余熱回收利用技術在FPSO中的應用

余熱回收利用技術在FPSO中的應用

牛歡，馬永濤

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

摘要：結合中海油FPSO余熱回收利用改造經(jīng)驗，介紹煙氣余熱回收利用技術特點，分析中海油FPSO上能源消耗情況，以及煙氣余熱回收技術在FPSO上實施的可行性，認為FPSO發(fā)電機組余熱回收利用前景廣闊。

關鍵詞：節(jié)能減排；浮式儲油裝重；余熱回收利用

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2015.05.009

中圖分類號：U674.38；P752

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2015)05-0031-03

收稿日期：2015-07-30

作者簡介：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)設施，F(xiàn)PSO在保障海上油氣生產(chǎn)的同時，也消耗了大量能源。中海油是目前國內(nèi)惟一一家應用FPSO的企業(yè)，在國家日益加大節(jié)能力度的形勢下，通過加強節(jié)能管理和節(jié)能技術應用來挖掘FPSO的節(jié)能潛力，已成為中海油在上游領域開展節(jié)能工作的重點之一。

煙氣是一般耗能設備浪費能量的主要途徑，煙氣余熱回收主要是通過某種換熱方式將煙氣攜帶的熱量轉換成可以利用的熱量。而發(fā)電機組作為FPSO上的主要用能設備，其機組排煙溫度一般在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)實施了3個余熱回收利用改造項目，獲得了比較可觀的經(jīng)濟和環(huán)境效益，為余熱回收利用技術在FPSO上的成功應用積累了一定的實踐經(jīng)驗。

1余熱的產(chǎn)生和利用價值

余熱指在已投運的工業(yè)、企業(yè)耗能裝置中未被原始設計合理利用的顯熱和潛熱，包括高溫廢氣余熱、冷卻介質余熱、廢汽廢水余熱、高溫產(chǎn)品和爐渣余熱、化學反應余熱、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現(xiàn)工業(yè)節(jié)能減排戰(zhàn)略目標的主要手段之一。

余熱回收利用是節(jié)約燃料、提高經(jīng)濟性的一條重要途徑。利用余熱回收技術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)電機組是FPSO上的主要用能設備[1S]，其機組排煙溫度一般在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%轉化為電能，約有30%隨廢氣排出，35%～40%通過發(fā)動機機身散發(fā)和冷卻循環(huán)水帶走。由于發(fā)電機組產(chǎn)生的廢氣帶走的熱量與機組的有用功幾乎相等，通過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

根據(jù)《工業(yè)余熱術語、分類、等級及余熱資源量計算方法》(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，余熱資源分為三個等級(見表1)，一等余熱資源應優(yōu)先回收；二等余熱資源應盡量回收；三等余熱資源可視情況回收。余熱資源回收利用，應按“梯級利用，高質高用”的原則確定最佳余熱回收利用的方案，其中：對煙氣溫度大于400 ℃的余熱資源應優(yōu)先用于作功發(fā)電；對煙氣溫度為250～400 ℃的余熱資源應優(yōu)先用于生產(chǎn)蒸汽，鼓勵用于作功發(fā)電；對煙氣溫度小于250 ℃的余熱資源可用于干燥物料、制冷、采暖或供應生活熱水等[6]。

表1　余熱資源等級

FPSO發(fā)電機組排煙溫度一般在350～450 ℃，屬于中、高溫煙氣。目前，F(xiàn)PSO發(fā)電機組余熱回收利用途徑主要是通過余熱回收裝置，將煙氣余熱作為熱介質系統(tǒng)熱源，減少現(xiàn)有熱介質鍋爐的消耗，或完全取代熱介質鍋爐，可顯著提高系統(tǒng)的熱能利用效率、降低熱介質系統(tǒng)的燃料消耗，從而達到節(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。熱油即導熱介質，經(jīng)給油泵進入余熱回收裝置加熱，如達到用戶要求溫度，則熱油由旁通管路送達用戶；如熱油溫度沒有達到用戶要求，則熱油經(jīng)熱介質鍋爐加熱后送達用戶。在熱油由熱介質鍋爐流出后，如溫度達到用戶要求，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，至此完成一個循環(huán)。詳見圖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、技術安全風險高等因素影響，中溫煙氣的余熱回收利用主要是通過余熱回收裝置回收發(fā)電機組尾氣余熱作為熱介質循環(huán)系統(tǒng)的熱源，這類項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，但具體實施仍有一定的技術難度。

3技術應用現(xiàn)狀

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

3.1海洋石油1號FPSO

在正常生產(chǎn)工況，海洋石油1號FPSO煙氣余熱理論上可以滿足正常生產(chǎn)用熱需求；但由于電站負荷、生產(chǎn)負荷波動較大，在實際生產(chǎn)過程中，僅運行余熱回收利用裝置，不能滿足生產(chǎn)熱負荷需求。如果將余熱回收裝置與熱介質鍋爐聯(lián)合運行，熱介質鍋爐導熱油進口處的溫度會高于其設定的溫度，不滿足熱介質鍋爐正常工作的條件，進而導致該裝置未能正常投入運行。

分析認為，如若在原來的導熱油流程上增加一個導熱油的旁路系統(tǒng)，相應的增設管道和閥門，使一部分導熱油經(jīng)過透平余熱回收裝置后和另一部分不通過透平余熱回收裝置的導熱油在熱介質鍋爐前混合，通過調(diào)整閥門的開度，在理論上可以滿足進入熱介質鍋爐的溫度要求。或者用透平余熱回收裝置直接加熱來自平臺的生產(chǎn)物流，也可以降低熱介質鍋爐負荷，減少燃料氣的消耗量。下一步應通過技術改造實現(xiàn)余熱回收裝置正常運轉。

3.2海洋石油2號FPSO

海洋石油2號FPSO有1臺燃氣透平發(fā)電機組、5臺原油發(fā)電機組。目前已對1臺燃氣透平發(fā)電機組的高溫煙氣中的余熱進行了利用。

正常工況下，海洋石油2號FPSO平均熱負荷約14 400 kW(額定熱負荷為33 500 kW)；發(fā)電機組高溫煙氣中可利用的余熱量為19 821 kW，可滿足生產(chǎn)用熱需求。下一步應繼續(xù)完成剩余發(fā)電機組余熱回收，以實現(xiàn)更多的節(jié)能效益。

3.3海洋石油3號FPSO

海洋石油3號FPSO有5臺往復式循環(huán)內(nèi)燃機，尾氣溫度在350 ℃左右，屬于較高品位的余熱資源，沒有得以回收利用；同時，海洋石油3號FPSO配備3臺10 000 kW的熱介質鍋爐，鍋爐配置偏高，長期處于大馬拉小車的狀態(tài)，在消耗大量能源的同時還存在一定的能源浪費。經(jīng)測算，海洋石油3號FPSO可回收利用的高溫煙氣余熱可以滿足熱介質鍋爐對應熱用戶的需求，具備通過余熱回收裝置替代熱介質鍋爐的條件。

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

該項目實施后年節(jié)能量為3 652 t標準煤，靜態(tài)投資回收期1.70年，動態(tài)投資回收期2.38年，具有良好的經(jīng)濟性。而且項目實施后，避免了熱介質鍋爐燃燒原油產(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FPSO

海洋石油4號FPSO重點耗能設備主要是透平發(fā)電機，共4臺(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在設計時就已經(jīng)考慮廢熱利用，在透平排煙口設置了4臺余熱回收利用裝置(3用1備)，用于加熱熱介質油，平均輸出功率為12 000 kW，可以滿足生產(chǎn)用熱需求。由于在設計時就設置了余熱回收裝置，與其他設備匹配良好，成為目前中海油實施余熱回收利用技術最為成功的案例。

4存在的問題

FPSO主要為海上油氣田服務，而油氣田開發(fā)生產(chǎn)過程中往往產(chǎn)生大量的伴生天然氣，由于伴生天然氣的品質、數(shù)量和持續(xù)時間難以準確預計，導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，需要花費大量投資、占用FPSO上珍貴且有限的空間資源以及承擔工程風險。因此，余熱回收利用技術在FPSO上應用面臨的首要問題是解決油田伴生氣的回收利用、為余熱資源尋找有價值的熱用戶。

5應用前景

中海油完全擁有資產(chǎn)且正在使用的FPSO中有2艘暫不具備實施余熱回收利用技術改造的條件，其余大部分FPSO理論上都具有良好余熱回收利用技術改造前景。在現(xiàn)有FPSO全部進行余熱回收利用技術改造后，預計可實現(xiàn)年節(jié)能相當于3.7萬 t標準煤，相當于年節(jié)約原油2.6萬 t，占可回收余熱資源總量6.8萬 t標準煤的54%，前景非常廣闊。

參考文獻

[1] 海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程機械與設備設計.北京：石油工業(yè)出版社，2007.

[2] 巢麗清.PTA主裝置余熱回收換熱器關鍵設計技術問題研究[D].上海:華東理工大學,2011.

[3] 李海燕，劉靜.低品位余熱利用技術研究現(xiàn)狀，困境和新策略[J].科技導報,2010，28(17):112-117.

[4] 李貴良.低品位預熱回收利用技術的研發(fā)及應用.山西能源與節(jié)能,2010，1(58):60-61.

[5] 國家質量技術監(jiān)督局.工業(yè)余熱術語、分類、等級及余熱資源量計算方法[S].北京：中國標準出版社，2000.

[6] 中國國家標準化管理委員會.工業(yè)鍋爐及火焰加熱爐煙氣余熱資源量計算方法與利用導則[S].北京：中國標準出版社，2009.

[7] 于建衛(wèi)，張紅學.燃氣發(fā)電機組的余熱利用.能源研究與利用,2011(2):40-41.

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