海上油田透平烟气余热循环利用技术

能源问题是关系我国经济发展、社会稳定和国家安全的重大战略问题[1]。

余热资源被视为是继煤、石油、天然气和水力之后的第五大常规能源,其属于二次能源,是一次能源或燃料转化后的产物,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。

当前我国能源利用率相比发达国家约低10%,至少50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃,工业余热没有得到充分利用[2]。

透平作为发电设备具有效率高、占地面积小、重量轻等特点,因此在海上油田被广泛应用,其所排放的烟气温度一般为300~550℃,余热回收潜力巨大,如何高效回收透平高温烟气余热成为海上油田亟待解决的问题。

聚合物驱作为一种有效提高原油采收率的技术,已经在海上油田得到了规模化应用,成为海上油田增储上产的重要技术之一[3⁃6]。

目前海上油田含聚原油脱水加热采用传统的管壳式换热器,将高温导热油与低温含聚原油进行热交换,以满足含聚原油脱水的温度要求。

当浓度较高的聚合物随原油返出地面后,受聚合物析出胶结的影响,管壳式换热器的加热盘管结垢和结焦问题严重,造成换热效率明显下降,原油脱水困难,由此需要频繁地清洗管壳式换热器的加热盘管,这样就大大增加了清洗费用及操作人员的工作量。

技术创新是解决海上油田生产难题的关键,经过现场调研与反复的技术、经济分析论证,确定采用透平烟气余热循环利用技术解决以上问题,并选择SZ36⁃1油田进行示范应用,该油田为目前我国最大的自营海上油田,于2003年9月开始实施注聚合物提高原油采收率技术。

1透平烟气分析
SZ36⁃1油田CEP平台的透平D机选型为美国Solar Mars100,以天然气和柴油为燃料,正常工况下采用天然气,而柴油在应急工况下使用。

透平主要技术参数如表1所示,透平正常运行时,排气流量为130t/h,排气温度为420℃,采用Testo300M⁃1烟气成分分析仪对透平烟气进行成分分析,结果如表2所示。

从表2可以看出,透平烟气中的腐蚀性气体含量较少。

2余热循环利用技术方案
2.1工艺流程
将透平高温烟气通过烟气挡板阀控制引入热
海上油田透平烟气余热循环利用技术
邓常红
(中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津300459)
摘要:为了解决海上油田透平烟气余热回收和含聚原油脱水加热的问题,采用透平烟气余热循环利用技术对透平高温烟气余热进行循环利用:利用热管蒸汽发生器将透平高温烟气余热与水进行热交换,产生低压饱和蒸汽;再利用相变掺热器将高温低压饱和蒸汽直接掺混加热含聚原油,使含聚原油达到脱水温度要求。

该技术在SZ36⁃1油田进行示范应用,取得良好的效果,每年节约标准煤8060.5t,减少CO2排放量20150t。

采用蒸汽直接掺混加热含聚原油,替代传统的管壳式换热器加热方式,避免了结垢和结焦严重问题的出现,换热效率提高20%~30%。

关键词:海上油田;烟气余热;循环利用;热管蒸汽发生器;相变掺热器;含聚原油
中图分类号:TE08;TK018文献标志码:A文章编号:1001⁃9219(2019)04⁃109⁃04
收稿日期:2018⁃11⁃02;基金项目:国家科技重大专项“海上油田生产余热循环利用技术示范”(2011ZX05057⁃003⁃002);作者简介:邓常红(1976⁃),男,硕士,高级工程师,Email: dengchh@。

表2透平烟气主要成分及含
量表1透平主要技术参数
管蒸汽发生器,热管蒸汽发生器利用透平高温烟气余热与水进行热交换,产生低压饱和蒸汽,而热交换后的烟气通过热管蒸汽发生器的烟囱排放到大气中,实现透平烟气余热的回收;通过相变掺热器将高温低压饱和蒸汽注入含聚原油中,蒸汽直接掺混加热含聚原油,使含聚原油达到脱水温度要求,从而实现透平烟气余热的循环利用,透平烟气余热循环利用工艺流程如图1所示。

热管用比例积分微分(PID )反馈控制方式,通过调节烟气挡板开度来自动控制热管蒸汽发生器的烟气流入量。

相变掺热器的蒸汽管线上设有温度调节阀,其调节对象为流经相变掺热器后的含聚原油,采用比例积分微分反馈控制方式对所加热的含聚原油温度实施自动控制,通过阀开度的变化而自动调节饱和蒸汽的掺入量来实现,使所加热的含聚原油达到脱水温度要求。

在相变掺热器的含聚原油进口管线与出口管线的底部分别设有取样阀,用来取油样化验以比对掺混蒸汽前后含聚原油含水率的变化。

2.2主要设备
2.2.1热管蒸汽发生器
热管蒸汽发生器是由若干独立传热的热管按一定的排列方式所组成,其热量传递依赖于热管。

热管为一种高效传热元件,可以利用非常小的截面积将大量的热量进行远距离传输并且不需要施加任何动力,具有高效的导热性、良好的等温性和优良的热响应性[7⁃8],其有一个密闭的、内部经过特殊处理的处于真空状态的管壳,管内充装一定量的液体工质。

热管蒸汽发生器将热管的蒸发段置于烟道内,烟气余热通过热管管壁传给管内的液体工质,使其汽化,在内部压差的作用下,蒸汽携带的大量潜热被输送到冷凝段,在冷凝段蒸汽凝结,释放出的潜热被管外的水吸收,水被汽化,管内的工作介质冷凝成液体,回流至蒸发段,继续吸热、汽化、输
送和冷凝,周而复始,从而不断地把烟气余热传递给水而使水变成蒸汽。

热管工作原理如图2所示。

热管蒸汽发生器主要技术参数:数量1台,功率5200kW ,热效率≥95%,热管数量1227根,热管长度6m ,热管规格椎28mm ×2mm ,进口烟气温度420℃,进口烟气流量130t/h ,给水流量8m 3/h ,给水温度50℃,蒸汽压力650kPa ,蒸汽温度168℃,蒸汽流量8t/h 。

2.2.2相变掺热器
相变掺热器由掺热套管、掺热管、蒸汽喷孔、蒸汽进口管、含聚原油进口管、含聚原油出口管、检修端盖和防震橇座等组成,结构如图3所示。

掺热套管套装在掺热管上,在掺热套管上有含聚原油进口管和含聚原油出口管;掺热管中的介质为蒸汽,掺热管环周上均匀布设有蒸汽喷孔,蒸汽喷孔轴线与掺热管轴线呈45°。

相变掺热器采用直接掺混的方式将高温低压饱和蒸汽通过蒸汽喷孔直接掺入含聚原油中,蒸汽经历由气态变为温度较低的液态的相变过程,释放出大量的热,对含聚原油进行加热,并通过加热和掺热水对含聚原油起到降粘的作用。

相变掺热器主要技术参数:数量1台,功率5200kW ,热效率≥95%,设计压力950kPa ,设计温度195℃,原油处理量115m 3/h ,原油进口压力
450kPa ,原油进口温度60℃,原油密度964.7kg/m 3(50℃),原油粘度616.8mPa ·s (50℃),原油含水体积分数30%,蒸汽压力650kPa ,蒸汽温度168℃,蒸汽
图1透平烟气余热循环利用工艺流程
图
图2热管工作原理
图
图3相变掺热器结构示意图
流量8t/h。

2.3技术特点
透平烟气余热循环利用技术主要具有以下特点:(1)传热量大,热响应快,受热均匀,换热效率高;(2)运行稳定,性能可靠;(3)热管相互独立,单根热管损坏不影响系统整体运行;(4)自动化程度高,免维护,操作简便;(5)流程短,结构紧凑,占地面积小。

3应用效果
透平烟气余热循环利用技术在SZ36⁃1油田CEP平台进行示范应用,2015年12月,透平烟气余热循环利用系统现场安装完成并调试成功,实现连续稳定运行。

该系统运行后,透平排气压力1.2kPa,热管蒸汽发生器排气温度240℃,产生压力650kPa、温度168℃、流量8t/h的高温低压饱和蒸汽,含聚原油掺混蒸汽后温度由60℃升至90℃,而含水体积分数仅升高1.2%,成功实现了透平烟气余热的循环利用,达到了预期效果。

取得的成效如下:(1)系统产生高温低压饱和蒸汽8t/h,每吨蒸汽折算标准煤128.6kg,每年节约标准煤8148.1t,而系统用电功率90kW/h,每年折算消耗标准煤87.6t,这样每年实际节约标准煤8060.5t(考虑透平需要停机维护或检修,以系统每年运行330d计算),相当于每年减少CO2排放量20150t,节能环保效果显著;(2)采用蒸汽直接掺混加热含聚原油,替代传统的管壳式换热器加热方式,避免了结垢和结焦严重问题的出现,换热效率提高20%~30%;(3)降低了排烟热效应,减轻了环境热污染;透平烟气噪音变小,降低了噪音污染,减轻了热辐射和噪声对生产人员身体健康的影响,明显改善了生产人员的工作环境。

4结论
为了解决海上油田透平烟气余热回收和含聚原油脱水加热的问题,采用透平烟气余热循环利用技术对透平高温烟气余热进行循环利用,并在
SZ36⁃1油田进行示范应用,得出以下结论: (1)每年节约标准煤8060.5t及减少CO2排放量20150t,节能环保效果显著;采用蒸汽直接掺混加热含聚原油,替代传统的管壳式换热器加热方式,避免了结垢和结焦严重问题的出现,换热效率提高20%~30%。

(2)透平烟气余热循环利用技术可以有效解决海上油田透平烟气余热回收和含聚原油脱水加热的问题,具有热响应快、换热效率高、运行稳定、自动化程度高和结构紧凑等特点。

(3)透平烟气余热循环利用技术在SZ36⁃1油田的成功示范应用为其它海上油田透平烟气余热回收利用提供了一套成熟的技术和一个成功的范例,具有很好的示范作用。

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Turbine flue gas waste heat recycling technology of offshore oilfields
DENG Chang鄄hong
(Tianjin Branch,CNOOC China Limited,Tianjin300459,China)
Abstract:In order to solve the problems of waste heat recovery of turbine flue gas and dehydration heating of polymer⁃containing crude oil in offshore oilfields,the waste heat recycling technology of turbine flue gas was used to recycle the waste heat of turbine high temperature flue gas,in which a heat pipe steam generator was used for exchanging the waste heat of turbine high
(上接第85页)
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(National Engineering Laboratory for Industrial Wastewater Treatment,East China University of Science and Technology,Shanghai 200237,China)
Abstract:Based on the centrifugal enhanced mass transfer mechanism,the absorption reaction for removing carbon dioxide
from natural gas is carried out in a cyclone field.The concentration distribution of each component in the cyclone reactor under
different conditions was studied by experiments and CFD (Computational Fluid Dynamics).The key factors affecting the removal rate
of CO 2by amine (MEDA)solution as absorbent were investigated.The results show that the operating gas velocity has an optimal range,and,in this gas velocity range,the CO 2removal rate is kept at a high level.The amine liquid absorbs CO 2very rapidly.After entering the cyclone reactor,the concentration of the reactants decreases rapidly and the change trend shows the form of rotating
vortex.With the increase of the concentration of imported CO 2,the rate of CO 2absorption by the amine solution is weakened.At 20℃and D75mm cyclone inlet gas flow rate of 36m 3/h,the higher the CO 2/MDEA molar ratio is in the range of 0.25⁃1.0,the lower the CO 2removal rate is.When the CO 2/MDEA molar ratio is 0.25,the CO 2removal rate can reach more than 99.5%,which can meet the requirements of natural gas for CO 2removal.
Keywords:carbon dioxide removal;cyclone reaction;natural gas purification;CFD
temperature flue gas with water to produce low pressure saturated steam,and then a phase change heat exchanger was used for
heating the polymer ⁃containing crude oil by direct mixing of the high temperature and low pressure saturated steam with the polymer ⁃
containing crude oil to make the polymer ⁃containing crude oil meet the dehydration temperature requirement.The demonstrative
application of this technology in SZ36⁃1offshore oilfield achieved good results,saving 8,060.5tons of standard coal and reducing CO 2emission by 20,150tons annually.The traditional heating method of shell ⁃and ⁃tube heat exchanger is replaced by direct mixing of steam to heat polymer ⁃containing crude oil can avoid the serious problems of scaling and coking and improve the thermal efficiency by 20%⁃30%.
Keywords :offshore oilfield;flue gas waste heat;recycling;heat pipe steam generator;phase change heat exchanger;polymer ⁃
containing crude oil
动态简讯
昊华科技成都分公司中标特大型PSA 制氢项目
日前,昊华化工科技集团股份有限公司成都分公司(原四川天一科技股份有限公司)中标陕煤集团榆林化学公司180万t/a 乙二醇工程配套的特大型变压吸附(PSA )制氢项目。

该工程配套的PSA 制氢装置是整个流程的重要环节,其
原料气总处理能力达57万m 3/h ,生产合格氢气48万m 3/h 。

项目
建成后将是迄今全球最大的煤制氢PSA 装置,也是昊华科技成都分公司继2008年神华集团鄂尔多斯28万m 3/h 特大型PSA 制氢项目之后,我国PSA 制氢技术的又一重大突破,再次奠
定了昊华科技成都分公司与西南化工研究设计院有限公司PSA 技术在全球的领先地位。

(张棣)。