于邦廷，劉維濱，秦小剛，王文祥，徐正海

（中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028）

南海某深水氣田由于井口距離處理平臺(tái)較遠(yuǎn)，為防止在輸送管道中生成水合物需要在井口氣中注入乙二醇，富含乙二醇的物流在平臺(tái)經(jīng)過(guò)乙二醇回收再生裝置（MRU）處理后可使乙二醇循環(huán)使用[1]。乙二醇再生處理過(guò)程中需要大量的熱負(fù)荷[2,3]，其所需的熱負(fù)荷占據(jù)了整個(gè)平臺(tái)熱負(fù)荷的90%，透平電站尾氣余熱成為一種經(jīng)濟(jì)的供熱源[4]。隨著氣田生產(chǎn)后期產(chǎn)氣量衰減，平臺(tái)用電量降低，造成透平發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)量減少，實(shí)際可回收的余熱減小。但是MRU處理裝置需要的熱負(fù)荷并未隨著用電負(fù)荷而減小，反而隨著后期產(chǎn)水量的增加，MRU需要的熱負(fù)荷大幅增加。電熱負(fù)荷需求的趨勢(shì)不一致，使得熱站選型配置比較困難。結(jié)合電站配置和逐年運(yùn)行工況，進(jìn)行了電熱負(fù)荷的匹配計(jì)算，并對(duì)熱站配置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)在余熱回收裝置中利用補(bǔ)燃裝置，使得熱站的供熱能力滿足平臺(tái)處理的需求。

1 海上平臺(tái)余熱回收裝置的應(yīng)用需求

海上油氣生產(chǎn)平臺(tái)由于工藝處理流程的需要，對(duì)熱負(fù)荷的需求較大，工程上通常采用余熱回收裝置或者直燃式鍋爐來(lái)提供熱介質(zhì)[5,6]。當(dāng)平臺(tái)未設(shè)置透平發(fā)電機(jī)組或者平臺(tái)沒(méi)有可利用的熱源時(shí)，通常會(huì)采用直燃式鍋爐作為熱站。而當(dāng)平臺(tái)設(shè)置有透平發(fā)電機(jī)組時(shí)，余熱回收裝置就會(huì)被用于回收透平發(fā)電機(jī)組尾氣余熱，且相較于直燃式鍋爐可以節(jié)省燃料氣/油的耗量。

海上平臺(tái)透平發(fā)電機(jī)組排放大量的高溫?zé)煔?，煙氣溫度通常能夠達(dá)到500℃左右。為充分利用透平尾氣余熱，節(jié)省燃料氣/油消耗，余熱回收裝置經(jīng)常被用于提供熱源。首先利用透平高溫尾氣加熱熱介質(zhì)油，然后通過(guò)加熱的熱介質(zhì)油為不同熱用戶(hù)供熱，熱量不足部分可采用管道式補(bǔ)燃或熱介質(zhì)鍋爐提供。常見(jiàn)的熱用戶(hù)有生產(chǎn)分離器加熱器、TEG系統(tǒng)內(nèi)加熱器、MRU系統(tǒng)內(nèi)加熱器、生產(chǎn)水處理流程中的加熱器等大負(fù)荷用戶(hù)。根據(jù)平臺(tái)功能和處理流程的不同，平臺(tái)需求的熱負(fù)荷差異較大，從幾百千瓦到幾萬(wàn)千瓦不等。通常熱負(fù)荷需求較高時(shí)，會(huì)首先考慮利用透平尾氣余熱提供熱負(fù)荷。余熱收回裝置經(jīng)常應(yīng)用在中心處理平臺(tái)，與燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組配套熱電聯(lián)供。

余熱回收裝置的選用不僅取決于熱用戶(hù)需求的熱負(fù)荷，還與平臺(tái)電站的配置、電站實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷、環(huán)境溫度、煙氣組分、煙氣溫度等因素有關(guān)。因此對(duì)于大型中心平臺(tái)熱站的配置需要緊密結(jié)合電站的配置和運(yùn)行工況，詳細(xì)核算電熱匹配情況，不僅滿足生產(chǎn)供熱需求，也能通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)降低工程投資。

2 余熱回收裝置設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

2.1 熱負(fù)荷需求

南海某深水氣田距離陸地較遠(yuǎn)，新建L中心平臺(tái)上配置透平發(fā)電機(jī)組用于平臺(tái)供電，平臺(tái)上設(shè)置有油氣接收系統(tǒng)、氣液分離系統(tǒng)、濕氣增壓系統(tǒng)、天然氣脫水系統(tǒng)、MRU系統(tǒng)、凝析油處理及外輸系統(tǒng)。其中MRU系統(tǒng)、凝析油處理系統(tǒng)和天然氣脫水系統(tǒng)有熱負(fù)荷需求，且MRU系統(tǒng)熱負(fù)荷需求量大，通過(guò)配置余熱回收裝置利用透平機(jī)組尾氣余熱是一種重要的節(jié)能措施。L平臺(tái)主要熱用戶(hù)典型年份的熱負(fù)荷參數(shù)如表1所示。其中MRU系統(tǒng)熱負(fù)荷需求量最大，占比高達(dá)約90%。因此MRU系統(tǒng)熱負(fù)荷需求的變化趨勢(shì)將直接影響著平臺(tái)熱站的選型設(shè)計(jì)，甚至對(duì)透平發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行數(shù)量也有一定影響。

表1 主要熱用戶(hù)典型年份熱負(fù)荷（kW）

2.2 平臺(tái)電負(fù)荷需求

L中心平臺(tái)典型年份用電負(fù)荷需求如表2，根據(jù)平臺(tái)逐年電負(fù)荷需求統(tǒng)計(jì)，平臺(tái)配置4臺(tái)燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組，單臺(tái)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)出力20MW。其中初期配置3臺(tái)，第4臺(tái)作為預(yù)留設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)在2027年使用。由表1和表2可知，平臺(tái)用電負(fù)荷在氣田生產(chǎn)后期逐漸減小，而熱負(fù)荷需求在后期保持在較高水平，采用余熱回收裝置供熱需要核算熱電是否匹配。

表2 平臺(tái)典型年份用電負(fù)荷（kW）

2.3 熱站數(shù)量及型式選擇

為了充分利用透平發(fā)電機(jī)組尾氣余熱，通常余熱回收裝置的數(shù)量與透平發(fā)電機(jī)組的數(shù)量保持一致，再根據(jù)可回收熱量的計(jì)算結(jié)果選定單臺(tái)熱站的規(guī)格。因此L中心平臺(tái)余熱回收裝置的數(shù)量與透平發(fā)電機(jī)組相同，也是初期安裝3套，第4套與透平發(fā)電機(jī)組一同安裝。由于平臺(tái)電站單臺(tái)規(guī)格大，占用面積大，且透平機(jī)組的排煙采用豎直向上的布置，選用立式余熱回收裝置能夠節(jié)省占用面積和支撐結(jié)構(gòu)的重量。因此在L平臺(tái)上所有的余熱回收裝置均采用立式。

圖1 立式余熱回收裝置與透平發(fā)電機(jī)組連接示意圖

3 余熱回收裝置的選用

3.1 可利用余熱計(jì)算

燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組可利用余熱量取決于發(fā)電機(jī)組功率、排煙溫度、排煙量、煙氣組分、余熱回收裝置最終排煙溫度、余熱回收裝置布置方式、熱介質(zhì)油物性、熱介質(zhì)油進(jìn)出口溫度等因素。透平機(jī)組煙氣可利用余熱量估算如下。

（1）確定煙氣參數(shù)

根據(jù)機(jī)組大部分運(yùn)行期間的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度等條件，由燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組廠家提供在不同負(fù)荷率下的機(jī)組煙氣參數(shù)，包括煙氣溫度、煙氣流量和煙氣組分。表3為某燃?xì)馔钙綇S家提供的機(jī)組不同負(fù)荷率下的煙氣參數(shù)。

表3 透平發(fā)電機(jī)組煙氣參數(shù)

煙氣溫度(℃) 497 481 469 460 452 442煙氣流量(kg/h) 240120 231120 220320 208080 195120 181440煙氣組分（摩爾百分比）O2 (%) 14.2099 14.5154 14.7766 15.0102 15.2507 15.5297 AR (%) 0.8995 0.9008 0.9018 0.9028 0.9038 0.9049 N2 (%) 75.2185 75.3238 75.4138 75.4942 75.5768 75.6724 CO2 (%) 3.105 2.9624 2.8405 2.7313 2.6188 2.4879 H2O (%) 6.5512 6.2835 6.0547 5.8501 5.6395 5.3951

（2）煙氣焓值

單一組分氣體的焓值與溫度有關(guān)，在已知煙氣組分和溫度的條件下，可查得透平尾氣中不同組分氣體的焓值，并根據(jù)其所占的比例可估算混合氣體不同溫度下的焓值?；诨旌蠚怏w的焓值以及流量即可估算透平煙氣所攜帶的熱值。

（3）可利用熱量計(jì)算

已知透平機(jī)組煙氣量L(Sm3/h)、余熱回收裝置進(jìn)口煙氣焓值H1(kJ/Sm3)、余熱回收裝置出口煙氣焓值H2(kJ/Sm3)，可求得透平排放煙氣所攜帶的熱負(fù)荷Q1(kW)。考慮余熱回收裝置熱損失系數(shù)為α，可求得余熱回收裝置熱損失Q2(kW)。由此可估算得到余熱回收裝置有效利用熱量Q3(kW)。具體計(jì)算公式為Q1=L×(H1-H2)/3600，Q2=α×L×H1/3600，Q3=Q1-Q2。式中3600為能比系數(shù)，3600kJ/(kg·K)

3.2 熱電匹配核算

當(dāng)透平發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況確定以后，透平煙氣總量以及煙氣的焓值便能確定，并由此計(jì)算余熱回收裝置所能夠回收的有效利用熱量，將其與平臺(tái)需求的熱負(fù)荷進(jìn)行比較就能判斷通過(guò)余熱回收裝置獲得的熱量能否滿足需求。若回收的熱負(fù)荷小于平臺(tái)所需的熱負(fù)荷時(shí)，還需要設(shè)置補(bǔ)燃裝置或者單獨(dú)增加熱介質(zhì)鍋爐來(lái)滿足熱負(fù)荷需求。

表4列出了典型年份平臺(tái)需求電負(fù)荷和熱負(fù)荷的匹配計(jì)算結(jié)果，在投產(chǎn)初期平臺(tái)需求熱負(fù)荷相對(duì)較少，且平臺(tái)電站運(yùn)行功率大，煙氣量大，因此能夠保證充足的供熱熱源。但到了生產(chǎn)后期電負(fù)荷需求下降，而熱負(fù)荷持續(xù)增加后透平發(fā)電機(jī)組的尾氣余熱便不能滿足用熱需求。這時(shí)需要考慮在余熱回收裝置內(nèi)增設(shè)補(bǔ)燃裝置或者單獨(dú)增加熱介質(zhì)鍋爐。由于單獨(dú)增設(shè)熱介質(zhì)鍋爐需考慮備用機(jī)組，所占平臺(tái)面積大、增加平臺(tái)重量，且后期安裝成本高，推薦采用增加管道式補(bǔ)燃裝置的方案。經(jīng)過(guò)逐年電熱匹配計(jì)算，熱站方案推薦采用4臺(tái)15MW的立式WHRU，每臺(tái)帶有4MW的管道式補(bǔ)燃裝置，第4臺(tái)WHRU作為預(yù)留設(shè)計(jì)，后期需用時(shí)海上安裝。當(dāng)生產(chǎn)后期熱負(fù)荷增加而平臺(tái)用電減少時(shí)，出現(xiàn)供熱的缺口，此時(shí)通過(guò)補(bǔ)燃裝置補(bǔ)充余熱不足。補(bǔ)燃裝置按照預(yù)留設(shè)計(jì)，后期需要使用時(shí)再安裝。

表4 不同年份電熱匹配運(yùn)行工況表

4 結(jié)論

圖2 補(bǔ)燃裝置在余熱回收裝置中的安裝位置

深水氣田平臺(tái)由于需求熱負(fù)荷與需求電負(fù)荷的變化趨勢(shì)不一致，使得電站和熱站系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，在進(jìn)行余熱回收裝置選型設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注電站的運(yùn)行工況。尤其要進(jìn)行逐年電熱匹配計(jì)算，以便分析透平機(jī)組可回收的煙氣余熱能否滿足生產(chǎn)需求。當(dāng)可回收的熱量不能滿足需求時(shí)，可在余熱回收裝置煙氣管道內(nèi)增設(shè)補(bǔ)燃裝置，增加回收的熱量，達(dá)到熱負(fù)荷需求。該種方法節(jié)省平臺(tái)面積和重量，是一種較為有利的供熱方案。

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