立式废热回收装置在海上平台上的选型设计浅析

王美波

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

立式废热回收装置在海上平台上的选型设计浅析

王美波

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

摘 要：来自透平的尾气含有大量的热量，通过余热回收装置，可以将导热油加热，尾气温度降低，进而将导热油作为热源供给换热器等热用户。通过对机组可有效利用的余热功率进行估算，结合平台空间布置，对废热回收装置进行选型分析，并对整个排气系统进行背压校核，合理规划烟管布置，实现了对海洋平台透平发电机组废气余热的回收与利用。

关键词：透平；废热回收装置；选型；背压校核；余热回收；空间布置

燃气轮机被广泛应用于海上油（气）田工程主电站的原动机。在设备运行过程中，其排气量通常为燃料燃烧所需空气量的4～5倍，排气温度在450～550 ℃之间，属于量大、中温性能的余热源，若直接通过排烟系统排放到大气中，实则是对热源的一种浪费，也不符合节能减排的要求，若在其排气系统中设置废热回收装置，其装置效率可有较大幅度的提高[1-3]。本文以海上某A平台增加主电站改造工程为背景，从废热锅炉功率估算，设备空间布局，排气系统背压校核，到烟管布置方案的确定，逐步设计，将立式废热回收装置成功应用于透平废热热能的回收与利用系统当中。

1　废热回收装置选型分析

1.1燃气透平废热回收装置流程图

废热回收炉就是利用燃气透平排出的高温烟气对热介质进行加热的一套系统，炉子本身结构简单，主要由换热盘管和一些附属管线组成。如图1所示。燃气透平排出的高温烟气通过烟气分流阀进入热介质炉，在炉内加热热介质，冷却后的烟气被排入大气，通过分流阀分流出的多余烟气，经旁路烟道排入大气。系统内的热介质经循环泵加压后进入废热回收炉加热，加热后的热介质被输送到系统中的换热器等热用户，通过热用户后的热介质返回循环泵加压，然后再次加热循环。热介质的主回路通过膨胀管线和膨胀罐相连，以吸收系统内热介质由于温度变化而产生的膨胀量和负荷变化时系统内产生的压力波动。膨胀罐内加有一定压力的氮气，一方面维持系统内的静压，另一方面作为密封气，隔离高温热介质和空气接触，防止热介质氧化。另外系统还设有一热介质排放罐和热介质补充泵以补充系统内热介质的消耗及更换系统内的热介质。

图1　废热回收装置（WHRU）流程图

1.2余热功率估算[4-5]

透平机烟气可用余热量，可参考下式进行估算：

式中：Qr— 烟气可利用的热功率，kW；

Gr— 烟气的质量流量，kg/h；

Gp— 在t2和t1温度范围内，烟气温度等压比热，单位为kJ/（kg·K）；

t2、t1— 烟气余热利用设备进、出口的烟气温度，℃；

α — 烟气经烟道旁通挡板泄漏率（一般2%～5%），导致烟气可利用的热功率系数为0.95～0.98；

3 600 — 能比系数。

本文根据A平台透平机组（Taurus 60）厂家提供的烟气相关参数，分别在冬季、夏季两种不同工况下，对机组可有效利用的余热功率进行估算，具体计算结果见表1和表2。

考虑当前A平台现有两台直燃热介质炉，其热功率为3 500 kW，同时考虑Taurus 60透平机组的可回收热量，最终选用WHRU的功率为3 500 kW。但是在透平功率较低的情况下，可以有效利用的余热功率将小于3 500 kW，按照业主要求，平台此次改造阶段暂不考虑增加补燃装置。改造过程中，保留现有平台上的一台直燃热介质炉作为WHRU的备用，即如果用热负荷在上述计算范围之内，可由WHRU全部提供，直燃热介质炉作为备用；如果平台用热负荷超出了WHRU的范围，不足部分由直燃热介质炉提供。

1.3废热回收装置空间布置

当前A平台上层甲板可利用的空间约为6.5 m×5 m×15 m（长×宽×高），考虑3 500 kW WHRU卧式安装尺寸约为13.5 m×4.5 m×6.5 m（长×宽×高），故本文选用立式安装废热回收装置，成橇尺寸6 m×4.5 m×11 m（长×宽×高）。经现场调研，WHRU的安装位置距离平台直升机甲板较近，根据CAP437《海上直升机甲板设计规范》中的规定，在直升飞机起降的飞行区域，温度升高的最大值不能超过2 ℃。因此，在直升飞机操作时需要避免进入高温烟气区域，同时高温的烟气对生活楼也会造成一定的不良影响，经烟气扩散分析后得知，立式安装的WHRU烟管需调整烟管的布局，将烟管水平引至甲板外排烟，方可降低此类危险的系数，最终确定烟管布置方案如图2云雾线部分所示。

表1　冬季工况下不同电负荷所能回收的余热量

表2　夏季工况下不同电负荷所能回收的余热量

1.4排气系统背压校核

透平机组的排气背压对其输出功率影响很大，根据技术要求，整个排气系统的背压需控制在254 mm H2O以下。从透平排烟出口排出的烟气经由膨胀节，进入废热炉体，后经膨胀节进入消音器，再经由排烟管路引至平台甲板外。

已知透平组排烟量Qm为83 844 kg/h，排烟温度为502 ℃，烟气密度ρ=0.434 kg/m3，运动黏度ν=6.8×10-5，排烟管直径为1.3 m，直管段长度20 m，弯头2个，故烟气流速：

式中：S — 烟管截面积。

雷诺数：

式中：Di— 烟管内径，mm。

根据Re，可知烟气流动型式为湍流，则管路的摩擦系数由下式计算：

则直管段的摩擦压降：

式中：L — 直管段长度；

λ — 管路摩擦系数。弯头的局部阻力系数：

式中：D — 直径；

R — 圆弧半径。则弯头的阻力压降为

废热炉、消烟器和膨胀节的压降，分别为：600 Pa、500 Pa和200 Pa。故排烟系统的总压降为：

式中：ΔPs— 消音器压降；

图2　废热回收装置（WHRU）烟管布置图

ΔPe— 锅炉本体压力降。

透平排气背压最大值为2 491 Pa，可以看出，ΔP＜2 491 Pa，排烟系统满足透平排气背压要求。

2　结论

本文通过对透平机组烟气余热功率进行估算，并考虑平台空间的限制，选定立式废热回收装置对透平烟气余热进行回收与利用，同时考虑了排烟对直升机起降以及平台生活楼的影响，合理规划烟管布局，从而达到满足透平排气背压的要求。对透平机组烟气的再利用既节约了燃料耗量，又提高了燃料的利用率，同时也减少了废气的排放，实现了节能减排。

参考文献：

[1] 高国权，单彤文.海洋石油工程机械与设备设计[M].北京：石油工业出版社，2007：131-175.

[2] 陈可越.船舶设计实用手册（轮机手册）[M].北京：国防工业出版社，2002：45-59.

[3] 赵钦新，惠世恩.燃油、燃气锅炉[M].西安：西安交通大学出版社，2005：50-100.

[4] American Petroleum Institute, API RP 520, 2003, Sizing, Selection and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries[S]. America Washington, D.C: American Petroleum Institute Publishing Services, 2003.

[5] American Petroleum Institute. API Std 560, Fired Heater for General Refinery Services[S]. America Washington, D.C: American Petroleum Institute Publishing Services, 2007.

中图分类号：TE992

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.1008-2336.2014.01.103

收稿日期：2013-08-07；改回日期：2013-10-02

作者简介：王美波，男，1982年生，机械工程师，从事机械设计工作。E-mail：wangmb@mail.cooec.com.cn。

文章编号：1008-2336（2014）01-0103-04

Selection Design Analysis of Vertical Waste Heat Recovery Unit on Offshore Oil Platform

WANG Meibo
（Offshore Oil Engineering Co. Ltd., Tianjin 300451, China）

Abstract:Turbines often produce exhaust gas at very high temperatures, which contains a large amount of heat. Using waste heat recovery unit (WHRU), the temperature of exhaust gas can be considerably reduced，thermal oil can be heated, and then used for production as a heat transfer medium for users such as heat exchangers etc. By estimating the effective waste heat power from the turbine, combined with the platform space arrangement, the selection of the WHRU is conf i rmed, also the entire exhaust system back pressure is checked, and rational planning of the exhaust duct is arranged, and the waste heat from the gas turbine is recovered and used.

Key words:gas turbine; WHRU; selection design analysis; back pressure checking; waste heat recovery; space arrangement