FPSO燃气轮机烟气余热利用BZ281友谊号1126讲解.docx
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FPSO燃气轮机烟气余热利用BZ281友谊号1126讲解
FPSO燃气轮机烟气余热利用
祁高升1庄建民2王阳2
(中海石油天津有限公司渤南作业区BZ28-1油矿)
摘要:
中海油渤南作业区渤海友谊号FPSO,现有两台透平高温烟气直接排放到大气,本着节能降耗,实现余热能源充分利用原则,油田提出了余热回收的思路,经过多方分析研究,通过工艺流程设计优化、高温尾气热能分析计算,解决了余热系统与原系统兼容性问题,以增加一套余热回收装置,实现了余热回收提高了热能利用率,减少了温室气体的排放,节约了天然气资源,实现了1台热介质锅炉处于备用状态,解决友谊号热源不足问题。
通过本次改造,既满足了生产工艺的各项需求,又做到了投资小,实现了经济效益的最大化。
为具有类似条件的设施,提供了良好借鉴。
关键词:
透平燃气轮机余热回收热管节能减排
1综述
余热是指受历史、技术、理念等因素的局限性,在已投运的工业企业耗能装置中,原始设计未被合理利用的显热和潜热。
它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化学反应余热、可燃废气废液和废料余热等。
根据调查,各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的17%~67%,可回收利用的余热资源约为余热总资源的60%。
中海油天津分公司渤南作业区BZ28-1油气田友谊号拥有两台美国SOLAR(索拉)T4500透平机组公司生产的功率为2600kw。
此机组并无余热回收装置,但排烟温度达到420℃,每天大量的高温烟气排放大气,未进行有效的回收利用,造成了大量的热量损失。
随着原油处理所需热负荷大幅增加,原设计两台热介质锅炉负荷无法满足现场需求。
为满足现场用户对于热源的需求,同时达到减少温室气体排放量、保护环境、节约有限的天然气资源、提高企业经济效益的目的,对渤中28-1友谊号油气田透平排烟系统进行改造,增加3000kw余热回收装置。
2电热站系统介绍
2.1友谊号热油系统介绍
友谊号热介质加热系统由两台热容量为8139KW的双燃料热介质炉、一个热介质油膨胀罐、三台热介质油循环泵、一台热介质油提升泵、热介质油泄放舱、锅炉日用柴油柜、热介质油循环管路及各个热用户组成。
采用一用一备的运行模式,只有在严寒的季节或进行洗舱作业时启用两台锅炉。
整个热介质油加热系统呈闭式循环,每台锅炉配备一台循环泵,一台作为备用泵。
具体流程为:
热油炉加热介质油,到达设定温度后,循环泵将热油通过输油管线输送给各终端用户,热交换后降温的热油通过回流管线流入导热油炉内重新加热至设定温度,热油再次通过循环泵输送给终端用户。
当加热系统内的热介质体积膨胀时,部分热介质可通过膨胀罐上的溢流管溢流回泄放舱内。
当加热系统需要补充热介质时,通过提升泵将泄放舱(油槽)内的油,提升至膨胀罐,补充热介质油。
此外,还设有一台泄放泵,用以在系统停止运行后,把系统内的热介质油泄放回热介质油泄放舱。
详见图1。
图1热油系统流程图
2.2燃气发电机组系统简介
友谊号FPSO油田现有两台美国SOLAR(索拉)T4500透平机组,功率为2600KW,除原油外输作业外,两台透平机组采用一用一备的运行方式,单台机组正常负荷约1800KW,排烟温度通常在300-500°C范围内,热效率通常在20%到26%范围内,其余部分的燃料能量则通过排气或辐射而损失掉。
因无设计余热装置,工作时使得大量的高温烟气全部直接排空,造成巨大的热能损失。
3余热回收方案
为了最大限度地回收和利用透平机组的余热,满足油矿热负荷,对现有透平排烟系统进行改造,增加一套余热回收装置及相应热油控制流程,通过余热回收装置加热导热油,最大限度地回收和利用余热,用于热油系统加热,一方面减少余热排放,实现节能降耗;一方面减少热油炉负担,减少天然气能源的消耗和设备故障率,实现热油炉一主一备的使用要求。
目前燃气轮发电机组选用的余热炉有两种:
无旁通烟囱燃气/余热联合和有旁通烟囱的燃气/余热联合。
考虑到目前友谊号原油外输间隔短,燃气发电机组频繁启动,机组负荷变化大,为保证燃气发电机组安全可靠运行,最终选择设置旁通烟囱的方案。
设计为两台透平锅炉共用一套余热系统,使余热炉与导热油串联,即燃气发电机组排除的高温烟气,通过余热炉加热导热油,提高导热油炉回油温度,回油通过导热油炉继续加热到设定温度,为热供用户提供热能,实现余热的再次利用。
此方案具有降低导热油炉负荷,缩短加热时间,提高热能利用率,延长导热油使用寿命,投资少,节能减排等优点。
4余热回收工艺流程设计
4.1烟气系统流程设计
为了充分保护透平机组可靠性,降低油矿失电风险,余热炉设计为有旁通烟囱烟气系统,两台透平共用一套余热装置,两台透平各有一个旁通烟囱V1,V4,两台机组排烟管汇合后进入余热炉,烟气通过余热烟囱排出。
控制逻辑上设计为每台机组的旁通烟气阀V1,V4与进入余热炉的烟气阀V2,V3为互锁关系,允许每次只能选择一台透平机组作为主机为余热炉供热,其目的在于避免一旦燃气/余热机组出现问题,另一台机组可以正常运转,为油矿提供电能。
控制流程具体过程为:
选透平A为主机,透平A烟气阀V1关闭,V2打开,高温烟气通过烟道进入余热炉,以对流的形式通过废热炉内的翅片式换热盘管,换热盘管获得的热量传递给导热油,从而完成对导热油的加热,实现废热的再次利用。
此时透平B为初始状态,烟气阀V3关闭,V4打开,烟气直接旁通烟囱排出,不受余热装置的影响。
图2余热回收工艺流程设计流程
4.2余热回收系统中的导热油加热系统流程
设计思路是将余热回收装置串入导热介质油加热系统回油管线。
为此通过为回油管线增设阀门A,通过关闭阀门A,打开阀门B、D将余热回收装置串入导热介质油加热系统回油管线,利用余热泵将来自加热系统回油总管的导热油输送至余热炉进油管。
余热炉盘管内的导热油与余热烟气进行热交换,加热后的导热油从余热炉出来的输送至原热油炉中进行再加热,然后导热油输送至友谊号的各个工艺用户,从而实现透平的余热回收。
同时设计考虑到今后余热炉检修方便,专门为余热炉设计出旁通管线,通过旁通阀C、E的开关,实现对余热炉的投入与隔离,详见图2。
5主要设备选型
5.1余热锅炉选型
根据透平厂家提供的T4500机组最低性能数据,按照《锅炉计算手册》和《工业锅炉设计计算标准方法》进行计算。
表1索拉透平T4500机组最低性能数据
特定负载
KW
FULL
2500
FULL
2500
FULL
2500
净输出功率
KW
3093
2500
2899
2500
2535
2500
燃料气流量
Kcal/secIT
2893.73
2528.67
2762.02
2529.78
2554.25
2541.37
热比率
Kcal/KW-hr
3368
3641
3430
3643
3627
3660
热效率
%
25.526
23.631
25.072
23.604
23.707
23.469
排气量
KG/Hr
65653
65522
63371
63285
58472
58464
排气温度
degC
444
385
452
410
464
460
表2热平衡计算
序号
名称
符号
单位
公式及计算
数值
入炉烟气量
Kg/h
给定426℃
59875
烟气比重
ρ'
Kg/Nm3
1.312395
1
入炉烟气量
Vy
Nm3/h
给定426℃
45623
烟气比热
C'
KJ/Nm3*℃
1.3736838
2
入炉烟气温度
t'
℃
给定
426
3
入炉烟焓
I'
KJ/Nm3
c'*t'
585.19
4
总烟热量
Q'
KJ/h
I'*Vy
26697915
5
排烟温度
t"
℃
先假设,后校核
245
6
排烟焓
I"
KJ/Nm3
c'*t"
337
7
总排烟热量
Q"
KJ/h
I”*Vy
15354435
8
排烟热损失
q2
%
Q"/Q'*100
58
9
散热损失
q5
%
选取
2.1
10
散热量
Qs
KJ/h
q5*Q'
560656
11
锅炉热效率
η
%
100-q2-q5
40.388
12
保热系数
φ
1-q5/(q5+η)
0.95
13
锅炉有效吸热量
Q1
KJ/h
Q'-Q"-Qs
10782824
KW/h
2995.23
14
导热油平均流量
G
m3/h
给定
210
15
导热油进口温度
tn
℃
给定
85
16
导热油平均比热
C
KJ/Kg*K
以道生RP导热油设计100℃
1.858
17
导热油平均比容
ρ
Kg/m3
以道生RP导热油设计100℃
973
18
余热锅炉出口温度
tn'
℃
tn+Q/C/ρ/G
113.402
经过多次核算,应该选择一套3000KW余热回收炉能够充分利用余热,满足生产要求,比较了目前中国同类设备的生产加工能力,并对产品在其他装置上的使用业绩进行了考察,最终确定采用森展企业有限公司制造的QC3000型余热锅炉,此锅炉具有余热利用率高,造价低,工程量小,重量小等优点。
5.2热介质循环泵选型
5.2.1热介质循环泵选型
1、流量计算:
根据测量数据,导热油容积为115300
取计算结果值1.1倍,流量Q为210
。
2、泵的扬程:
=23.65
取泵的扬程1.2H=28m。
式中:
Pvd--泵排除侧到回油总管的压力Pa(根据图4按B点压力)
Pvs--泵入口侧接入回油总管点的压力(按B点压力导出)
--泵的出口最高液面高度m;
--泵的几何安装高度m
--泵出口侧的管线阻力(泵的出口管阻力+新余热炉阻力)
--泵进口侧管线阻力
--回油总管线计算流速m/s;
--原油加热器回油管线的流速
3、管路压降计算
△P=
式中:
--摩擦因子(查表);ρ--输送温度下介质的密度;
--导热油相对密度
--导热油液体流速;
--管长;d--管径
4、泵的必须汽蚀余量
其有效汽蚀余量:
6.97m
泵的必须汽蚀余量:
=5.4ma(安全裕量)=0.3
泵的吸上真空高度(吸程)
4.1m
根据泵的主要参数计算结果,经过多方比较最终选择德国KSB热媒循环泵,此泵可以用来输送最高温度达350°C的热媒油,型号为:
EtanormSYA125-315SYA8。
5.2.2循环泵电机选型
电机功率计算:
P=Q×H×
式中:
P--电机功率KW;Q--泵流量
;H--泵的扬程m;
电机效率%
经过计算得,电机功率为22KW,根据现场防爆要求,最终选择电机型号:
YB2-180L-4-H-W,厂家:
德州恒力电机有限责任公司。
5.3膨胀罐校核
新增加余热炉及相应的热油管线(热油管线长度约为260米)使得热油加热系统中的导热油的容量增加了9200L,势必对原系统产生影响,针对热油量增加,对原系统膨胀罐进行校核:
膨胀量计算:
G=ρn℃/ρx℃(g1-g2)
式中:
G-导热油受热后的膨胀量m3;ρn℃-常温时导热油密度kg/m3
ρx℃-工况温度下的导热油密度kg/m3;g1-导热油总装填量m3
g2-未参与升到工况温度的导热油总量m3
经过校核,新增热油膨胀量为400L,现有膨胀罐为20000L,正常工作工况膨胀罐最大热油量约为800L,膨胀罐能够满足新增导热油的膨胀量,可以满足正常工艺使用要求,罐体容积不作变更。
6安装调试技术难点分析及解决
6.1余热系统问题分析
余热调试阶段,热油泵汽蚀余量不够,造成泵吸入口供液不足,热油流量小无法满足锅炉的运行要求。
经过分析初步判断造成这种情况主要受以下2个方面影响
1.泵的汽蚀余量不满足要求,两台热油泵的必须汽蚀余量9.14m,但根据现在泵的安装位置计算,其有效汽蚀余量只有5.6m。
2.余热系统进出口与原系统切入点选择不合理,热油流量小无法满足锅炉的运行要求,从测试数据看,其流量最大只有73m3/h,而余热锅炉运行的最低流量要求是148m3/h。
针对以上问题,降低泵吸入管线高度,由原来的5.6米降低为2.8米。
调整后,通过设备试运行,满足余热炉的工况要求。
详细分析管线流程,重新选取多个测试点,计算热油管线流量约为12500m3,最终确定管线该切入点为右侧含有污水舱进仓口处和4号原油舱出口处,可以满足泵210m3/h流量要求,调整回油管汇隔断阀位置到接入口。
图3切入点选择图
6.2余热回收系统对透平机组系统的影响分析
长时间运行盘管出现结碳以及余热锅炉调节阀门工作异常情况下,现场考虑透平机组本身没有相关排气背压保护装置;如果透平机组排气压力增大,无法正常停机保护,将造成机组瞬间高温、超速影响机组使用寿命。
调试时,余热回收装置发生过一次因为烟气阀与旁通阀开度不同步,造成透平B机T5温度高关停的现象。
透平背压波动较大(2kpa~5kpa之间来回波动),查询索拉的厂家资料后发现T4500机组排烟背压应该保持在2.5kpa以下,而余热回收装置在不投用的情况下(完全走旁通)也很难保证在2.5kpa以下。
经过分析初步判断造成这种情况主要受以下2个方面影响:
1、余热阀与旁通阀布置位置。
2、烟气阀与旁通阀的计算方法。
当余热投用后此阀门V1(参考图2)关闭,透平排出的烟气会在V1阀前较长的管道内形成紊流,与透平排烟相互冲击,造成背压波动较大。
在余热装置不投用的时候此阀门V2处于关闭位置,由于阀前管道相对较短,所以紊流现象不是很严重,透平背压波动不是很明显。
因烟道与阀门已经安装完成,现场不具备改造的能力,针对这种情况首先要求厂家修改了程序,烟气阀与旁通阀的开度由原来相加总和等于100%修改为相加总和为115%左右。
即在烟气阀全开100%的情况下旁通阀仍然有15%的阀开度,使余热投用后V1阀前管道内的烟气仍有一部分可以排出,已达到消除或减小紊流现象。
测试发现,两台烟气阀动作快慢直接影响T5温度的波动,通过修改程序,调整阀门开度及时间(每开5~10%延时20s左右),通过试验证明这种方法是可行的,在烟气阀全开的情况下,透平背压基本保持在3.5kpa以下(如果余热阀不100%负荷投用背压基本保持在2~3kpa左右),偶尔会波动到4kpa但是持续时间很短。
7余热回收装置运行情况
余热系统的投用增加了热油流速,提高换热效果使进舱原油加热到45℃以上,确保外输原油含水不超过0.5%,品质明显提高。
单台热介质锅炉日常运行负载为65%~70%,余热系统投用后锅炉负载在40%~45%之间,减少了天然气的消耗,节约天然气使用量,每年减少天然气消耗约0.25×365=91万方。
自余热回收装置投用后,装置与单台热油锅炉联合供热,实现了锅炉的一主一备,给锅炉预防维修留出了充足的时间,保证了设备的稳定运行,满足了原油集输处理所需的热能。
8项目经济性评价
8.1热量衡算
通过核准计算,在透平发电机负荷1500KW,排烟温度350℃时,余热回收装置约提供2500KW的换热量。
预计在冬季透平负荷达到1800KW,排烟温度400℃时,余热回收装置将可提供3000KW的换热量。
8.2经济效益与社会效益分析
新增余热回收装置可以替代3000KW的热介质锅炉,一台3000KW天然气为燃料的热油炉耗气量约为6000m³/天(天然气价格为2元/m³计算)每年节约燃气成本438万元。
余热回收装置投用后只投用一台热介质锅炉,降低了另一台锅炉的使用频率,从而减少单台维护成本约30万元/年。
先期投入项目经费600万元成本仅需1.2年即可回收,持续经济效益可观。
每年可减少多种大气污染物的排放,其中可减少二氧化硫(SO2)排放量约0.096t,碳氢化合物(CnHm)12.22t,氮氧化物(以NO2计)31075t,二氧化碳(CO2)6606t,具有显著的环保效益和社会效益。
9小结
余热回收技术在友谊号上的实施应用,体现了中海油紧跟国家“十二五”规划步伐迈出的坚定脚步,具有深远、重大的意义。
余热回收装置的成功投用,既解决了生产热源不足的难题,使丰富的热源得到有效的回收与利用,同时减少了天然气消耗和大气污染物的排放,达到了节能减排的目的,取得了良好的经济效益和社会效益。
同时这是渤海油田第一次尝试在原有透平上增加余热回收,通过详细设计、精细化施工管理,最终一次性获得成功,为今后海上类似油矿提供了切实可行的技术支持和参考范例,为下一步挖潜设备潜能,提高能源利用,打下了坚实基础。
增加一部分内容,即通过该项目得出的经验,请参考我的汇报材料部分内容。
参考文献
[1]邓先录.电弧炉烟气余热回收利用系统设计,<<工业锅炉>>2010年第03期
[2]陈吕云.95N加热炉烟气余热回收利用,<<冶金动力>>2010年第04期
[3]周寿祖等.吹风气余热回收装置在我厂的应用,<<化工生产与技术>>,2002年第9卷第2期
作者简介:
祁高升,男,助理工程师,2006年毕业于西南石油大学电气工程及时自动化专业,工学学学士,现任中海油(中国)有限公司天津分公司渤南作业区BZ28-1友谊号电气师。
E-mail:
yy_2@
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