有机朗肯循环低温余热发电技术在QHD32-6FPSO上的应用

刘冬青 李洪强

摘要：余热是在一定的经济技术条件下，在能源利用设备中没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。海洋石油平台在生产过程中，主电站作为海洋平台的电力供给设备，在运行过程中产生大量的高温废气余热，往往这部分热量被浪费，同时对环境造成了污染。为了达到节能减排和降本增效的目的，QHD32-6世纪号FPSO计划利用有机朗肯循环低温余热发电技术，实现废热资源的充分利用，减少主机原油消耗量，以供FPSO生活楼等使用。但经过综合分析，在海上增加有机朗肯低温发电系统，经济效益较差，且影响船体稳定性，可操作难度较大。

关键词：低温余热;有机朗肯循环发电;节能减排

0 引言

秦皇岛32-6世纪号油田浮式生产储油船（FPSO）位于渤海海域，目前世纪号上的热介质系统有3台热介质锅炉和1台透平废热回收装置同时运行，热负荷基本无富裕热量。主发电系统中有5台7 300 kW原油发电机组和1台6 500 kW燃气透平，其中原油机组负荷目前在50%左右，本次设计考虑在现有基础上适当增加余量，推荐按照原油机组的65%负荷考虑。

为了达到节能减排和降本增效的目的，QHD32-6世纪号计划回收和利用主机产生的高温烟气（平均烟气温度为330 ℃），实现废热资源的充分利用，减少主机原油消耗量，利用有机朗肯循环低温余热发电技术，主机烟气废热实现转换发电，以供FPSO生活楼等使用。

1 有机朗肯循环低温余热发电技术系统设计

有机朗肯循环发电，即在传统朗肯循环中，由有机工质代替水推动涡轮机组做功。本项目有机朗肯循环发电系统示意图如图1所示。

低压液态有机工质经过工质泵增压后进入预热器、蒸发器吸收烟气热量转变为高温高压蒸汽之后，高温高压有机工质蒸汽推动涡轮机做功，产生能量输出，涡轮机出口的低压蒸汽进入冷凝器，向低温热源放热并冷凝为液态，如此往复循环，不断由余热转化为电能。

2 主机运行参数及基础数据

QHD32-6世纪号FPSO共有5台原油发电机，型号为MAN B&W 16V32/40，额定功率7.3 MW，电站日常运行模式下机组参数如表1所示，电站外输原油运行模式下机组参数如表2所示。

3 有机朗肯低温余热发电技术的运用

3.1    有机朗肯低温余热发电系统组成

有机朗肯循环发电机系统由废热回收系统、ORC系统两大系统组成。废热回收系统设备包括热管换热器、淡水循环泵、补给水泵等，设备参数如表3所示;ORC系统（低温余热发电系统）设备包括涡轮发电机组、蒸发器、冷凝器、循环泵、有机工质等，设备参数如表4所示。

3.2    海上附属系统校核

FPSO目前有3台海水泵（2用1备），单台排量为1 200 m3/h，原FPSO海水用户用量为1 850 m3/h，有机朗肯循环发电系统中冷凝器所需冷却水量为560 m3/h，共计最大用水量为2 410 m3/h，2台海水泵可以满足用量要求。

该系统需要增加一套海水淡化设备，根据平台反馈，FPSO上有海水淡化设备及去离子处理设备，在系统首次填充后，FPSO上可以满足系统补充淡水用量的要求。

3.3    结构模拟

结构模拟为三维空间刚架，所有对结构强度和刚度有较大影響的构件都进行了详细的模拟。主机房顶新增2层平台（21 m×13.6 m×3.5 m），新增房间尺寸为5 m×3 m×3.5 m。结构模型示意图如图2所示。

3.3.1    荷载及荷载组合

基本荷载包括结构自重、设备荷载、活荷载和环境荷载。以上荷载按API RP 2A-WSD的定义选取。

3.3.2    结构分析

对结构的计算分析表明，通过加强结构，加强后主结构构件和节点的名义应力、冲剪应力校核结果全部满足要求。

4 结语

有机朗肯循环低温发电系统采购及安装费用总计约5 662万元，后续操作维修费约为每年30万元，且每两年机组需大修，费用约为100万元，减去维修费用，每年实际节约成本约280万元，预计20年收回成本，经济效益较差。同时，增加2层平台及设备后增重约252 t，船体重心将会发生变化，影响船体稳定性，并需要重新调整压载方案，可操作难度较大。经过综合分析，不建议在海上增加有机朗肯低温发电系统。

[参考文献]

[1] 黄理浩，陶乐仁.有机朗肯循环发电系统设计及实验研究[J].制冷学报，2018（2）：68-73.

[2] 王丹.中低温热管换热器的理论分析与实验研究[D].北京：北京工业大学，2013.

[3] 李艳.低温有机朗肯循环及其透平的研究与设计[D].北京：清华大学，2013.

收稿日期：2020-06-10

作者简介：刘冬青（1980—），男，天津人，高级工程师，研究方向：海洋工程机械。