海上平臺余熱制冷技術應用研究

趙河山 金 丹 秦逸涵 吳堯增 徐海波 秦小剛 劉向東

(中海油研究總院有限責任公司,北京)

0 引言

位于中國南海的海洋石油平臺,常年處于高溫高濕環境,為了滿足平臺生活樓人員的舒適度要求,通常采用電驅壓縮式制冷空調系統制冷。船用電驅壓縮式制冷空調系統在制冷時會消耗大量的電能,其產生的振動和噪聲也會對人員產生影響。

海上平臺一般設有主電站系統,為平臺或區域供電[1]。以南海某油田新建平臺為例,平臺設置了燃氣輪機發電機組,機組發電過程中產生的高溫煙氣被余熱回收裝置回收利用,制得高溫導熱油用于工藝流程加熱,該部分熱量亦可以用于制冷。

溴化鋰吸收式制冷機組以溴化鋰溶液作為吸收劑,以水作為制冷劑,利用水在高真空狀態下低溫蒸發吸收熱量達到制冷的目的。由于它具有節省能源、不污染環境、效率高、噪聲低、一機多用、自動化程度高等諸多優點而被越來越多的用戶所采用[2]。但在新建海上平臺中沒有使用溴化鋰吸收式制冷機組的先例[1]。本文以南海某新建海上平臺生活樓空調系統首次應用溴化鋰吸收式制冷機組為例,研究分析了溴化鋰吸收式制冷技術在海上平臺的應用可行性和節能經濟性。結果表明,在海上平臺使用溴化鋰吸收式制冷技術,其方案可行并具有節能和經濟效益,可在具備條件的海上平臺推廣。

1 海上平臺標準化生活樓空調系統概述

中海油海上平臺生活樓通常采用標準化設計方案。以南海某新建平臺120人標準化生活樓為例,生活樓總制冷負荷為420 kW,采用間接冷卻式集中空調設計方案。該方案利用船用螺桿式冷水機組消耗電能制出7 ℃冷水,通過冷水泵輸送至位于生活樓各層的空調機組冷卻室外新風與室內回風的混合空氣。常規海上平臺標準化生活樓空調系統流程圖見圖1。

圖1 常規海上平臺標準化生活樓空調系統流程圖

常規海上平臺標準化生活樓空調系統主要設備如表1所示。

表1 常規海上平臺標準化生活樓空調系統主要設備

船用螺桿式冷水機組和冷水循環泵布置于生活樓1層甲板,空調機組布置于生活樓各層甲板兩側樓梯通道處,各設備之間通過冷水管相連。

2 溴化鋰吸收式制冷系統應用研究

2.1 技術概述和發展現狀

溴化鋰吸收式制冷機組的工作原理與氨、氟利昂蒸氣壓縮式制冷機一樣,都是利用液體相變過程形成制冷循環,不同的是蒸氣壓縮式制冷是靠消耗機械功或電能使熱量從低溫物體向高溫物體轉移,而溴化鋰制冷機是靠消耗熱能來完成這種非自發過程[3]。

溴化鋰吸收式制冷機組具有以下優點:

1) 溴化鋰吸收式制冷機組具有節能和耗電量小的優點。溴化鋰吸收式制冷機組能利用低品位熱能(余熱、廢熱、排熱),大量減少能耗;以熱能為動力,溴化鋰吸收式制冷機可以比利用電能為動力的壓縮式制冷機明顯減少電耗[4]。

2) 溴化鋰吸收式制冷機組具有噪聲小、運行振動小的優點。整個機組除功率較小的屏蔽泵外,無其他運動部件,運行安靜,A聲級噪聲僅75～80 dB[4]。

3) 溴化鋰吸收式制冷機組使用的工質為溴化鋰水溶液,具有無毒、無味、不易燃等安全環保的優點。同時溴化鋰吸收式制冷機組在真空狀態下運行,無高壓爆炸危險,安全可靠[4]。

4) 溴化鋰吸收式制冷機組具有制冷量調節范圍廣的優點。其在20%～100%負荷率內可進行冷量的無級調節,并且能隨著負荷的變化調節溶液循環量,有著優良的調節性能[4]。

溴化鋰吸收式制冷機組也存在著以下問題,需要在設計過程中盡量采取預防措施。

1) 溴化鋰溶液對普通碳鋼具有較強的腐蝕性,在大氣環境下腐蝕性更強。機組和管線發生腐蝕會導致氣密性下降,對機組性能、正常運行和設備壽命產生影響。

2) 溴化鋰吸收式制冷機組對于氣密性要求很高,對設備的生產制造有著非常高的要求,即使漏入微量的空氣也會影響機組的性能[4]。

世界上第1臺吸收式制冷機于1858年誕生在法國。我國于20世紀60年代開始研究吸收式制冷機,90年代,溴化鋰吸收式制冷機組進入了全面發展時期,其生產企業不斷增加,產品產量及產值迅速提高,技術水平也取得了長足的進步[2]。

目前國內尚無新建海上平臺溴化鋰吸收式制冷機組應用案例。在南海西江平臺曾對空調系統實施節能改造,將平臺上1臺電驅壓縮式制冷機組替換為溴化鋰吸收式制冷機組,采用高溫生產水作為機組的驅動熱源,但由于生產水水質較差,機組內部經常出現結垢堵塞的情況,目前已經停止使用。

2.2 海上平臺余熱資源分析

根據余熱形式,溴化鋰吸收式制冷機組可以分為煙氣型、蒸汽型和熱水型3種類型,具體使用哪種類型的溴化鋰吸收式制冷機組需結合海上平臺余熱資源情況進行分析。表2對比了3種類型溴化鋰吸收式制冷機組的使用工況和優缺點。

表2 3種類型溴化鋰吸收式制冷機組的使用工況和優缺點

以南海某新建平臺為例,該平臺設有25 MW燃氣輪機發電機組,機組發電過程中會產生高溫煙氣。由于平臺上有工藝用熱需求,因此僅設置了10 MW余熱回收裝置,該裝置利用煙氣余熱制出高溫導熱油用于工藝流程加熱。

如直接利用平臺燃氣輪機發電機組的高溫煙氣,需要增加大尺寸煙道和煙氣擋板閥用于將煙氣引入機組,同時需要增加補燃裝置,用于穩定煙氣溫度,整體投資較高。考慮到溴化鋰吸收式制冷機組的運行安全性,無法直接使用導熱油作為驅動熱源,需用換熱器制備高溫熱水或用余熱鍋爐制備飽和蒸汽。采用余熱鍋爐制備飽和蒸汽,輔助系統投資較高,且對安全性要求較高。使用熱水作為溴化鋰吸收式制冷機組的驅動熱源,雖然效率比使用蒸汽低,但輔助系統投資相對較低,且使用煙氣余熱可以減少燃料的消耗并降低空調系統電負荷,整體是節能的。

2.3 溴化鋰吸收式制冷系統應用方案

南海某新建平臺采用1臺熱水型溴化鋰吸收式制冷機組代替常規海上平臺標準化生活樓空調系統中的船用螺桿式冷水機組作為生活樓主要制冷設備。余熱回收裝置利用主電站尾氣余熱加熱導熱油,高溫導熱油進入換熱器加熱淡水,淡水通過熱水循環泵增壓后進入溴化鋰吸收式制冷機組,完成對溴化鋰溶液加熱后返回換熱器完成閉式循環。為了滿足熱水閉式循環系統壓力穩定和補水需求,設置了熱水定壓膨脹罐和補水管線接口,溴化鋰吸收式制冷機組使用海上平臺閉式循環冷卻系統的淡水進行制冷劑和溴化鋰溶液的冷卻。熱水閉式循環系統流程如圖2所示。

圖2 熱水閉式循環系統流程圖

溴化鋰吸收式制冷機組利用高溫熱水驅動溴化鋰溶液實現蒸發-吸收循環,制備7 ℃的冷水,冷水由冷水泵輸送至生活樓各層空調機組。為了滿足冷水循環系統壓力穩定和補水需求,還設置了冷水定壓膨脹罐和補水管線接口。應用溴化鋰吸收式制冷機組的生活樓空調系統流程如圖3所示。

圖3 應用溴化鋰吸收式制冷機組的生活樓空調系統流程圖

應用溴化鋰吸收式制冷機組后的生活樓空調系統主要設備數量和規格參數如表3所示。

表3 應用溴化鋰吸收式制冷機組的生活樓空調系統主要設備

代替原來1臺船用螺桿式冷水機組的溴化鋰吸收式制冷機組布置于生活樓1層甲板,冷水泵和空調機組布置位置與常規海上平臺標準化生活樓空調系統布置保持一致。熱水閉式循環系統設備布置于余熱回收裝置旁的甲板上。

2.4 海上平臺應用適應性分析和優化設計

溴化鋰吸收式機組通常用于陸地。海上平臺所處海洋環境條件比陸地惡劣,具有空氣相對濕度大、含鹽量高的特點。海上平臺設備通常露天布置,缺少船用產品選型、選材經驗及產品應用實例[1],因此需要進行海上平臺應用的適應性分析,并針對相應問題提出優化設計和解決方案。

1) 海洋環境腐蝕性。

針對海洋環境空氣相對濕度大、含鹽量高的特點,本項目將溴化鋰吸收式制冷機組放置于集裝箱外殼中,集裝箱外殼采用不銹鋼材質,防護等級達到IP56。集裝箱由溴化鋰吸收式制冷機組供應商隨機組一同供貨,集裝箱罩內根據要求設置相應的通風、照明、消防、排水等設施,并預留檢修門。針對海水腐蝕性強的特點,本項目利用海水-淡水換熱器提供冷卻水對機組進行冷卻。

2) 海上平臺振動。

雖然海上固定平臺與船舶相比,其搖擺要小得多,但是相對平穩的陸地來說,海上平臺的搖擺等振動帶來的鋼結構振動不容忽視[1]。本項目為了避免海上平臺鋼結構甲板振動造成接口破損,減輕結構振動對機組的影響,在機組所在位置局部進行了鋼結構甲板加強設計。在溴化鋰吸收式制冷機組本體底座采取增加橡膠隔振墊等隔振措施,在與機組連接的管線處采取增加軟連接或管道減振托架等措施。另外,在溴化鋰吸收式制冷機組上設置了自動集氣抽真空裝置,該裝置可以實時監測機組真空度,根據需要定期開啟真空泵向外抽氣以保障機組真空度,減少機組制冷量的衰減。

3) 海上平臺水質。

海上平臺淡水是本項目溴化鋰吸收式制冷機組的驅動熱源工質,水質滿足機組運行要求是保障機組運行效果和延長機組使用壽命的充分必要條件。GB/T 18431—2014《蒸汽和熱水型溴化鋰吸收式冷水機組》中明確規定了補充水水質要求。本項目海上平臺使用的淡水來源于海水淡化裝置,該裝置的出水水質滿足HY/T 247—2018《海水淡化產品水水質要求》二級反滲透法產品水水質要求。經對比分析,本平臺海水淡化裝置出水水質可以基本滿足溴化鋰吸收式制冷機組運行的熱源水質要求。本項目淡水和GB/T 18431—2014《蒸汽和熱水型溴化鋰吸收式冷水機組》補充水水質要求關鍵項對比如表4所示。

表4 水質要求對比

4) 設備第三方認證。

為了滿足新建平臺的完整性要求,所有海上平臺的設備需獲得國家安全生產監督管理總局中國海洋石油作業安全辦公室批準的第三方認證機構頒發的證書。供應商應負責安排機構認證,并承擔取證費用。以中國船級社取證為例,對本項目溴化鋰吸收式制冷機組整體進行取證,由于設備主要部件為壓力容器,常規溴化鋰吸收式制冷機組供應商的熱水型機組均滿足TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》的相關要求,因此本項目溴化鋰吸收式制冷機組擬按其他第一類、第二類及常壓壓力容器取得CCS《海上固定設施產品檢驗證書》,檢驗類別為B類,證件類別為C/E。取證工作主要包括設計審圖和現場檢驗,整體費用約為設備合同額的3%,取證審圖周期大約為20個工作日。

3 方案和經濟性對比

采用溴化鋰吸收式制冷機組和采用船用冷水機組2種方案的主要設備數量、規格和電功率差異如表5所示。

表5 空調系統設備數量、規格和電功率差異

從表5可以看出,采用溴化鋰吸收式制冷機組代替1臺船用冷水機組,增加了換熱器、熱水定壓膨脹罐和熱水循環泵3種設備,減少了1臺船用冷水機組。方案1的電功率較方案2減少了94 kW。

從投資上來看,2種方案機組設備投資基本相同,輔助系統相關設備投資方案1增加約55萬元,機組維保和備品備件費用方案1每年增加1.5萬元。設備初投資、維保和備品備件費用對比如表6所示。

表6 設備初投資、維保和備品 備件費用對比 萬元

以空調系統每年運行150 d計算,使用溴化鋰吸收式制冷機組代替電驅壓縮式制冷機組作為生活樓制冷冷源,年均節電約33.8×104kW·h,節省的電量折合燃氣約13.8×104m3,考慮設備維保費用后年均節省費用約27萬元。在項目經濟年限內可實現累計節省天然氣約186.5×104m3,累計可節省費用約371萬元,可實現經濟年限內凈現值(NPV)約210萬元。

4 結論

分析表明,在具有應用條件的海上平臺上用溴化鋰吸收式制冷機組代替常規使用的電驅壓縮式制冷空調機組是可行的,且具有較好的經濟效益和節能示范作用,建議進行推廣,但在應用該技術之前還需進行適用性和經濟性分析。

南海某新建平臺生活樓應用溴化鋰吸收式制冷技術后可以有效利用平臺余熱,降低電能和燃氣消耗,降低碳排放,機組在維保檢修期間可以使用船用冷水機組(電驅)作為備用,有效保障了生活樓正常供冷。該方案還有效利用了平臺熱介質循環系統和閉式循環冷卻水系統,僅新增了1套熱水閉式循環系統,設備尺寸、質量對平臺設計方案影響不大,技術方案可行。

從設備投資和經濟性上看,2種方案設備初投資基本相同,溴化鋰吸收式制冷方案考慮熱水循環系統后相較常規設計方案投資增加約55萬元。采用溴化鋰吸收式制冷方案后年均可節省費用約27萬元,大約2年可以回收新增投資。在項目經濟年限內可實現凈現值(NPV)約210萬元。