海上平台余热制冷技术应用研究

赵河山 金 丹 秦逸涵 吴尧增 徐海波 秦小刚 刘向东

(中海油研究总院有限责任公司,北京)

0 引言

位于中国南海的海洋石油平台,常年处于高温高湿环境,为了满足平台生活楼人员的舒适度要求,通常采用电驱压缩式制冷空调系统制冷。船用电驱压缩式制冷空调系统在制冷时会消耗大量的电能,其产生的振动和噪声也会对人员产生影响。

海上平台一般设有主电站系统,为平台或区域供电[1]。以南海某油田新建平台为例,平台设置了燃气轮机发电机组,机组发电过程中产生的高温烟气被余热回收装置回收利用,制得高温导热油用于工艺流程加热,该部分热量亦可以用于制冷。

溴化锂吸收式制冷机组以溴化锂溶液作为吸收剂,以水作为制冷剂,利用水在高真空状态下低温蒸发吸收热量达到制冷的目的。由于它具有节省能源、不污染环境、效率高、噪声低、一机多用、自动化程度高等诸多优点而被越来越多的用户所采用[2]。但在新建海上平台中没有使用溴化锂吸收式制冷机组的先例[1]。本文以南海某新建海上平台生活楼空调系统首次应用溴化锂吸收式制冷机组为例,研究分析了溴化锂吸收式制冷技术在海上平台的应用可行性和节能经济性。结果表明,在海上平台使用溴化锂吸收式制冷技术,其方案可行并具有节能和经济效益,可在具备条件的海上平台推广。

1 海上平台标准化生活楼空调系统概述

中海油海上平台生活楼通常采用标准化设计方案。以南海某新建平台120人标准化生活楼为例,生活楼总制冷负荷为420 kW,采用间接冷却式集中空调设计方案。该方案利用船用螺杆式冷水机组消耗电能制出7 ℃冷水,通过冷水泵输送至位于生活楼各层的空调机组冷却室外新风与室内回风的混合空气。常规海上平台标准化生活楼空调系统流程图见图1。

图1 常规海上平台标准化生活楼空调系统流程图

常规海上平台标准化生活楼空调系统主要设备如表1所示。

表1 常规海上平台标准化生活楼空调系统主要设备

船用螺杆式冷水机组和冷水循环泵布置于生活楼1层甲板,空调机组布置于生活楼各层甲板两侧楼梯通道处,各设备之间通过冷水管相连。

2 溴化锂吸收式制冷系统应用研究

2.1 技术概述和发展现状

溴化锂吸收式制冷机组的工作原理与氨、氟利昂蒸气压缩式制冷机一样,都是利用液体相变过程形成制冷循环,不同的是蒸气压缩式制冷是靠消耗机械功或电能使热量从低温物体向高温物体转移,而溴化锂制冷机是靠消耗热能来完成这种非自发过程[3]。

溴化锂吸收式制冷机组具有以下优点:

1) 溴化锂吸收式制冷机组具有节能和耗电量小的优点。溴化锂吸收式制冷机组能利用低品位热能(余热、废热、排热),大量减少能耗;以热能为动力,溴化锂吸收式制冷机可以比利用电能为动力的压缩式制冷机明显减少电耗[4]。

2) 溴化锂吸收式制冷机组具有噪声小、运行振动小的优点。整个机组除功率较小的屏蔽泵外,无其他运动部件,运行安静,A声级噪声仅75～80 dB[4]。

3) 溴化锂吸收式制冷机组使用的工质为溴化锂水溶液,具有无毒、无味、不易燃等安全环保的优点。同时溴化锂吸收式制冷机组在真空状态下运行,无高压爆炸危险,安全可靠[4]。

4) 溴化锂吸收式制冷机组具有制冷量调节范围广的优点。其在20%～100%负荷率内可进行冷量的无级调节,并且能随着负荷的变化调节溶液循环量,有着优良的调节性能[4]。

溴化锂吸收式制冷机组也存在着以下问题,需要在设计过程中尽量采取预防措施。

1) 溴化锂溶液对普通碳钢具有较强的腐蚀性,在大气环境下腐蚀性更强。机组和管线发生腐蚀会导致气密性下降,对机组性能、正常运行和设备寿命产生影响。

2) 溴化锂吸收式制冷机组对于气密性要求很高,对设备的生产制造有着非常高的要求,即使漏入微量的空气也会影响机组的性能[4]。

世界上第1台吸收式制冷机于1858年诞生在法国。我国于20世纪60年代开始研究吸收式制冷机,90年代,溴化锂吸收式制冷机组进入了全面发展时期,其生产企业不断增加,产品产量及产值迅速提高,技术水平也取得了长足的进步[2]。

目前国内尚无新建海上平台溴化锂吸收式制冷机组应用案例。在南海西江平台曾对空调系统实施节能改造,将平台上1台电驱压缩式制冷机组替换为溴化锂吸收式制冷机组,采用高温生产水作为机组的驱动热源,但由于生产水水质较差,机组内部经常出现结垢堵塞的情况,目前已经停止使用。

2.2 海上平台余热资源分析

根据余热形式,溴化锂吸收式制冷机组可以分为烟气型、蒸汽型和热水型3种类型,具体使用哪种类型的溴化锂吸收式制冷机组需结合海上平台余热资源情况进行分析。表2对比了3种类型溴化锂吸收式制冷机组的使用工况和优缺点。

表2 3种类型溴化锂吸收式制冷机组的使用工况和优缺点

以南海某新建平台为例,该平台设有25 MW燃气轮机发电机组,机组发电过程中会产生高温烟气。由于平台上有工艺用热需求,因此仅设置了10 MW余热回收装置,该装置利用烟气余热制出高温导热油用于工艺流程加热。

如直接利用平台燃气轮机发电机组的高温烟气,需要增加大尺寸烟道和烟气挡板阀用于将烟气引入机组,同时需要增加补燃装置,用于稳定烟气温度,整体投资较高。考虑到溴化锂吸收式制冷机组的运行安全性,无法直接使用导热油作为驱动热源,需用换热器制备高温热水或用余热锅炉制备饱和蒸汽。采用余热锅炉制备饱和蒸汽,辅助系统投资较高,且对安全性要求较高。使用热水作为溴化锂吸收式制冷机组的驱动热源,虽然效率比使用蒸汽低,但辅助系统投资相对较低,且使用烟气余热可以减少燃料的消耗并降低空调系统电负荷,整体是节能的。

2.3 溴化锂吸收式制冷系统应用方案

南海某新建平台采用1台热水型溴化锂吸收式制冷机组代替常规海上平台标准化生活楼空调系统中的船用螺杆式冷水机组作为生活楼主要制冷设备。余热回收装置利用主电站尾气余热加热导热油,高温导热油进入换热器加热淡水,淡水通过热水循环泵增压后进入溴化锂吸收式制冷机组,完成对溴化锂溶液加热后返回换热器完成闭式循环。为了满足热水闭式循环系统压力稳定和补水需求,设置了热水定压膨胀罐和补水管线接口,溴化锂吸收式制冷机组使用海上平台闭式循环冷却系统的淡水进行制冷剂和溴化锂溶液的冷却。热水闭式循环系统流程如图2所示。

图2 热水闭式循环系统流程图

溴化锂吸收式制冷机组利用高温热水驱动溴化锂溶液实现蒸发-吸收循环,制备7 ℃的冷水,冷水由冷水泵输送至生活楼各层空调机组。为了满足冷水循环系统压力稳定和补水需求,还设置了冷水定压膨胀罐和补水管线接口。应用溴化锂吸收式制冷机组的生活楼空调系统流程如图3所示。

图3 应用溴化锂吸收式制冷机组的生活楼空调系统流程图

应用溴化锂吸收式制冷机组后的生活楼空调系统主要设备数量和规格参数如表3所示。

表3 应用溴化锂吸收式制冷机组的生活楼空调系统主要设备

代替原来1台船用螺杆式冷水机组的溴化锂吸收式制冷机组布置于生活楼1层甲板,冷水泵和空调机组布置位置与常规海上平台标准化生活楼空调系统布置保持一致。热水闭式循环系统设备布置于余热回收装置旁的甲板上。

2.4 海上平台应用适应性分析和优化设计

溴化锂吸收式机组通常用于陆地。海上平台所处海洋环境条件比陆地恶劣,具有空气相对湿度大、含盐量高的特点。海上平台设备通常露天布置,缺少船用产品选型、选材经验及产品应用实例[1],因此需要进行海上平台应用的适应性分析,并针对相应问题提出优化设计和解决方案。

1) 海洋环境腐蚀性。

针对海洋环境空气相对湿度大、含盐量高的特点,本项目将溴化锂吸收式制冷机组放置于集装箱外壳中,集装箱外壳采用不锈钢材质,防护等级达到IP56。集装箱由溴化锂吸收式制冷机组供应商随机组一同供货,集装箱罩内根据要求设置相应的通风、照明、消防、排水等设施,并预留检修门。针对海水腐蚀性强的特点,本项目利用海水-淡水换热器提供冷却水对机组进行冷却。

2) 海上平台振动。

虽然海上固定平台与船舶相比,其摇摆要小得多,但是相对平稳的陆地来说,海上平台的摇摆等振动带来的钢结构振动不容忽视[1]。本项目为了避免海上平台钢结构甲板振动造成接口破损,减轻结构振动对机组的影响,在机组所在位置局部进行了钢结构甲板加强设计。在溴化锂吸收式制冷机组本体底座采取增加橡胶隔振垫等隔振措施,在与机组连接的管线处采取增加软连接或管道减振托架等措施。另外,在溴化锂吸收式制冷机组上设置了自动集气抽真空装置,该装置可以实时监测机组真空度,根据需要定期开启真空泵向外抽气以保障机组真空度,减少机组制冷量的衰减。

3) 海上平台水质。

海上平台淡水是本项目溴化锂吸收式制冷机组的驱动热源工质,水质满足机组运行要求是保障机组运行效果和延长机组使用寿命的充分必要条件。GB/T 18431—2014《蒸汽和热水型溴化锂吸收式冷水机组》中明确规定了补充水水质要求。本项目海上平台使用的淡水来源于海水淡化装置,该装置的出水水质满足HY/T 247—2018《海水淡化产品水水质要求》二级反渗透法产品水水质要求。经对比分析,本平台海水淡化装置出水水质可以基本满足溴化锂吸收式制冷机组运行的热源水质要求。本项目淡水和GB/T 18431—2014《蒸汽和热水型溴化锂吸收式冷水机组》补充水水质要求关键项对比如表4所示。

表4 水质要求对比

4) 设备第三方认证。

为了满足新建平台的完整性要求,所有海上平台的设备需获得国家安全生产监督管理总局中国海洋石油作业安全办公室批准的第三方认证机构颁发的证书。供应商应负责安排机构认证,并承担取证费用。以中国船级社取证为例,对本项目溴化锂吸收式制冷机组整体进行取证,由于设备主要部件为压力容器,常规溴化锂吸收式制冷机组供应商的热水型机组均满足TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》的相关要求,因此本项目溴化锂吸收式制冷机组拟按其他第一类、第二类及常压压力容器取得CCS《海上固定设施产品检验证书》,检验类别为B类,证件类别为C/E。取证工作主要包括设计审图和现场检验,整体费用约为设备合同额的3%,取证审图周期大约为20个工作日。

3 方案和经济性对比

采用溴化锂吸收式制冷机组和采用船用冷水机组2种方案的主要设备数量、规格和电功率差异如表5所示。

表5 空调系统设备数量、规格和电功率差异

从表5可以看出,采用溴化锂吸收式制冷机组代替1台船用冷水机组,增加了换热器、热水定压膨胀罐和热水循环泵3种设备,减少了1台船用冷水机组。方案1的电功率较方案2减少了94 kW。

从投资上来看,2种方案机组设备投资基本相同,辅助系统相关设备投资方案1增加约55万元,机组维保和备品备件费用方案1每年增加1.5万元。设备初投资、维保和备品备件费用对比如表6所示。

表6 设备初投资、维保和备品 备件费用对比 万元

以空调系统每年运行150 d计算,使用溴化锂吸收式制冷机组代替电驱压缩式制冷机组作为生活楼制冷冷源,年均节电约33.8×104kW·h,节省的电量折合燃气约13.8×104m3,考虑设备维保费用后年均节省费用约27万元。在项目经济年限内可实现累计节省天然气约186.5×104m3,累计可节省费用约371万元,可实现经济年限内净现值(NPV)约210万元。

4 结论

分析表明,在具有应用条件的海上平台上用溴化锂吸收式制冷机组代替常规使用的电驱压缩式制冷空调机组是可行的,且具有较好的经济效益和节能示范作用,建议进行推广,但在应用该技术之前还需进行适用性和经济性分析。

南海某新建平台生活楼应用溴化锂吸收式制冷技术后可以有效利用平台余热,降低电能和燃气消耗,降低碳排放,机组在维保检修期间可以使用船用冷水机组(电驱)作为备用,有效保障了生活楼正常供冷。该方案还有效利用了平台热介质循环系统和闭式循环冷却水系统,仅新增了1套热水闭式循环系统,设备尺寸、质量对平台设计方案影响不大,技术方案可行。

从设备投资和经济性上看,2种方案设备初投资基本相同,溴化锂吸收式制冷方案考虑热水循环系统后相较常规设计方案投资增加约55万元。采用溴化锂吸收式制冷方案后年均可节省费用约27万元,大约2年可以回收新增投资。在项目经济年限内可实现净现值(NPV)约210万元。