。該透平運(yùn)行穩(wěn)定，負(fù)荷率為80%，對(duì)應(yīng)所排放的煙氣溫度為420 ℃，屬于中溫余熱，為一等余熱資源[9]，回收潛力較大，應(yīng)優(yōu)先回收。

表1 透平不同工況下的運(yùn)行參數(shù)

2 余熱回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)工藝流程

為了確保透平煙氣余熱回收系統(tǒng)的使用效果，對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，最終確定的系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

圖1 透平煙氣余熱回收系統(tǒng)工藝流程

該設(shè)計(jì)在透平后分別增加熱管蒸汽發(fā)生器和汽水混合加熱器，以透平高溫?zé)煔庾鳛闊峁苷羝l(fā)生器的熱源，熱管蒸汽發(fā)生器利用高溫?zé)煔馀c凈化水進(jìn)行換熱，換熱后的煙氣依次通過(guò)熱管蒸汽發(fā)生器的排煙氣管道和煙囪后排放到大氣中；產(chǎn)生的高溫低壓飽和蒸汽引入汽水混合加熱器，將回注水加熱以提高溫度，并通過(guò)油田已有的注水泵增壓回注地層，增強(qiáng)油藏水驅(qū)效果，從而提高原油采收率，實(shí)現(xiàn)透平高溫?zé)煔庥酂岬母咝Щ厥绽谩?/p>

熱管蒸汽發(fā)生器的進(jìn)煙氣管道上設(shè)有第一煙氣擋板閥，在透平煙囪相連的排煙氣管道上設(shè)有第二煙氣擋板閥，第二煙氣擋板閥為第一煙氣擋板閥的隨動(dòng)系統(tǒng)，二者根據(jù)熱管蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓力進(jìn)行比例積分微分(PID)反饋控制，采用雙控模式聯(lián)動(dòng)控制第一煙氣擋板閥和第二煙氣擋板閥的煙氣擋板開(kāi)度，從而安全、平穩(wěn)地控制熱管蒸汽發(fā)生器的煙氣流入量。當(dāng)熱管蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓力較高時(shí)，第一煙氣擋板閥的煙氣擋板開(kāi)度適度變小而減少煙氣流量，同時(shí)第二煙氣擋板閥的煙氣擋板開(kāi)度適度變大而增大煙氣流量，通過(guò)第二煙氣擋板閥后的煙氣由透平煙囪排放到大氣中，避免透平煙氣回壓過(guò)高而影響透平的正常運(yùn)行；當(dāng)熱管蒸汽發(fā)生器的蒸汽壓力較低時(shí)，第一煙氣擋板閥和第二煙氣擋板閥的煙氣擋板開(kāi)度的變化與蒸汽壓力較高時(shí)的情況相反。

2.2 熱管蒸汽發(fā)生器

熱管蒸汽發(fā)生器以熱管為傳熱元件，將熱管優(yōu)化設(shè)計(jì)組裝成束，即熱管蒸汽發(fā)生器是由若干獨(dú)立傳熱的熱管按一定的排列方式組成，其熱量傳遞依賴于熱管。熱管借助工作液體的相變進(jìn)行傳熱，即通過(guò)全密閉真空管內(nèi)飽和工作液體的蒸發(fā)和凝結(jié)而吸收與釋放熱量，以工作液體的循環(huán)流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)傳熱功能[10-11]，這是一種相變潛熱交換過(guò)程。熱管具有極高的導(dǎo)熱率和良好的等溫性，其導(dǎo)熱系數(shù)為銅的數(shù)千倍，被稱作傳熱超導(dǎo)體[12-13]。將熱管蒸汽發(fā)生器中的熱管的蒸發(fā)段置于煙道內(nèi)，高溫?zé)煔獾挠酂嵬ㄟ^(guò)熱管管壁傳給管內(nèi)的工作液體，使其汽化，在內(nèi)部壓差的作用下，周而復(fù)始地把高溫?zé)煔獾挠酂醾鬟f給水，使水變成飽和蒸汽。

熱管蒸汽發(fā)生器主要由預(yù)熱室、蒸汽發(fā)生室、隔板、煙道板和熱管組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。預(yù)熱室和蒸汽發(fā)生室相連通，均設(shè)置在隔板上，預(yù)熱室的高度低于蒸汽發(fā)生室的液位控制要求的最低液位高度，以確保加熱過(guò)程中預(yù)熱室始終為滿水狀態(tài)。預(yù)熱室和蒸汽發(fā)生室內(nèi)部分別設(shè)置有8組、3組熱管，每組熱管由2列呈豎直平行且交錯(cuò)排列的熱管構(gòu)成(見(jiàn)圖3)，這些熱管一端伸入煙道內(nèi)，另一端伸入預(yù)熱室與蒸汽發(fā)生室內(nèi)，與隔板采用可拆卸方式連接；預(yù)熱室內(nèi)熱管的數(shù)量可根據(jù)所需的蒸汽壓力來(lái)設(shè)置，但要確保預(yù)熱室內(nèi)的水不被汽化。蒸汽發(fā)生室內(nèi)的每組熱管之間設(shè)置有用于承受隔板和蓋板之間拉力的受力拉桿，隔板和蓋板上設(shè)置有用于連接受力拉桿的連接孔。

圖2 熱管蒸汽發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意

圖3 熱管布置方式示意

熱管蒸汽發(fā)生器主要技術(shù)參數(shù)：功率5 200 kW，熱效率≥95%，熱管長(zhǎng)度6 m，熱管內(nèi)徑24 mm，熱管厚度2 mm，預(yù)熱室熱管數(shù)量347根，蒸汽發(fā)生室熱管數(shù)量880根，進(jìn)口煙氣溫度420 ℃，進(jìn)口煙氣流量130 t/h，供水溫度50 ℃，供水流量8.0 m3/h，蒸汽壓力650 kPa，蒸汽溫度168 ℃，蒸汽流量8.0 t/h。

熱管蒸汽發(fā)生器主要技術(shù)特點(diǎn)：(1)恒溫操作，采用對(duì)水充分預(yù)熱、再蒸汽發(fā)生的方式，換熱效率高；(2)冷熱流體完全隔開(kāi)，單根熱管損壞，可以任意更換而不影響整體正常運(yùn)行；(3)熱管列豎直平行設(shè)置，極大地減少了煙氣阻力損失；(4)預(yù)熱室、蒸汽發(fā)生室與頂部的蓋板采用螺栓連接，熱管可拆卸，檢修時(shí)可將熱管豎直向上抽出而節(jié)省占地面積；(5)系統(tǒng)多重冗余，設(shè)計(jì)可滿足將來(lái)擴(kuò)容的需要。

2.3 汽水混合加熱器

汽水混合加熱器采用臥式結(jié)構(gòu)，主要由防水擊裝置、殼體以及位于殼體內(nèi)部的芯管和靜態(tài)混合器等組成(見(jiàn)圖4)。防水擊裝置為圓柱形，與進(jìn)汽管垂直連接，直徑是進(jìn)汽管直徑的2～3倍，蒸汽通過(guò)防水擊裝置的折流與擴(kuò)徑作用而減小流速，防止啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)水擊現(xiàn)象；防水擊裝置與殼體側(cè)周相切，軸線與芯管軸線偏移了一定距離(見(jiàn)圖5)，蒸汽沿殼體切線方向進(jìn)入做旋流運(yùn)動(dòng)，避免了直接沖擊芯管而產(chǎn)生振動(dòng)及噪音；蒸汽通過(guò)材質(zhì)為不銹鋼的鋼絲網(wǎng)整流后，流速更加平緩，有效降低了噪音。芯管進(jìn)水端相對(duì)很小的部位為喉口，喉口后面為芯管的擴(kuò)散段，擴(kuò)散段外壁上均勻分布有無(wú)數(shù)個(gè)斜向噴孔，噴孔直徑3.5 mm，噴孔軸線與芯管軸線的夾角為45°，蒸汽由噴孔噴入芯管后與原油混合；芯管兩端固定有由吸振材料組成的消振裝置，用來(lái)吸收芯管振動(dòng)，以防止振動(dòng)向外傳遞。靜態(tài)混合器為2個(gè)前后排列的螺旋形靜態(tài)導(dǎo)流葉片，用來(lái)強(qiáng)化蒸汽與原油的混合換熱，使混合更充分，加熱出水溫度更均勻。汽水混合加熱器運(yùn)行時(shí)，被加熱水從芯管的喉口高速噴入擴(kuò)散段，同時(shí)高溫蒸汽也從噴孔高速噴入芯管的擴(kuò)散段，汽水在高速流動(dòng)中瞬時(shí)混合換熱，然后在靜態(tài)混合器的作用下強(qiáng)化混合換熱，最后熱水從出水管流出。

圖4 汽水混合加熱器結(jié)構(gòu)示意

圖5 蒸汽進(jìn)入方式示意

汽水混合加熱器主要技術(shù)參數(shù)：功率為5 200 kW，設(shè)計(jì)壓力950 kPa，設(shè)計(jì)溫度195 ℃，加熱水量315 m3/h，蒸汽壓力650 kPa，蒸汽溫度168 ℃，蒸汽流量8.0 t/h。

汽水混合加熱器主要技術(shù)特點(diǎn)：(1)通過(guò)防水擊裝置、鋼絲網(wǎng)和消振裝置的共同作用以及蒸汽切向的進(jìn)汽方式，達(dá)到無(wú)水擊、無(wú)振動(dòng)和低噪音；(2)采用靜態(tài)混合器強(qiáng)化汽水混合換熱，使加熱出水溫度更均勻，換熱效率更高；(3)自動(dòng)化程度高，免維護(hù)，操作簡(jiǎn)便；(4)結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

透平煙氣余熱回收系統(tǒng)在渤海某油田進(jìn)行示范應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定，效果良好，透平高溫?zé)煔庥酂岜桓咝Щ厥绽?。透平煙氣余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用效果的有關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 透平煙氣余熱回收系統(tǒng)應(yīng)用效果的有關(guān)數(shù)據(jù)

由表2可看出，透平煙氣溫度由420 ℃降至240 ℃，有效降低了透平所排放的煙氣溫度；系統(tǒng)熱效率由32.7%升至50.8%，明顯提高了能源利用率；系統(tǒng)節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤8 061 t/a，由此減少CO2排放量20 150 t/a，節(jié)能減排效果明顯；系統(tǒng)加熱回注水315 m3/h，考慮到透平需要停機(jī)維護(hù)或檢修，以系統(tǒng)每年運(yùn)行330 d計(jì)算，加熱回注水2.49×106m3/a，將回注水溫度由62 ℃升至77 ℃，增強(qiáng)了油藏水驅(qū)效果；使用CMG油藏?cái)?shù)值模擬軟件，計(jì)算出提高原油采收率0.05%，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)海上油田透平煙氣余熱回收潛力巨大而實(shí)際回收率較低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于熱管蒸汽發(fā)生器和汽水混合加熱器的透平煙氣余熱回收系統(tǒng)，并在渤海某油田進(jìn)行示范應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了透平高溫?zé)煔庥酂岬母咝Щ厥绽?，取得了良好的社?huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，改變了常規(guī)的安裝余熱回收裝置加熱導(dǎo)熱油模式對(duì)海上油田透平煙氣余熱進(jìn)行回收的模式，提供了一種全新、高效的透平煙氣余熱回收方式。

通過(guò)實(shí)施余熱回收，透平煙氣溫度由420 ℃降至240 ℃，而溫度為240 ℃的煙氣仍具有較大的利用價(jià)值，可以進(jìn)一步實(shí)施余熱回收，實(shí)現(xiàn)煙氣余熱梯級(jí)利用。建議對(duì)熱管蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)與熱管布置方式進(jìn)一步優(yōu)化，以更大程度地減少系統(tǒng)壓降對(duì)透平排煙氣的影響及減小設(shè)備占地面積。