海洋石油平台可利用佘热资源及应用现状.pdf

一 6 6一 石油和化工设备 2 0 1 5 年第1 8 卷 海洋石油平台可利用佘热资源及应用现状 张凯，牛卫 民，刘纯青 海 洋石油工程股份有限公司 ， 天津 3 0 0 4 51 [ 摘要]本文根据可利用余热资源的分类及计算方法，统计了海洋石油平台主要可利用余热资源的种类及数量。结合现有 工业余热利用技术及海洋平台的余热应用现状，分析了各种余热资源利用的特点及应用的可行性，为进一步做好各类余热 资源的充分利用提供了理论依据。 [ 关键词]海洋石油平台；余热资源；高温烟气；油田伴生气；高温冷却水；高温生产水；利用 余热资源属于二次能源 ，是一次能源 或可燃 物料转化后 的产物 ，或是燃料燃烧过程 中所发 出 的热量在完成某一工艺过程后所剩下的热量。我 国能源利用率相 比发达国家较低 ，至少5 0 ％的工业 耗能 以各种形式 的余热被 直接废弃 。工业余热利 用率提升 空间大 ，节能潜 力巨大 ，近年来 已经成 为我国节 能减排工作的重要组成部分 。海洋石油 平台是在海洋上进行作业 、石油钻探与生产所 需 的平台，主要分钻井平台和生产平 台两大类。海 洋石油平 台作为海洋石油和天然气生产的主要载 体，在生产石油和天然气 的同时需要消耗大量 的 能源 。随着海洋石油行业 的不断发展，海上平 台 生产 的节能减排将进一步 贯彻执行 。海洋石油 的 开发与传统的陆地石油开发相 比，高风险、高投 入 、高技术的特点更为突出，这决定了海 上油气 田工程设计 中应贯彻节 约能源 、合理高效利用能 源 的原则，降低能源消耗，提高经济效益 ] 。 1 余热 1 ． 1 余 热 的定义 1 余热。生产过程中由各种热能转换设备、 用能设备和化学反应设备 中产生而 未被直接利用 可释放热的能量。 2 余热量 。以环境参数为基准而具有的余热 数量。 3 1 余热资源 量 。经技术经济分析确定的 可利用的余热量。 4 余热资源分类 。根据热载体的形式将余热 资源分为七类 a 烟 气余 热 生产 系 统 中耗 用燃料 的工 业 炉、发动机等的烟气余热。 b 炉渣余热生产系 统 中锅炉 、加热炉产生 的炉渣废料的余热 。 c 产 品余热生产过程 中产生的中间及最后产品的余 热 。 d 冷却介质余热生产系统 中各种工业炉、 动 力 、电气 、机 械等 装置 排 出 的冷 却介 质 的余 热 。 e 可燃废 气余热 生产过程 中产 生的可燃废 气的余热 。 凝结水余热 企业用气过程 中产生 的凝结水的余热。 g 油 田采出水余热油井采出 液分离出的污水的余热。 1 ． 2余热资源等级划分 表1 余热资源等级划分表 余热资源等级 余热利用投资回收期 常见余热资源举例 一 等余热资源 6 年 2 5 0 “ C以下温度 的烟气 ；可利用的 中温排渣 2海洋平台可利用余热资源 海 洋石 油平 台主 要包 括 主 电站 系统 、油 气 处理系统、辅助工艺系统、公用系统等 ，运行中 的主 要 能耗包 括修井 机 、采油 电潜 泵 、原油 增 压 泵 、空气 压缩机 、原油集 输系 统 原油 外输 作者简介张凯 1 9 8 2 一，男，山东邹平人， 2 0 0 8 年中国石油 大学 华东热能工程专业毕业，工学硕 士 ，工程师。现从事海洋 石油平台H V AC系统及机械专业设计工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1 1 期 张凯等 海洋石油平台可利用余热资源及应用现状 一 6 7一 泵 、油气处理工艺系统、海 水处理系统 海水 提 升泵等 、淡 水系统、消 防系统 以及热水罐 电 加 热器等 的能耗 ，所消耗能源基本为 电力 ，使用 平 台的主 电站 为其 供 电。另外平 台上 的控 制系 统 、通讯设施 、现场照 明及生活后勤系统需要消 耗少量 的电能 、热能及新鲜水 ，包括生产 设施的 维温 、采暖、通风及现场驻守员工的 日常食宿等 消耗的能源。 经 过对 各 类 设备 进 行分 析 ，海 洋石 油 平 台 的可利用余热资源一般包括 高温烟气 、油 田伴生 气、高温缸套冷却水、高温生产水等 。 2 ． 1高温烟气 海 洋 平 台上 一般 设 有 主 电站 系统 ，为本 平 台或 区域联 网供 电。主 电站根据驱动发动机 的原 动机种类分为燃气轮机 电站机 组、原油往 复式 电站机组、天然 气往 复式 电站机组 、双燃料往复 式电站机组及蒸汽轮机 电站机组等 。蒸汽轮机 电 站机组 由于尺寸较大 ，在海洋石油平 台上较少采 用 。 2 ． I ． 1 燃气轮机 电站 燃气轮机 电站机 组采用 油 田伴生气或 天然气 为燃料 ，由燃气透平驱动发 电机发 电，从 轻型到 重 型电站机 组都有较广泛 的应用 。以下为三 种海 洋石油平 台最常用 的燃气轮机 电站及其高温烟气 排放 。 i 4 5 0 0 k W机组在不同负荷率、不同环境温度 下，机组出 口烟气温度降为2 3 O ℃时的可 回收余热 量 表2 4 5 0 0 k W 机组可利用余热资源 夏季 工况 主机负荷率 ％ ， 7 0 8 0 9 0 1 O 0 环境温度 ℃ 3 4 烟气比热 k J ／ k g ． ℃ 1 ． 1 1 ． 1 1 ． 1 1 ． 1 烟气流量 k g ／ h 7 0 9 5 4 7 0 9 9 7 7 1 0 4 0 7 1 0 8 5 烟气进口温度 ℃ 4 4 0 4 7 1 5 O l 5 3 3 烟气出口温度 ℃ 2 3 0 2 3 0 2 3 0 2 3 0 可利用余热量 k w 4 0 9 7 ． 5 9 4 7 0 5 ． 3 3 5 2 9 4 ． 2 6 5 9 2 3 ． 1 6 冬季工况 _ 主机 负荷率 ％ 7 0 8 0 9 0 i 0 0 环境温度 ℃ 一 2 0 烟气 比热 k J ／ k g ． ℃ 1 ． 1 1 _ 1 1 ． 1 1 ． 1 烟气流量 k g ／ h 8 3 2 2 3 8 3 3 4 5 8 3 4 7 2 8 3 6 1 5 烟气进口温度 ℃ 3 9 1 4 2 5 4 6 0 5 0 2 烟气 出 口温度 ℃ 2 3 0 2 3 0 2 3 0 2 3 0 可利用余热量 k w 3 6 8 4 ． 6 9 4 4 6 9 ． 3 7 5 2 7 9 ． 6 0 6 2 5 4 ． 4 0 2 1 3 0 0 0 k W机组在不同负荷率、不同环境温度下，机组出口烟气温度降为2 3 0 C时的可 回收余热量 表3 1 3 0 0 0 k W 机组可利用余热资源 夏季工况 主机负荷率 ％ 5 0 6 5 8 0 9 0 l 0 O 环境温度 ℃ 3 4 烟气 比热 k Jk g ． ℃ 1 ． 1 1 ． 1 1 ． 1 1 ． 1 1 ． 1 烟气流量 k g ／ h 1 6 1 5 7 7 1 6 1 9 3 7 1 6 2 2 7 5 1 6 2 4 9 2 1 6 2 7 0 6 烟气进口温度 ℃ 4 0 0 4 3 5 4 7 2 4 9 7 5 2 3 烟气出口温度 ℃ 2 3 0 2 3 0 2 3 0 2 3 0 2 3 0 可利 用余热量 k w 7 5 5 3 ． 7 2 9 1 2 9 ． 1 9 1 0 7 9 9 ． 4 1 1 9 3 0 ． 9 8 1 3 1 l 0 ． 0 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 一 ■ 节能减排 石 油 和化 工 设 备 2 0 1 5 年第1 8 卷 冬季工况 主机 负荷 率 ％ 5 0 6 5 8 0 9 0 1 O 0 环境温度 ℃ 一 2 0 烟气比热 k J ／ k g ． ℃ 1 ． 1 1 ． 1 1 ． 1 l _ l 1 ． 1 烟气流量 k g ／ h 1 9 3 4 4 4 1 9 3 8 4 4 1 9 4 2 6 1 1 9 4 5 4 9 1 9 4 8 4 4 烟气进口温度 ℃ 3 3 8 3 7 9 4 2 4 4 5 5 4 8 7 烟气出口温度 ℃ 2 3 0 2 3 0 2 3 0 2 3 0 2 3 0 可利用余热量 k w 5 7 4 5 ． 2 8 7 9 4 2 ． 7 5 1 0 3 6 3 ． 8 2 1 2 0 3 7 ． 7 2 1 3 7 7 0 ． 6 3 2 5 0 0 0 k w机组在不同负荷率、不同环境温度下，机组出口烟气温度 降为2 3 0 C时的可回收余热量 表4 2 5 0 0 0 k W 机组可利用余热资源 夏季工况 主机负荷 2 5 0 0 0 2 2 5 0 0 2 0 0 0 0 1 7 5 0 0 1 5 0 0 0 环境温度 ℃ 3 4 烟气 比热 k J ／ k g ℃ 1 ． 1 1 ． 1 1 ． 1 1 ． 1 1 ． 1 烟气流量 k g ／ h 2 7 6 6 2 4 2 6 5 9 6 8 2 5 4 8 8 0 2 4 3 2 5 2 2 3 1 1 5 6 烟气进口温度 ℃ 5 4 0 ． 5 5 3 2 ． 1 5 2 3 ． 2 5 1 4 ． 2 5 0 6 ． 5 烟气出口温度 ℃ 3 O 2 3 0 2 3 0 2 3 0 2 3 0 可利用余热量 k w 2 6 2 4 2 2 4 5 5 2 2 2 8 3 8 2 1 1 2 7 1 9 5 2 7 冬季工况 主机负荷 2 5 0 0 0 2 2 5 0 0 2 0 0 0 0 1 7 5 0 0 1 5 0 0 0 环境温度 ℃ - 2 0 烟气比热 k J ／ k g ℃ 1 ． 1 1 ． 1 1 ． 1 1 ． 1 1 ． 1 烟气流量 k g ／ h 3 1 5 6 8 4 3 0 3 7 3 2 2 9 1 5 2 8 2 7 8 8 5 6 2 5 3 3 6 8 烟气进口温度 ℃ 4 2 0 ． 8 4 l 4 ． 4 4 0 7 ． 3 4 0 0 ． 3 3 9 4 ． 1 烟气出口温度 ℃ 2 3 0 2 3 0 2 3 0 2 3 0 2 3 0 可利用余热量 k w 1 8 4 0 3 1 7 1 O 9 1 5 7 9 3 1 4 5 1 O 1 3 3 2 0 2 ． 1 ． 2原油往复式 电站 原油往复式 电站机组采用 费用较低 的处理合 格 的原油作为燃料 ，是柴油发 电机 的改进型 ，被 普遍用作船舶主机或海洋平台的主电站。表5 为海 洋 平台常用原油往复式 电站机 型以及在机组额定 功率运行工况下将机组 出口烟气温度降为2 3 0 ℃时 的可 回收余热量 。 表5 原油主机可利用余热资源 厂家 机组额度功率／ k W 机组型号 烟气温度／ C 烟气流量／ k g ／ h 可利用余热量／ k W CA T． M AK 57 60 l 2 V M32 C 3 3 3 3 77 40 42 7 6 CA T． M AK 7 6 80 1 6M 32 C 3 2 3 5 62 95 57 5 9 W a r t S i 1 a 4 5 0 0 9 L 3 2 3 8 5 2 9 1 6 0 4 9 7 2 2 ． 2油 田伴生 气 油 田伴生 气 是指 油层 中伴 随着 石 油一 起逸 出的气体及部分溶于石油 中的天然气 。在油井生 产过程 中，当井底压力降低到低于原油饱和压力 时，天然气便从原油中分离 出来 ，分离出的天然 气 随液流进入抽油泵泵腔而从井 口逸 出。伴 生气 是一种混合物 ，其成分除轻烃类 外，还经常含有 水分、一氧化碳 、硫化氢、氮、氦 、机械杂质等 危害性较大的非烃类化合物 ，对 其进行处理 的工 艺比较复杂。 伴 生气 气量 较 大时 ，可 通 过管 线输 送 到陆 上 ，或 用作气 举 生产 、注气 保 持油 藏压 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第】 1 期 张凯等 海洋石油平台可利用余热资源及应用现状 ． 6 9一 力 ，及作为平 台燃料 。伴生气气量较小时 ，由 于受技术发展和地域条件 的制约 ，传统的解决措 施是将其直接点燃排放 ，即人们在油 田上看 到的 一 些 “ 火把 ”。这样不仅浪费能源 ，而且污 染环 境 。由于油 田伴生气气量、组分等性质在 不同区 块、不 同平 台的差异较大 ，需根 据油 田开发参 数 进行确定 。 2 ． 3 主机高温冷却水 主 机 冷却 水 系统 的功 能 是为 了尽 量 减少 机 组运行中产生的热量 ，降低机组 内部组件 的热应 力。其通过 与中央冷却器将温度 降低 ，然后经过 机体 的内部循环 ，对机体 的各需要冷却 的部件 进 行冷却 ，使机体达到 良好工作状态 。主机 内部冷 却水系 统 由高温水 回路和低温水 回路组成 ，一般 高温冷却水温度可达9 0 ℃。 表6 高温缸套冷却水可利用余热资源 厂家 机组额度功率／ k W 机组型号 温度／ c 压力／ k P a G 流量／ m ／ h 功率／ k W C A T ． L A K 5 7 6 0 1 2 V M 3 2 C 6 5 ． 6 9 O 2 0 0 1 0 0 C A T ． M A K 7 6 8 0 1 6 M 3 2 C 61 ． 5 9 O 2 1 0 1 2 0 C A T ． M A K 7 6 8 0 1 6 M 3 2 C 61 ． 5 9 0 2 1 0 1 2 0 W a r t S i 1 a 4 5 0 0 9 L 3 2 8 5 2 5 0 9 0 7 2 0 2 ． 4高温生产水 海洋采 油平 台产生的生产 水是指采油过程 中 从地层带 出的地层水 。由于地层 温度 较高或原油 黏度较大时需对原油进行加热，增温降黏 处理 ， 因此生产水的温度较 高 。由于生产水系统 的较高 压力，部分生产水的温度可达 1 1 0 ℃。且 由于采 出 液量大，含水率较 高，高温生产水 的水量较大 ， 一 些平台可利用高温生产水的余热量 比较大。 表7 高温生产水可利用余热资源 平台 温度／ ℃ 压力／ k P a G 流量／ m 3 ／ h L F 1 3 - 2 D P P 平 台 1 1 O 2 0 0 l O 1 6 S Z 3 6 一 l 二期C E P O 平台 5 8 - 6 5 7 0 - 9 0 l 9 8 0 J X l 一 1 C E P A 平 台 6 0 8 0 2 0 0 4 6 8 P Y 3 4 1 C E P 平 台 3 2 - 7 0 5 0 0 5 0 L W 3 - 1 C E P 平 台 4 5 5 0 0 5 0 3海洋平台余热应用现状 海 上 油气 田工程 设 计 中应 严格 贯彻 节 约 能 源 、合理利用能源 的原则，降低 能源 消耗 ，提 高 经济 效益 。工程 设计 中一般采取 如下措施利用余 热资源 ，以降低海 上油气 田开 发工程 的综合 能耗 和油气损耗。 1 根据油气 田具体情况 ，实行燃气驱动 、热 电和 热动力联供 ，做好能量平衡 ，提 高能源综合 利用水平 。 2 优化 加热 冷 却 和 换 热过程 ， 回收工 艺过程 中的余热 冷 能，提高热 冷 能利用 率 。 f 3 减少天然气 伴生气 放空损失，充分利 用生产过程 中产生的低压烃类气体作燃料 。 4 油井套管气应考虑回收。 5 应结合实际情况，采用海水淡化技术及 雨 水收集利用技术。 6 油 田区域开发规划 中应考虑伴生气 的综合 利用、电力组网及其它节能技术。 7 原油 天然 气 加 热 的热源 ，应 首先 采 取利用 余热的方式 ，包括高温烟气余热、高温原 油 、高温天然气和高温生产水 。无余热利用 时再 考虑采用其它加热方式 。 3 ． 1 余热 回收的原则 余 热 回 收 的方 式 较 多 ，一般 可 分为 热 回收 直接 利用热能和动力 回收 转变为动力或 电 力后再回收 两大类 。从技术角度看 ，利用余热 锅炉回收气、液 的高温余热 比较容 易，回收低温 余热则 比较困难 。在 回收余热时 ，首先要考虑到 所 回收余热要有用处 ，经济上要 比较合算。如仅 为 了回收余热耗 费的设备投资较多 ，回收后 的收 益不大 时，就得不偿失 了。通常进行余热回收的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m