有機朗肯循環和卡琳娜循環在海上平臺低溫余熱利用的性能對比*

劉春雨 郝 銘 萬宇飛 王文光 劉際海

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

有機朗肯循環和卡琳娜循環在海上平臺低溫余熱利用的性能對比*

劉春雨 郝 銘 萬宇飛 王文光 劉際海

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

劉春雨,郝銘，萬宇飛，等.有機朗肯循環和卡琳娜循環在海上平臺低溫余熱利用的性能對比[J].中國海上油氣，2017,29(4)：169-174.

LIU Chunyu,HAO Ming,WAN Yufei,et al.Comparison of organic Rankine cycle and Kalina cycle in terms of energy performance in low temperature waste heat utilization on offshore platforms[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(4):169-174.

海上采油平臺能量消耗大，低溫余熱資源豐富，節能潛力巨大，其中低溫煙氣和低溫生產水是2種最主要的余熱資源。通過流程模擬，建立了基于低溫煙氣和低溫生產水的循環模型并進行了參數影響分析，對比研究了有機朗肯循環和卡琳娜循環在海上平臺低溫煙氣和低溫生產水余熱利用的性能,結果表明在2種熱源情況下有機朗肯循環的性能均優于卡琳娜循環。本文研究成果可為海上平臺低溫余熱的循環利用提供參考。

有機朗肯循環；卡琳娜循環；海上平臺；低溫煙氣；低溫生產水；參數影響；性能對比

海洋石油開發投入高、風險大，合理利用能源將有利于提高平臺能源利用率，從而提高油田開發的經濟效益，尤其是中小型油田和邊際油田的開發[1]。

有機朗肯循環以低沸點有機物為工作介質，其優點是循環簡單，能夠根據熱源的溫度選擇特定的介質，并通過使用干介質避免了渦輪葉片腐蝕問題[2]。Roy等[3]建立了一個以燃煤電廠140 ℃煙氣為熱源的有機朗肯循環，并進行了參數優化和性能分析。Pierobon等[2]建立了一個以北海某海上采油平臺燃氣透平高溫煙氣為熱源的有機朗肯循環模型，并通過多目標優化對比分析了以丙烷和環戊烷為工作介質的循環性能、簡易程度和經濟回報。嚴雨林 等[4]建立了一套以低溫地熱為熱源的有機朗肯循環實驗系統，熱源進口溫度為90 ℃，實驗結果表明工作介質蒸發壓力和膨脹劑轉速均會影響循環整體性能。卡琳娜循環是一種使用氨水混合物作為循環介質的循環系統，通過改變介質中氨的濃度實現“變溫”蒸發[5]。Hettiarachchi等[6]測試了卡琳娜循環在低溫地熱余熱資源利用上的應用，并研究了氨水質量濃度和透平入口壓力對循環效率的影響，結果表明，對于給定的透平入口壓力，可選出最優的氨水質量濃度并得到最佳的循環效率。盧志勇 等[7]使用EES軟件建立了卡琳娜地熱發電熱力循環模擬，研究了冷凝溫度、蒸發壓力和氨的濃度等對循環效率的影響，模擬結果與實驗參數較符合。Rodríguez等[8]使用Aspen HYSYS軟件模擬了回收低溫地熱余熱資源的有機朗肯循環和卡琳娜循環，結果表明卡琳娜循環輸出功率比有機朗肯循環高18%。Nemati[9]建立并對比了基于有機朗肯循環和基于卡琳娜循環的熱電聯產系統余熱回收熱力學模型和優化分析結果，認為有機朗肯循環具備循環壓力低、結構簡單、輸出功率高等特點，比卡琳娜循環更具應用前景。由此可見，對于低溫余熱(低于200 ℃)回收，目前不同學者對于上述2個循環的評價并不一致[10]。

為了更好地利用海上平臺低溫余熱資源，本文對有機朗肯循環和卡琳娜循環在海上平臺低溫余熱資源利用上的性能進行研究和對比分析，以期為海上平臺低溫余熱的循環利用提供參考依據。

1 海上平臺余熱資源現狀

海上平臺余熱可以分為高溫(250～350 ℃)、中溫(150～250 ℃)、低溫(90～150 ℃)等3種，余熱回收裝置的功率范圍為3 kW～15 MW[11]。海上采油平臺可利用的余熱資源主要是透平電站高溫煙氣的廢熱以及油水處理后得到的低溫生產水，這2類余熱資源數量多，具有很大的利用空間。

1.1 低溫透平電站煙氣余熱

根據透平電站的技術原理，氣體燃燒后得到高溫氣體，其能量只有1/3能夠用于發電，剩余的2/3隨透平煙氣排放，形成高溫煙氣余熱資源，如東海某DPP平臺排煙溫度為400～500 ℃，可利用余熱量最高可達6000 kW[12]。目前高溫煙氣余熱利用技術已較為成熟，應用也十分廣泛。例如，北部灣盆地潿洲12-1 PUQB平臺使用熱介質系統回收利用透平電站的高溫廢氣，以導熱油為中間介質，將回收的熱量傳遞給工藝物流，達到了余熱利用的目的[13]；某海上平臺利用溴化鋰機組回收燃氣透平高溫煙氣能量，并用于透平進口氣體冷卻，經余熱利用后的排煙溫度為160 ℃[14]。據了解，目前海上新投產平臺透平電站已全部配備余熱回收裝置，因此本文主要研究經過煙氣余熱利用后的低溫煙氣的余熱再利用。

1.2 低溫生產水余熱

海上采油平臺中的生產水是指在采油過程中從地層中采出的地下水，也包括為了強化采油而注入的水。一般情況下，地層溫度較高，油氣處理時需要通過增溫提高分離效率，導致生產水溫度較高；而且油田采出量大，中后期含水率升高，生產水量大，可利用余熱潛力大。例如，渤海金縣1-1油田CEPA平臺生產水溫度為60～80 ℃，流量為468 m3/h；綏中36-1油田CEPO平臺生產水溫度為58～65 ℃，流量為1 980 m3/h[12,15]。

2 低溫煙氣余熱利用模擬分析

本文使用文獻[16]中記載的熱介質鍋爐高溫燃氣數據，其中流量為11 000 Nm3/m，壓力為500 kPa，溫度150 ℃，各組分含量：CO2為3.01%，H2O(g)為8.66%，N2為73.33%，O2為14.13%。

2.1 低溫煙氣余熱有機朗肯循環建模及參數影響分析

在Aspen HYSYS軟件中建立低溫煙氣余熱有機郎肯循環模型，使用R236fa(六氟丙烷)和R600(正丁烷)作為循環介質，流體包為Peng-Robinson方程，模型中包括預熱器、蒸發器、透平、冷凝器和介質泵。如圖1所示，有機循環介質首先在預熱器中被加熱到泡點溫度，然后在蒸發器中等溫蒸發，完全變成氣態后進入透平膨脹做功，降壓后的循環介質再經過冷卻水冷卻至液態，最后進入介質泵增壓形成完整循環過程。

圖1 低溫煙氣余熱有機朗肯循環模型示意圖Fig .1 Sketch of organic Rankine cycle model for low temperature flue gas heat

蒸發壓力對煙氣余熱有機朗肯循環的影響如圖2所示，橫坐標為循環介質蒸發壓力，縱坐標分別為凈輸出功(外輸功與介質泵的差值)和循環效率。模擬結果表明，R236fa和R600這2種循環介質均存在最佳的蒸發壓力，這是因為雖然蒸發壓力提高有助于透平膨脹做功，但是壓力提高會使循環介質蒸發溫度升高，在總熱量不變的情況下會使循環介質量變少，從而導致整體做功呈現先增大后減小的現象；二者最大凈輸出功率相近(約為43 kW)，但是R236fa的最佳蒸發壓力為1500 kPa，R600的最佳蒸發壓力為2 000 kPa，二者相差500 kPa。隨著蒸發壓力增加，有機朗肯循環效率不斷增加，并且R236fa的效率始終高于R600。由此可見，對于低溫煙氣余熱有機朗肯循環，R236fa比R600更適合。 過熱度對煙氣余熱有機朗肯循環的影響如圖3所示，橫坐標為循環介質蒸氣過熱度，縱坐標分別為凈輸出功和循環效率。模擬結果表明，這2種循環介質的凈輸出功率和循環效率與過熱度的關系曲線變化趨勢相同，凈輸出功隨過熱度的增大而線性減小，但循環整體效率未出現明顯變化，這表明該循環最佳的透平進口溫度為露點溫度。

圖2 蒸發壓力對煙氣余熱有機朗肯循環的影響Fig .2 Effect of evaporating pressure to organic Rankine cycle of flue gas waste heat recovery

圖3 過熱度對煙氣余熱有機朗肯循環的影響Fig .3 Effect of degree of superheat to organic Rankine cycle of flue gas waste heat recovery

2.2 低溫煙氣余熱卡琳娜循環建模及參數優選

在Aspen HYSYS軟件中建立低溫煙氣余熱卡琳娜循環(KCS11)模型，使用氨水混合物作為循環介質，流體包為RefProp方程，模型中包括蒸發器、分離器、透平、高溫回熱器、低溫回熱器、冷凝器和介質泵。如圖4所示，氨水混合物在蒸發器中與煙氣換熱后蒸發，經過分離器分離，蒸氣去透平膨脹做功，液體在高溫回熱器中與回流氨水換熱，膨脹后的氣體和換熱后的液體混合后通入低溫回熱器中與冷卻后介質換熱，然后進入冷凝器冷卻至液態，最后經過介質泵回流形成完整循環過程。

蒸發壓力對煙氣余熱卡琳娜循環的影響如圖5所示，氨水質量濃度分別為65%和70%時，凈輸出功隨蒸發壓力的增加呈現先增大后減小的趨勢，原因與有機朗肯循環類似。在低壓區(<1 700 kPa)低濃度介質輸出功和循環效率更高，但在高壓區高濃度介質性能更佳，這是因為平臺條件所限，冷凝溫度最低只能設置為25 ℃，所以高氨水質量濃度時需要的冷凝壓力也高，這就限制了透平做功的能力。而在較高壓力時，高氨水質量濃度導致的蒸氣量大，覆蓋了這部分影響。因此，高質量濃度氨水在較高的壓力下能夠獲得更大的輸出功率和循環效率。 氨水質量濃度對煙氣余熱卡琳娜循環的影響如圖6所示，在指定壓力下存在最適宜的氨水質量濃度，使得卡琳娜循環系統輸出功和循環效率最大，這也是由于海上平臺冷凝溫度有限所導致，即隨著濃度升高，蒸氣量逐漸增多，但是透平壓降變小，從而導致存在一個中間值使得整體性能最佳。

圖4 低溫煙氣余熱卡琳娜循環模型示意圖Fig .4 Sketch of Kalina cycle model for low temperature flue gas heat

圖5 蒸發壓力對煙氣余熱卡琳娜循環的影響Fig .5 Effect of evaporating pressure to Kalina cycle of flue gas waste heat recovery

圖6 氨水濃度對煙氣余熱卡琳娜循環的影響Fig .6 Effect of ammonia concentration to Kalina cycle of flue gas waste heat recovery

3 低溫生產水余熱利用模擬分析

本文僅是對比2種循環的性能，所以參照文獻與生產實際設置生產水數據，其中溫度為70 ℃，壓力為200 kPa，流量為5 000 m3/d。

3.1 低溫生產水余熱有機朗肯循環建模及參數影響分析

低溫生產水余熱有機朗肯循環建模過程與低溫煙氣余熱有機朗肯循環建模類似，只是根據余熱溫度將循環介質更換為R245fa(五氟丙烷)和R227ea(七氟丙烷)。蒸發壓力對生產水余熱有機朗肯循環的影響如圖7所示，可以看出蒸發壓力對循環凈輸出功率的影響較大，隨著蒸發壓力增大，凈輸出功率呈現先增高后減小的趨勢，最佳蒸發壓力為800 kPa。由于熱源溫度的限制，蒸發壓力較煙氣余熱利用循環低1 000～1 500 kPa，循環效率低10%,但2種循環介質性能差別不大。

圖7 蒸發壓力對生產水余熱有機朗肯循環的影響Fig .7 Effect of evaporating pressure to organic Rankine cycle of production water waste heat recovery

3.2 低溫生產水余熱卡琳娜循環建模及參數影響分析

低溫生產水余熱卡琳娜循環建模過程與低溫煙氣余熱卡琳娜循環建模類似。蒸發壓力和氨水質量濃度對生產水余熱卡琳娜循環的影響分別如圖8、9所示。從圖8可以看出，凈輸出功和循環效率均呈現“增大—減小—增大—減小”現象，但最佳蒸發壓力出現在較高的壓力階段。同樣由于熱源溫度較低，蒸發壓力較煙氣余熱利用循環低1 000 kPa左右，循環效率也只有煙氣余熱利用循環的50%。從圖9可以看出，由于海上平臺冷凝溫度有限，對于低溫生產水余熱卡琳娜循環，在指定壓力下同樣存在最適宜的氨水質量濃度，使得卡琳娜循環系統輸出功和循環效率最大，即隨著濃度升高，蒸氣量逐漸增多，但是透平壓降變小，從而導致存在一個中間值使得整體性能最佳，而且氨水質量濃度為70%和65%時循環性能差別較小。

圖8 蒸發壓力對生產水余熱卡琳娜循環的影響Fig .8 Effect of evaporating pressure to Kalina cycle of production water waste heat recovery

圖9 氨水質量濃度對生產水余熱卡琳娜循環的影響Fig .9 Effect of ammonia concentration to Kalina cycle of production water waste heat recovery

4 2種循環低溫余熱回收性能對比

有機朗肯循環和卡琳娜循環在海上平臺低溫余熱利用上的性能對比如表1所示。從表1可知，海上平臺低溫煙氣有機朗肯循環的熱效率可以達到13.9%，循環火用損為43.9%;而卡琳娜循環的熱效率為13.1%，循環火用損為46.4%。由此可見，對于海上平臺150 ℃的低溫煙氣而言，有機朗肯循環要優于卡琳娜循環，而卡琳娜循環的排煙溫度最低只能降至85 ℃，存在一定的能量浪費，且循環壓力也較高。另外，海上平臺低溫生產水有機朗肯循環的熱效率為6.9%，火用損為50.2%，而卡琳娜循環熱效率為5.6%，火用損為58.4%，經過2個循環后的水溫均為66.4 ℃，有機朗肯循環的性能依然優于卡琳娜循環。

表1 兩種低溫熱源余熱回收情況對比Table 1 Waste heat recovery comparison of different waste heat sources

5 有機朗肯循環余熱回收效果展望

根據透平廠家提供的運行參數，通過流程模擬，可以快速計算出不同型號透平的低溫煙氣經有機朗肯循環后的回收功率。如圖10所示，目前主要透平型號的低溫煙氣，通過有機朗肯循環可回收余熱功率為200～500 kW/臺，可見，有機朗肯循環在透平機組低溫余熱的循環利用上具有較好的應用效果。例如，目前渤海北部某油田群采用電力組網模式，共有12臺Titan-130機組和4臺MARS100機組，正常情況下采用并網模式運行(為10用6備)，經計算，通過有機朗肯循環可利用余熱達4 300 kW。渤海南部某油田群采用電力組網模式，共有10臺Titan-130機組，正常情況下采用并網模式運行(為8用2備)，經計算，通過有機朗肯循環可利用余熱達3 400 kW。

圖10 低溫煙氣余熱有機朗肯循環回收潛力Fig .10 Energy-saving potentiality of flue gas waste heat recovery by organic Rankine cycle

6 結論

低溫煙氣和低溫生產水的有機朗肯循環和卡琳娜循環余熱回收性能研究結果表明，對于低溫煙氣和低溫生產水，有機朗肯循環的凈外輸功比卡琳娜循環分別高3.7 kW和12.1 kW，循環系統熱效率分別高0.8%和1.3%，火用損分別低3.5 kW和8.2 kW，而且有機朗肯循環操作參數更加緩和，結構更簡單，更有利于在海上采油平臺應用。本文研究結果為海上平臺低溫余熱循環利用選擇提供了依據。

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(編輯：呂歡歡)

Comparison of organic Rankine cycle and Kalina cycle in terms of energy performance in low temperature waste heat utilization on offshore platforms

LIU Chunyu HAO Ming WAN Yufei WANG Wenguang LIU Jihai

(TianjinBranchofCNOOCLtd.,Tianjin300459,China)

Energy consumption on offshore production platforms is enormous; on the other hand there are abundant low temperature heat resources there, hence a great potential of energy saving.The main waste heat resources are low temperature flue gas and low temperature produced water.In this paper, via process simulation, the cyclic models were established based on the waste heat resources of low temperature flue gas and low temperature produced water, with the parameters analyzed and optimized.The comparison of organic Rankine cycle and Kalina cycle in terms of energy performance in low temperature waste heat utilization was conducted, treating the flue gas and produced water as heat resources.The results show that organic Rankine cycle is superior to Kalina cycle in both cases.The results of this paper can be a reference for the cyclic utilization of low-temperature waste heat on offshore platforms.

organic Rankine cycle; Kalina cycle; offshore platform; low temperature flue gas; low temperature produced water; parameter influence; performance comparison

劉春雨，男，高級工程師，1997年畢業于江蘇石油化工學院，獲學士學位，現主要從事海上油氣田地面工程的研究和設計工作。地址：天津市濱海新區海川路2121號渤海石油管理局B座(郵編：300459)。E-mail:liuchy2@cnooc.com.cn。

劉際海，男，助理工程師，2015年畢業于中國石油大學(北京)，獲碩士學位，現主要從事海上油氣田地面工程的研究和設計工作。地址：天津市濱海新區海川路2121號渤海石油管理局B座(郵編：300459)。E-mail:liujh77@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)04-0169-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.04.023

TE68

A

2017-01-23 改回日期：2017-04-12

*“十三五”國家科技重大專項“高粘原油輸送技術研究及應用(編號：2016ZX05058-004-003)”部分研究成果。