FLNG上部組塊熱站方案設(shè)計研究

杜 明，沈志恒，高 華，辛 順

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

FLNG上部組塊熱站方案設(shè)計研究

杜 明，沈志恒，高 華，辛 順

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

依據(jù)節(jié)能減排原則，綜合考慮能量利用及熱站的應(yīng)用，依據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從熱介質(zhì)的選擇、成本分析、安全性、效率及設(shè)備尺寸等方面對設(shè)備選型進行了論述。進而對設(shè)備臺數(shù)、供熱量、操作維修及總體布置給出了建議。通過對比發(fā)現(xiàn)，以熱油為介質(zhì)的余熱回收裝置在運行成本及安全性等多方面占有優(yōu)勢，是浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置(FLNG)熱站的首選設(shè)計方案。最后，針對某項目中FLNG上部熱站的具體要求，給出了具體選型分析,并依據(jù)課題基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行了實例計算分析。

浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置；熱站設(shè)備；余熱鍋爐；成本分析

0 引 言

對海上工程設(shè)施而言，熱站裝置是重要性僅次于電站裝置的設(shè)備，熱介質(zhì)系統(tǒng)的選擇關(guān)系到系統(tǒng)的用能分析、裝置的平面布置、整個系統(tǒng)的安全性和操作復(fù)雜性。熱介質(zhì)系統(tǒng)主要用于浮式液化天然氣生產(chǎn)裝置(FLNG)上部組塊工藝系統(tǒng)和公用系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的加熱和保溫(如：醇胺法脫酸預(yù)處理時，吸收大量酸氣的富液需經(jīng)加熱系統(tǒng)加熱)以及FLNG的隔熱艙內(nèi)加熱等。

可用于FLNG熱站設(shè)備的主要有直燃式鍋爐和煙氣余熱鍋爐[1-2]。由于煙氣余熱不足，有些煙氣余熱鍋爐帶有補燃裝置，但其不是典型熱站設(shè)備，本文不作單獨的分析研究。在對設(shè)備選型進行細致分析的基礎(chǔ)上，針對某項目完成實際選型設(shè)計。

1 各類熱站設(shè)備的綜合比較

本節(jié)對用于FLNG的熱站設(shè)備作綜合比較，為熱站的選型設(shè)計提供技術(shù)支持[3-6]。

1.1 直燃鍋爐與煙氣余熱鍋爐的綜合比較

(1) 燃料消耗量不同。直燃鍋爐的運行需要消耗大量的燃料，而煙氣余熱鍋爐是對電站機組煙氣余熱的再利用，所以它比直燃鍋爐的燃料耗量大為節(jié)省。

(2) 安裝布置的靈活性差異。直燃鍋爐機組同主電站機組相對獨立，在平臺或浮式生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)上可分別獨立安裝、布置，安裝布置的靈活性較好。煙氣余熱鍋爐為減少原動機排煙背壓，同主電站機組要靠近布置，為此電站和熱站機組的安裝布置要統(tǒng)一考慮，安裝布置時相對于直燃鍋爐而言靈活性較差。

(3) 兩類裝置重量、尺寸不同。直燃鍋爐機組爐膛內(nèi)的燃氣要高達1 000 ℃以上；而煙氣余熱鍋爐的煙氣，對燃氣輪機而言，排放的煙氣溫度一般為500 ℃左右。直燃熱站機組的導熱工質(zhì)盤管間的總傳熱系數(shù)要比余熱鍋爐高得多，為此在同樣供熱量情況下，直燃熱站機組的重量、尺寸比煙氣余熱鍋爐要小。

(4) 標準產(chǎn)品和非標準產(chǎn)品。直燃鍋爐機組一般都按系列參數(shù)標準化制造生產(chǎn)；而余熱鍋爐一般都按具體條件非標準制造生產(chǎn)。由此導致后者的制造成本高，交貨周期長。

(5) 成本分析。首先是運行成本?？紤]以天然氣作為燃燒介質(zhì)的直燃鍋爐，以25 000 kW為例，鍋爐效率為88%，則每小時需要的氣量為

25 000×3 600/4.186 8÷8 500÷88%=2 873.8 m3.

上述計算中涉及的天然氣燃燒熱值為8 500 kcal/m3, 1 kcal=4186.8 J。

按照天然氣價格2.5元/立方米考慮，每小時的成本為

2 873.8×2.5=7 184.5元=1 140.4美元.

由上述計算可知，每年的燃料費用大概為1 000萬美元。如果使用余熱鍋爐，雖然需要考慮其附屬設(shè)備的運行費用，但就其本體而言，在不需補燃的情況下，運行費用可視為0，因此其在FLNG整個20年的生命周期內(nèi)所節(jié)省的燃料費用是非常可觀的。

然后考慮購置成本。仍然以容量25 000 kW為例，直燃鍋爐和余熱鍋爐的初始投資如表1所示。

表1直燃鍋爐和余熱鍋爐的初始投資

Table1Initialinvestmentofdirectcombustionboilersandwasteheatboiler

鍋爐類型初始投資/萬美元直燃鍋爐165余熱鍋爐250

綜上比較，雖然余熱鍋爐的初始投資較高，但其在運行成本上的優(yōu)勢明顯。

(6) 節(jié)能減排效應(yīng)。在FLNG上部的渦輪效率較低，煙氣排放帶走大量的熱量，而選用煙氣余熱鍋爐，可以有效回收這部分熱量，達到從整體上節(jié)約能耗的目的。此外，使用余熱鍋爐，可以有效減少碳排放量。

仍以25 000 kW鍋爐為例，使用直燃鍋爐，則天然氣消耗量約為2 873.8 m3/h；天然氣密度為0.716 7 kg/m3，因此天然氣的消耗量約為4.1 t/h；每消耗1 t天然氣，CO2排放量約為2 t；因此，一年的CO2排放量約為71 000 t。而使用余熱鍋爐， CO2的排放量為0，減排效果明顯。

綜上對比，直燃鍋爐和余熱鍋爐各有優(yōu)缺點，但后者在燃料的消耗量及減少CO2排放量方面優(yōu)勢明顯，符合節(jié)能減排的重要思想，從長期使用上考量，其使用更受到推薦。

1.2 蒸汽余熱鍋爐與熱油余熱鍋爐的綜合比較

目前，在固定平臺及FPSO上，多采用以熱油為介質(zhì)的廢熱鍋爐，但是否采用以蒸汽為熱介質(zhì)的廢熱鍋爐作為FLNG的組塊熱站，還需要進一步討論。下面將從安全性和運行成本等方面進行分析和比較。

(1) 起動時間。由于水和導熱油之間的物理特性不同，蒸汽余熱鍋爐停爐后，再次起動、升溫所需時間比熱油余熱鍋爐要長。

(2) 安全性。雖然水是一種安全介質(zhì)，但如果蒸汽余熱鍋爐內(nèi)的高壓高溫水蒸氣泄漏，將會對周圍的設(shè)備以及操作者造成極大傷害。而導熱油也是一種可燃物，當發(fā)生漏泄時，會對生產(chǎn)安全性造成極大隱患。此外，導熱油在運行溫度超過最高使用溫度時，在導油管壁會出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象，隨著結(jié)焦層的增厚，導油管壁溫偏高又促使黏附結(jié)焦，不斷增厚的管壁溫度進一步提高，隨著管壁的不斷增厚傳熱性能惡化，隨時可能發(fā)生爆炸事故。

因此在兩種介質(zhì)的使用上，都應(yīng)該提高安全意識，避免事故發(fā)生。

(3) 鍋爐系統(tǒng)。熱油余熱鍋爐和蒸汽余熱鍋爐的系統(tǒng)對比如下。

FLNG所用加熱系統(tǒng)的加熱溫度較高，若采用飽和蒸汽余熱鍋爐，其工作壓力(即飽和蒸汽壓力)要在10～40個大氣壓范圍內(nèi)。加熱溫度愈高，工作壓力愈高。由此導致蒸汽余熱鍋爐重量和加熱系統(tǒng)重量增加、成本增加、操作管理復(fù)雜等一系列問題。熱油余熱鍋爐中的導熱油在加熱過程中始終保持液相狀態(tài)；其加熱溫度同壓力無關(guān)，可在常壓下達到很高的加熱溫度。而FLNG所用加熱系統(tǒng)的流動阻力相對較低。由此其余熱鍋爐的工作壓力一般均在低壓范圍內(nèi)。最高加熱溫度可達250 ℃或更高。

相較于熱油系統(tǒng)，蒸汽系統(tǒng)需要更大管徑和更高壓力的輸送管道，且蒸汽對管線有更強的腐蝕作用。

蒸汽余熱鍋爐所用介質(zhì)為水，但由于海上固定平臺和FPSO上所使用水的標準不能符合余熱鍋爐的要求，因此需要購置單獨的水處理裝置，且長期使用過程中，還要通過水軟化設(shè)備清除水中的鈣鎂離子，避免結(jié)垢后影響傳熱效果。

相對于熱油余熱鍋爐系統(tǒng)，蒸汽余熱鍋爐還需要蒸汽放空系統(tǒng)和壓力控制裝置等。

(4) 效率分析。在蒸汽余熱回收系統(tǒng)中，由于傳導熱量是靠水的循環(huán)相變(水變成水蒸氣，之后再冷凝為水)而實現(xiàn)的，因此增加了疏水冷卻器的冷凝損失(因這類冷卻器要求海水冷卻)以及蒸汽在相變中的損失(蒸汽相變?yōu)樗^程中的有效能量損失)。熱油余熱鍋爐中的導熱油，在傳熱過程中無相變，且供熱系統(tǒng)保持封閉。因此，蒸汽余熱回收系統(tǒng)效率較低。

(5) 設(shè)備尺寸。由于熱油余熱鍋爐的工作壓力低，介質(zhì)密度高，同蒸汽余熱鍋爐比，它具有重量輕、尺寸小、裝置簡單、占地面積小等優(yōu)點。

(6) 運行穩(wěn)定性。蒸汽余熱鍋爐在氣溫低于0 ℃的情況下，長時間停爐時，為防止水凍結(jié)，一般均將水放掉。熱油余熱回收鍋爐中導熱油的泵吸溫度一般可低于-20 ℃或更低，為此冬季停爐，無須將導熱油放掉。此外，導熱油對金屬管線的腐蝕性要比水小，可增加熱油管線的使用壽命。熱油余熱鍋爐的導熱油無相變，通過簡單的流量調(diào)節(jié)，即可獲得滿意的調(diào)溫效果。

(7) 成本分析。綜合以上分析，在相同供熱量下，雖然導熱油的初期購置費用較高，每噸約為5 000美元，但蒸汽余熱鍋爐系統(tǒng)需要數(shù)量更多的輔助系統(tǒng)和壓力等級更高的管線系統(tǒng)，再考慮到蒸汽對系統(tǒng)的腐蝕作用以及購置水處理和軟化系統(tǒng)的費用，其總體購置和運行費用更高。熱油余熱鍋爐在安裝、操作和維護費用上都占有優(yōu)勢。

導熱油加熱系統(tǒng)與蒸汽加熱系統(tǒng)的優(yōu)缺點可以概括為表2。

基于上述綜合對比，在節(jié)能減排的思想指導下，廢熱鍋爐以其優(yōu)越的節(jié)能特性被廣泛應(yīng)用。通過對比還可知道，以蒸汽為介質(zhì)的余熱鍋爐與以熱油為介質(zhì)的余熱鍋爐各有優(yōu)缺點，目前都是現(xiàn)代海上油氣田工程中的常用設(shè)施，且以熱油為介質(zhì)的余熱鍋爐更具優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用[7]。

表2導熱油加熱系統(tǒng)與蒸汽加熱系統(tǒng)的比較

Table2Comparisonbetweenoilheatingsystemandsteamheatingsystem

項目導熱油蒸汽操作安全性 低壓下可獲得高溫，提高了安全性；但存在著火和爆炸的危險性 高溫傳熱時需要高的操作壓力，增加了系統(tǒng)和設(shè)備的危險性，存在著火和爆炸的危險系統(tǒng)復(fù)雜性 在一個系統(tǒng)中同時實現(xiàn)高溫加熱和低溫冷卻的工藝要求。降低了系統(tǒng)和操作的復(fù)雜性 增加了水處理系統(tǒng)和設(shè)備，系統(tǒng)投資和操作復(fù)雜性提高操作復(fù)雜性 操作簡單，系統(tǒng)升、降溫慢 由于存在附屬系統(tǒng)設(shè)備，操作相對復(fù)雜。系統(tǒng)升、降溫快介質(zhì)要求 油品要求較高，需滿足最高使用溫度、熱穩(wěn)定性、結(jié)焦性等要求 水質(zhì)要求較高，平臺供水難以滿足，因此需要附帶水處理裝置管路壓力較低較高運行費用較低較高節(jié)能性熱損失小熱損失大腐蝕性腐蝕性較小 對設(shè)備和管道有腐蝕性介質(zhì)使用年限 一次注入，可使用10年左右，運行費用較低 需定期補充，且考慮到水處理裝置及管線系統(tǒng)的維護，其運行費用較高環(huán)保性沒有污水排放水浪費嚴重空間性設(shè)備布置節(jié)省空間占用空間較大導熱介質(zhì)價格價格較高價格低廉火災(zāi)危險性有有

2 熱站設(shè)備的選型建議

熱站總設(shè)計供熱量確定后，設(shè)計者要對熱站機組臺數(shù)、單機供熱量進行優(yōu)化選擇。確定熱站機組臺數(shù)、單機供熱量要考慮以下6點因素。

2.1 操作、維修

熱站機組臺數(shù)愈多，操作維修愈復(fù)雜。為此一般2～3臺為佳，4～5臺尚可，5臺以上則除特殊情況外不宜采用。

同型或同系列機組的備件和維修技術(shù)要求基本相同，為此應(yīng)優(yōu)先選用它們。方案選擇時，先以最佳臺數(shù)作初選，之后再考慮下述其他因素，作最終選擇。

2.2 總體布置

在熱站總供熱量一定的情況下，熱站機組臺數(shù)、單機供熱量不同時，它們所需的安裝面積將有不同，而且機組裝置重量也不同。一般地說，機組臺數(shù)愈多，單機供熱量愈小，它們所需的安裝面積愈大，機組裝置的重量也愈大。為此，要對不同方案進行安裝布置和裝置重量核算，以確定它們是否滿足限定要求。

2.3 初始價格

在熱站總供熱量一定的情況下，熱站機組臺數(shù)、單機供熱量不同時，它們的總初始價格將不同。一般地說，機組臺數(shù)愈多，單機供熱量愈小，它們的總初始價格將愈大。為此，要對不同方案的總初始價格進行比較。

按以往海上油(氣)田工程所用熱站機組初始價格不完全統(tǒng)計，它們單位功率的初始價格大致范圍如表3所示。

表3 熱油熱站機組(包括熱油循環(huán)泵等)的初始投資Table 3 Initial investment of hot oil heat station unit (including hot oil circulation pump, etc.)

表3中的數(shù)據(jù)只能作為估算時的相對參考，因為統(tǒng)計的數(shù)量較少而且沒有考慮通貨膨脹等因素影響。此外，不同廠商的產(chǎn)品價格也有較大差別(例如在±10%或更大范圍內(nèi)變化)。因為熱站裝置的初始投資是其選型極為重要的影響因素之一，方案比較時須向有關(guān)廠商詢價，以確保初始投資估算的準確性。

2.4 熱站機組的經(jīng)濟運行工況

熱站機組設(shè)計供熱量QD可按下式計算：

(1)

式中：QD為熱站機組的總設(shè)計供熱量，kW；Qwmax(或Qsmax)為熱站機組在生產(chǎn)工況的最大熱負荷量，kW；α為 熱站機組的設(shè)計負荷率，%。

設(shè)計負荷率α的取值控制在80%～95%范圍內(nèi)。

所選用熱站機組的總供熱量Qs應(yīng)滿足

Qs≥QD.

(2)

運行工況可由設(shè)計負荷率α值表征，對它的要求是：

(1) 其最大設(shè)計負荷率力求在85%～90(或95%)，使機組的裝機功率得以足額利用，以求其初始價格保持較低。

(2) 力求在經(jīng)濟工況區(qū)(60%～100%)；次之在一般工況區(qū)(50%～60%)；避免在非經(jīng)濟工況區(qū)(50%以下)長期運行。

2.5 熱站機組的備用率

熱站機組的備用率β可用下式表示：

(3)

β值愈大，備用可靠性愈高，但經(jīng)濟代價也愈高；反之，β值愈小，備用可靠性低，但經(jīng)濟代價也小。選擇機組臺數(shù)和單機供熱量時，β值要適度。

2.6 運輸中限定的熱站機組尺寸和重量

在運輸過程中，通常會對熱站機組這類大件的尺寸、重量等有限定要求，選型時要作考慮。

3 FLNG熱站方案選型設(shè)計

3.1 熱站方案選型設(shè)計條件

3.1.1 熱負荷量

由熱負荷表計算的典型熱負荷量如表4所示。

表4 典型熱負荷量Table 4 Typical thermal loads kW

3.1.2 同熱站裝置有關(guān)的環(huán)境條件

該項目主要研究南海深水氣田開發(fā)項目，因此，該項目采用荔灣3-1油氣田開發(fā)項目的環(huán)境條件。環(huán)境溫度：15.9～36 ℃，月平均氣溫最大28.7 ℃(7月)，月平均氣溫最小21.4 ℃(1月)；環(huán)境相對濕度：60%～97%。

3.1.3 熱站機組安裝處所

兩層甲板間的半封閉空間內(nèi)或在平臺頂部開敞空間內(nèi)；機組的控制部分封閉式或開敞式安裝。

3.1.4 原動機煙氣余熱能量的再利用

由于2臺主工藝壓縮機原動機及主電站均選用渦輪驅(qū)動，而且煙氣余熱能提供足夠的熱量，因此本文不再討論燃料耗量。

主工藝壓縮機選用渦輪驅(qū)動，初步選定其渦輪型號為LM6000+PC和LM6000+PF+，共2臺。

主電站渦輪型號為LM6000+PF+，共3臺。

3.2 熱站方案

3.2.1 各方案參數(shù)估算

廢熱回收裝置有效利用熱量估算結(jié)果如表5所示。

表5 廢熱回收裝置有效利用熱量估算Table 5 Estimated heat utilization of waste heat recovery unit

各方案設(shè)計負荷率如表6所示。

表6 各方案設(shè)計負荷率Table 6 Design load rate of each unit

各方案機組的備用率β如表7所示。

表7 各方案機組的備用率Table 7 Standby rate of the each unit %

各方案的初始價格如表8所示。

表8 各方案的初始價格Table 8 Initial cost of each unit 萬美元

3.2.2 熱站方案選型建議

將上述估算結(jié)果匯總于熱站方案選型分析表，如表9所示。

表9 熱站方案選型分析Table 9 Thermal station scheme selection

續(xù)表

在表9所示分析結(jié)果中，每年預(yù)計運行330天(7 920 h)，主要考慮每年三次臺風停產(chǎn)，因此，總運行時間為237 600小時；天然氣的低熱值38 000 kJ/ kg；每噸天然氣價格為0.412×104元，按照1人民幣元=0.1610美元換算。

從表9比較知，方案一較方案二有以下優(yōu)點：(1)機組臺數(shù)適當；(2)設(shè)計工況在經(jīng)濟工況區(qū)運行；(3)充分利用渦輪煙氣廢熱，未增加煙氣排放；(4)無燃料費用；(5)機組初始投資低。

5 結(jié) 語

以熱油為介質(zhì)的余熱鍋爐，雖然其初始投資較直燃鍋爐較高，但其在燃料消耗量、安全布置和節(jié)能減排效應(yīng)上優(yōu)勢明顯，全生命周期費用較少。通過合理的功率及臺數(shù)選擇，加上優(yōu)化的整體布置，可以在為FLNG上部組塊提供穩(wěn)定熱源的同時，創(chuàng)造最大的經(jīng)濟及社會效益，是理想的熱站選型方案。

[1] 王補宣.熱工基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社，2013: 277-282.

[2] 高國權(quán).熱站選型與裝置設(shè)計, 海上油(氣)田工程設(shè)計指南[R].2011.

[3] 湯學忠.熱能轉(zhuǎn)換與利用[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 1989: 151-158.

[4] 郭吉林，張岳良. 煙氣余熱回收利用與節(jié)能分析[J].能源與環(huán)境,2010(6): 26.

[5] 趙剛山，甘李軍.導熱油系統(tǒng)的設(shè)計及使用[J].燃料與化工,2003,34(2):98.

[6] 郭子謙，張輯洲.熱油介質(zhì)供熱系統(tǒng)的節(jié)能分析[J].節(jié)能技術(shù),1985(2):37.

[7] 中國聯(lián)合工程公司.GB 50041—2008，鍋爐房設(shè)計規(guī)范[S].2008.

DesignandStudyofHeatStationonTopsideofFLNG

DU Ming, SHEN Zhi-heng, GAO Hua, XIN Shun

(OffshoreOilEngineeringCo.,Ltd.,Tianjin300451,China)

In line with the principle of energy saving and emission reduction, considering about the comprehensive application of energy utilization and station, according to the basic data, we discuss the use of heat station from the choice of heat medium, cost analysis, safety, efficiency, and equipment size selection. Then suggestions are given for the number of devices, heat supply, operation and maintenance and layout. After comparison, we find that waste heat recovery unit which uses heat oil as medium has several advantages in running cost and safety. And, according to the specific requirements of a project of the topside of FLNG station, selection analysis is performed. In the end, based on the data given from the subject, we finish the example calculation and analysis.

floating liquefied natural gas system; heat station; waste heat recovery system; cost analysis

2015-09-15

工信部課題(E-0813C002)

杜明(1983-)，男，工程師，主要從事液化天然氣方面的研究。

TE64

A

2095-7297(2015)05-310-06