A注水站燃氣輪機高溫煙氣余熱利用的分析

劉璐（大慶油田設計院有限公司）

1 現狀

據統計，各行業生產過程中產生的余熱資源約占能量總輸入的17%～67%，這些余熱資源的60%都可以回收利用。油氣田地面場站燃氣發電機組的熱能有效利用率僅有35%左右，發電機組的高溫煙氣通常被當作廢氣排放掉。油田生產現場根據自身的生產特點和使用條件，合理的選擇余熱利用技術和方式，能夠取得良好節能減排效果的同時，降低原油生產成本[1-4]。

A燃氣輪機注水站現有燃氣輪機直拖注水泵兩套，以天然氣為燃料，用于油田提壓注水。燃氣輪機轉速為10 300 r/min，單套額定功率為4 050～4 080 kW，排氣量42.5～44.1 kg/s，排煙溫度為410℃～434℃，排氣壓力0.11 MPa，燃氣熱值11 734 kCal/kg。每天耗天然氣（11.5～12.1)×104m3，兩臺泵日注水量為40 000 m3，注水泵排量為724 m3/h，水泵出口壓力為（15.6±1.5）MPa，泵效為87%。

根據現場收集和運行現狀分析，存在以下幾方面的問題：能源利用率不高，能量浪費嚴重。目前A注水站無論是有效余熱還是無效余熱全部排放，在可利用的16.7 MW/臺有效熱量中，僅有4.1 MW得以利用，有效能源利用率只有24.6%。由于余熱全部排放，燃氣輪機熱機轉換效率僅為19%，剩余81%有效能量全部排放，能源浪費嚴重。其次煙溫超過250℃排放，會使周圍熱污染加重；燃氣輪機排煙溫度超過400℃，普通碳鋼內部就有一定的蠕變，使鋼材熱腐蝕和熱氧腐蝕成倍增加，隨時都有泄漏的危險，容易造成煙囪的坍塌，若有人在周圍，危險性更大。為此，開展燃氣輪機高溫煙氣余熱利用很有必要。

2 技術方案

2.1 安全應用余熱的條件

燃氣輪機在拖動注水泵后連續排出煙氣且溫度較高，若不正確地利用余熱，會使余熱鍋爐的鋼材在低負荷輸出時因溫度升高而發生蠕變，導致鍋爐內換熱管鼓包，裂紋，甚至爆炸。所以安全應用余熱基本條件是：一是被加熱的介質能連續且穩定運行吸熱；二是被加熱的介質所用熱負荷不小于余熱量；三是不連續間斷的熱負荷需要在不運行時有儲熱的功能；四是不連續且不穩定的熱負荷不能用余熱。四種條件中，前兩種組合是最佳組合，尤其是第二條件是必不可少的。第三種條件是有儲熱功能即能被連續升溫加熱，若所需負荷大于余熱時，需要配合前兩種條件的熱負荷，使總負荷不小于余熱；若所需負荷不小于余熱時，可以直接利用余熱[5-7]。

2.2 余熱利用模式

?值越大，利用率越高，經濟性越好。煙氣溫度越高，?的潛力越大，能轉化為動力的熱?值越高。由此分析，將高溫煙氣能轉化為動力是首選。不能轉化為動力的，溫度高的余熱可加熱油田所需溫度高的介質，溫度低的余熱可加熱油田所需溫度低的介質。該理念符合國家提倡的能源梯級利用政策，可以稱為油田版的余熱梯級利用。

2.3 余熱梯級利用動力

目前，油田采用的動力只有電拖和燃氣輪機直拖兩種方式。今后可以拓展動力的有燃氣發動機直拖泵、汽輪機直拖泵（或其它轉動機械、或發電機）等方式。

燃氣輪機、燃氣發動機、汽輪機直拖泵（或其他轉動機械）動力損失少，動力負荷100%利用，減少了發電→變電→電網→變電→電動機等各個環節的損失，且不用考慮發完電后能否全部被利用問題，無論是管理還是安全運行等方面，均優于發完電后再被利用過程。

2.4 余熱梯級利用可加熱的介質

油田內需要被加熱的介質：轉油放水站（轉油站）有摻水和熱洗等；聯合站有脫水、外輸等；不加熱集輸井所需車載式熱洗水；各種站的采暖伴熱；原穩站原油加熱等。隨著油田進一步開發，半稠油區塊或層系的高溫注水也是一種被加熱的介質。以上介質，除采暖伴熱受氣候影響外，其它均不受氣候影響。以上用熱，能夠連續穩定用熱的介質有聚驅轉油（放水）站摻水和半稠油區塊（層系）的高溫注水；能夠連續趨于穩定用熱有聯合站的脫水和外輸；小負荷不連續不穩定用熱，但通過技術手段轉化為連續近似于穩定的熱負荷有不加熱集輸的車載式熱洗水；階段式連續但不穩定用熱的為采暖伴熱；采油廠外的天然氣公司有的站原油穩定加熱屬于連續穩定用熱；而轉油（放水）站熱洗為不連續不穩定用熱負荷。根據實際情況，首選聚驅轉油（放水）站的摻水，次選半稠油開采所用的高溫熱水，再選是脫水、外輸和車載式熱洗水，若實際用熱量滿足后，煙氣溫度仍在150～200℃，可以考慮采暖伴熱用熱，應徹底摒棄轉油站（放水）站中的熱洗用熱。綜合考慮用熱方案，確定一種或幾種組合式余熱利用方式[8-10]。

2.5 余熱利用后各單元流程

①梯級應用中動力產生單元環節：該單元采用余熱加熱無鹽水產生2～3 MPa蒸汽，驅動汽輪機直拖泵或拖動發電機。

驅動汽輪機直拖注水泵流程中包含余熱蒸汽鍋爐、汽輪機、注水泵、無鹽水處理系統、除氧器等，簡易流程如下：

驅動汽輪機拖動發電機流程：直拖注水泵流程中的注水泵改為發電機，發電機之前的流程與直拖流程一致，發電機及之后流程如下：

②摻水加熱單元：包括轉油站（放水）站升壓泵、汽/摻水摻混裝置、緩沖裝置、摻水泵等。簡易流程如下：

③脫水、外輸、原油穩定各加熱單元：包括汽/脫水防垢防堵換熱器（或汽/外輸等）、凝結水回收系統等。簡易流程如下：

④車載熱洗水加熱單元流程：包括汽/清水防垢摻混加熱裝置、蓄熱緩沖罐、蓄熱循環泵、倒水泵等。簡易流程如下：

⑤采暖伴熱加熱單元流程：包括循環泵、pH值調和裝置、補水裝置等。軟化水取自無鹽水處理系統，加熱取自余熱鍋爐末端。簡易流程如下：

⑥不產生動力時的余熱利用單元：包括余熱鍋爐、導熱油循環裝置、導熱油輔助裝置等。簡易流程如下：

⑦不產生動力時各加熱單元：包括防垢防堵換熱器、在線清淤系統等，其中防垢防堵換熱器可加熱摻水、加熱脫水、加熱外輸油或加熱原油穩定等介質。采暖伴熱加熱仍按⑤中流程，車載熱洗水加熱除蒸汽/清水摻混加熱裝置修改為清水/導熱油防垢換熱器，其它同流程④，各加熱單元簡易流程如下：

⑧半稠油區塊高溫注水加熱單元，簡易流程如下：

2.6 余熱利用方式

不同的余熱利用方式，有不同的投資和運行成本，產生的效益不同。根據A注水站周邊轉油放水站摻水用熱情況、車載熱洗水用熱情況以及產生動力用途等情況，可以有三種不同用途組合的余熱利用方式。方式一：不產生動力，直接全部加熱各轉油（放水）站摻水和車載式熱洗水。方式二：蒸汽驅動汽輪機直拖注水泵+加熱轉油（放水）站摻水+加熱車載式熱洗水。方式三：蒸汽驅動汽輪機直拖注水泵+半稠油區塊注水加熱+加熱車載式熱洗水。

方式一主要設備有余熱導熱油鍋爐2臺、導熱油循環系統2套、防垢防堵型汽/摻水混合裝置108套等，流程為⑦+⑧；方式二主要設備有余熱蒸汽鍋爐2臺、汽輪機直拖注水泵2套、防垢防堵型汽/摻水混合裝置76套等，流程為①+②+④；方式三主要設備有余熱蒸汽鍋爐2臺，汽輪機直拖注水泵2套、防垢防堵型汽/摻水混合裝置68套等，流程為①+②+⑧。

由于注水管網是連通的大網，產生動力拖動注水泵可以在其它注水站停運電拖注水泵，故產生的動力可以100%利用。而熱利用中車載式熱洗水用熱量固定后，周圍2 km內聚驅轉油放水站摻水用熱是決定第一種和第二種余熱利用率的關鍵。聚驅摻水及車載熱洗用熱量見表1。

2臺燃氣輪機有效余熱為25.2 MW。方式一中，全部六座站摻水用熱+車載式熱洗水用熱量為23.51 MW，利用率93.2%，屬于優質節能項目；方式二余熱產生動力5 MW，剩余余熱為20.2 MW，去除較遠的6#站的摻水用熱，利用率超100%。方式三余熱產生動力5 MW，車載熱洗1.7 MW，按注水量100 m3/d/口計，剩余余熱18.5 MW可以為80口提供注高溫水。

3 效益分析

3.1 收益分析

收益中，第一種方式為節氣、節約柴油收益；第二種方式為節電、節氣、節約柴油效益；第三種方式有節電、節氣、節約柴油和增油的綜合效益。

若2臺燃氣輪機全部啟動，且年運行時數為300 d時，第一種方式節氣為2 371.8×10 m3，節約柴油1 110 t；第二種方式節電3 240×104kWh，節氣1 901.2×104m3，節約柴油1 110 t；第三種方式節電3 240×104kWh，節氣1 901.2×104m3，節約柴油1 110 t，預計年增油2.642×104t。氣價按采油廠價（冬0.3元/m3，夏0.1元/m3）和出售價（1.47元/m3），柴油價5 500元/t，以及電價按0.637元/kWh，原油價格2 070元/t分別計算，三種方式的收益見表2。

表1 聚驅摻水及平載熱洗用熱量Tab.1 Heat consumption of polymer flooding water blending

表2 三種方式收益Tab.2 Income statement of three methods 萬元

3.2 效益評價分析

評價分析要有三要素，投資、成本和收益，根據三要素計算投資回收年限和內部收益率，三種方式下的效益評價見表3。

表3 三種方式下的效益評價Tab.3 Benefit evaluation under three modes

第一種方式中成本無氣費，只有少許輔助的電費、大修費、維修費、折舊等，約為825.4萬元（折舊費比例最多），投資為7 360萬元；第二種成本中無氣費，其它費合計成本1 266.8萬元，投資為9 280萬元；第三種成本中無氣費，其它費合計成本1 796.3萬元，投資為1.22億元，其中收益1為采油廠氣價，收益2為外銷售氣價。

3.3 經濟評價結論

1）除了按采油廠氣價評價不產生動力直接用熱外，其余方式和氣價情況下，投資回收年限均低于6 a，為節能投資良好項目，只要有動力產生的方式二和方式三，投資回收年限均低于6 a，建議采用。

2）能產生動力的余熱，盡量以產生動力為主，無論任何氣價，只要有動力產生，投資回收年限均低于6 a。

3）余熱利用越廣，產生的效益越好。

4 結論與建議

1）燃氣輪機產生的余熱質優量大，只要能夠利用，均有一定的節氣、節電、甚至節約柴油等效果。

2）A注水站余熱能夠產生動力的，盡量滿足產出，建議采用梯級利用組合方式二（蒸汽驅動汽輪機直拖注水泵+加熱轉油（放水）站摻水+加熱車載式熱洗水）和方式三（蒸汽驅動汽輪機直拖注水泵+半稠油區塊注水加熱+加熱車載式熱洗水），動力后的蒸汽可以直接與摻水或車載式熱洗水混摻加熱，較換熱器式換熱吸收熱量更徹底，也比換熱器換熱節約投資40%以上。

3）余熱產生的動力盡量直拖注水泵（或其它泵、壓縮機等），較發電后再利用，節省了變損-網損-變損-電機損失的電能，利用率更高，更具有節約能源的意義。

4）建議在聯合站或轉油放水站（聚驅）旁建燃氣輪機直拖注水泵站，余熱利用更方便，投資更低，效益更好。