余熱制冷技術在海上平臺節能的運用范文

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摘要：南海某氣田開發項目天然氣烴露點控制系統擬采用燃氣輪機排煙余熱的設計方案，在傳統降壓流程采用的J-T閥前段加裝溴化鋰制冷機組，利用溴化鋰機組提供冷量替代部分J-T閥功能，預先對天然氣進行降溫，從而減少J-T閥節流過程壓降引起的能量損失。通過ASPENHYSYS分析結果表明，該節能改造方案可使干氣壓縮機減少壓降約1.5MPa，壓縮機功率減少5.6MW，年節約天然氣1430.39×104m3，折合標煤15133.6t，經濟性強，節能效果明顯。在提高項目的能源利用率的同時，為海上平臺余熱制冷應用提供了新思路。

關鍵詞：海上油氣開發；余熱利用；節能改造；烴露點控制；溴化鋰制冷

海上油氣田開發項目的能源利用率大約在20%～30%，相較陸上項目普遍偏低，究其原因是由于平臺空間有限、重量控制嚴格，海上平臺發電機組效率和余熱資源的利用還處于相對較低的水平。海上設施大多安裝發電機組，為本平臺和周邊依托平臺提供電力，燃料消耗來自于自產油氣，其能源消耗占海上生產設施綜合能源消耗的比重很大，屬于主要耗能設備。從項目統計數據可以看出，海上設施采取發電機組余熱回收項目的整體能源利用率比未采用余熱回收的項目高10%～15%左右。目前，加強海上平臺大型電站煙氣余熱利用是直接提高開發項目的能源利用率和經濟效益的最有效方式。

1海上油氣田開發余熱資源利用途徑

海上油田開發項目和氣田項目相比，油田的用熱負荷要遠高于氣田的用熱負荷，氣田的煙氣廢熱（特別是氣田后期的地層壓力衰減后啟動濕氣壓縮機保產階段）要高于油田。海上油氣生產裝置（含陸地終端）可利用的主要余熱資源有：燃氣透平高溫煙氣廢熱；燃氣、燃油往復式發動機煙氣廢熱；熱介質爐、加熱爐、蒸汽或熱水鍋爐等低溫煙氣廢熱；高溫生產水以及主機缸套水廢熱等。同時，海上平臺存在眾多用熱及用冷環節，例如：油氣處理、輸送與儲存工藝的保溫，海水低溫閃蒸制淡，工藝、生活空調等。目前，海上開發項目余熱回收后的主要用途分為4類：1）替代各類熱站（含蒸汽熱水鍋爐、熱介質爐、加熱爐等），例如，海上平臺將透平發電機排煙引入余熱鍋爐加熱盤管中的導熱油從而替代熱站。2）替代電驅壓縮機制冷和電加熱空調的余熱驅動溴化鋰吸收式制冷、制熱空調。3）替代電加熱生活熱水系統。4）余熱驅動的蒸發式海水淡化裝置等[1]。

2海上氣田開發生產裝置冷量需求

在海上油氣開發過程中，自帶燃氣透平電站或者原油發電機組的中心處理平臺存在大量的高溫煙氣余熱，燃氣透平電站排煙溫度高達400℃，余熱利用潛力很大。不同于油田開發加工需要大量熱源用于工藝流程，氣平臺的熱用戶很少，在負荷小的情況下一般不對燃氣輪機排氣進行余熱回收，直接采用電加熱器更為靈活、便利，所以對于氣田來說，因為大量余熱資源沒有合理利用，項目能源利用率往往偏低。海上油氣田開發過程中央空調系統需要冷量的提供，海上平臺的生活區和生產區工作間是在封閉的室內。空調設備為這些區域的工作人員提供舒適的工作生活環境，同時保障封閉室內的設備正常運轉環境。以往多是采用電驅動壓縮式制冷裝置來提供這些冷量，冷量的獲得通常需要消耗很多能量。考慮利用平臺余熱服務冷用戶，回收余熱同時減少能源消耗。以溴化鋰吸收式技術為基礎的制冷機組由熱能驅動運行，驅動熱能可以是蒸汽、熱水、直接燃燒燃料(燃氣、燃油)產生的高溫煙氣或外部裝置排放的余熱煙氣、余熱熱水，制取5℃以上冷水用于滿足各工藝用冷及舒適性空調，有效回收利用低溫熱能，在海上平臺余熱節能技術領域發揮了重要的作用[2-3]。中海油與康菲石油共同開發的西江某平臺利用90℃左右含油污水作為熱源，驅動溴化鋰空調機組，用于機房及生活樓供冷，是迄今國內第一家在海上平臺應用吸收式制冷機的項目。此外，位于南海西部海域某氣田開發項目采用回收透平發電機組產生的450℃左右高溫煙氣作為溴化鋰吸收式制冷機的驅動熱源，為平臺生活樓提供冷源。從經濟效益上看，生活樓供冷耗電量占平臺電耗比例很小，且受使用時間的限制，考慮到安裝溴化鋰制冷系統帶來的一系列改造，包括平臺結構以及管線上的改造，溴化鋰制冷技術的應用雖然減少了燃氣消耗及溫室氣體排放，但節能效果有限，需要結合投資回收期綜合考慮。結合海上氣田開發項目能源實際需求，在充分考慮技術可行、經濟合理基礎上，余熱制冷需要拓展新的思路，挖掘節能潛力。

3余熱制冷在烴露點控制系統改造中的應用

南海某高凝析氣田開發項目擬新建3座平臺，包括1座中心平臺和2座井口平臺，中心平臺設有氣液分離系統、濕氣壓縮系統、凝析油處理系統、TEG脫水系統、烴露點控制系統、干氣壓縮系統、公用系統等。中心平臺接收并處理本平臺和周邊井口平臺物流，經處理后合格干氣經外輸氣壓縮系統增壓后通過海底管道外輸送往陸上終端外銷。對天然氣輸配系統的操作而言，烴露點是一項重要指標。因為液烴在管道內冷凝并積聚后會產生兩相流而影響計量的準確性，加大管道阻力，造成生產操作方面的安全隱患。此外，天然氣夾帶的液烴也會影響燃氣透平的操作，對壓縮機組的運行造成不良影響。國家標準GB17820—2012《天然氣》以及GB50251—2015《輸氣管道工程設計規范》中明確規定，在天然氣交接點的壓力和溫度條件下，天然氣中應不存在液態烴[4]。因此，天然氣處理環節設有烴露點控制系統，除去天然氣中的重烴組分，以保證銷售氣烴露點滿足質量指標要求。工藝外輸天然氣烴露點控制常規做法是通過J-T閥對天然氣進行節流降溫，原理是通過氣流產生焦耳-湯姆遜效應，節流降壓來實現降溫[5]，該項目采用常規J-T閥方案，具體流程見圖1。TEG系統脫水處理后的干氣分為兩股，分別經干氣/低溫氣換熱器和干氣/低溫液換熱器換熱后匯合，經J-T閥節流降溫后進入低溫分離器氣液分離脫除重烴，脫烴后的低溫合格氣先后與脫水后的干氣和脫水前的濕氣換熱升溫，進入外輸干氣增壓系統，分離的重烴與脫水后的干氣換熱升溫后進入凝析油閃蒸罐。

4結論

針對南海某項目天然氣烴露點控制環節擬采用溴化鋰吸收式制冷機，充分利用透平余熱，替代部分J-T閥作用對天然氣降溫冷卻方案進行了節能潛力分析。該方案解決了常規采用J-T閥對天然氣進行節流過程引起的能量損失，降低了燃料消耗及溫室氣體排放，環境效益良好；同時，解決了目前海上平臺溴化鋰制冷途徑單一化、經濟效果不佳等問題，為余熱制冷在海上平臺利用途徑提供了新思路。

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[M].北京：石油工業出版社，2008：131.

[2]金紅光，鄭丹星，徐建中.分布式冷熱電聯產系統裝置及應用[M].北京：中國電力出版社，2010：128-171.

[3]張長江.溴化鋰吸收式技術在余熱利用領域中的應用[J].上海電力，2009（4）：269-273.

[4]馬國光，董文浩，馬俊杰，等.凝析氣田外輸氣烴露點控制方法研究[J].石油與天然氣化工，2015，44（3）：19-22.

[5]申雷昆，蔣洪.天然氣烴水露點控制問題探討[J].石油化工應用，2017，36（4）：136-140.

[6]國家發展改革委員會.固定資產投資項目節能評估和審查工作指南[M].北京：中國市場出版社，2014：94.

作者：白云；李暉；王方正 單位：中海油研究總院