前不久，全球首套5兆瓦級海上高溫煙氣余熱發(fā)電裝置在天津完工交付，標志著我國海上油氣電站在煙氣余熱利用方面取得重大突破。該裝置由中國船舶集團有限公司第七一一研究所（以下簡稱“七一一所”）聯(lián)合中國海洋石油集團有限公司（以下簡稱“中國海油”）自主設(shè)計研制。
選擇合適“熱能搬運工”
主電站是海上平臺的“心臟”，它一般通過燃燒油氣為海上裝置提供電能。但燃燒油氣會排放大量500℃的高溫煙氣，這些煙氣是海上油氣開發(fā)平臺主要的碳排放源之一。
為減少主電站的高溫煙氣排放，七一一所研發(fā)團隊自主設(shè)計研制了這套海上高溫煙氣余熱發(fā)電裝置。“裝置采用有機朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電技術(shù)回收高溫煙氣余熱進行發(fā)電。先利用導熱油回收高溫煙氣熱量，然后高溫導熱油進入ORC發(fā)電裝置，把液態(tài)環(huán)戊烷有機工質(zhì)加熱成氣態(tài)。接著，環(huán)戊烷氣體膨脹驅(qū)動透平膨脹機轉(zhuǎn)動，進而帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。”七一一所副所長徐明照接受科技日報記者采訪時介紹。
有機工質(zhì)是一種在特定條件下能用來傳遞和轉(zhuǎn)換熱能的有機物質(zhì)。在ORC發(fā)電技術(shù)中，有機工質(zhì)扮演非常重要的角色。它像一個“熱能搬運工”，在不斷循環(huán)中，把低品位的熱能轉(zhuǎn)換成高品位的電能或機械能。為何選擇環(huán)戊烷作為有機工質(zhì)？徐明照解釋說，常用有機工質(zhì)的ORC發(fā)電裝置只能回收250℃以內(nèi)的低溫余熱，環(huán)戊烷有良好熱穩(wěn)定性、高效熱轉(zhuǎn)換能力，要回收500℃的高溫煙氣，環(huán)戊烷是更合適的有機工質(zhì)。
“為確定環(huán)戊烷的可行性，研發(fā)團隊查閱大量文獻并反復進行試驗驗證。在確保裝置安全性方面，研發(fā)團隊優(yōu)化設(shè)計，將管路的焊口數(shù)量降至最低。為消除潛在風險，研發(fā)團隊還克服各種困難完成了陸上動力循環(huán)試驗。”徐明照說。
攻克多項技術(shù)難題
此前，七一一所利用ORC發(fā)電技術(shù)已生產(chǎn)制造40多套陸地用低溫余熱發(fā)電裝置。“這是我們首次研制用于海上的高溫煙氣余熱發(fā)電裝置。”徐明照說。
一般來說，海上平臺應(yīng)用裝置要求集成化程度高、可靠性強、重量輕、占地空間小。“我們研制的裝置一般大約重300噸，為了更好適應(yīng)海上環(huán)境，我們對整個產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計和材料選型進行嚴格把關(guān)，使裝置盡量集成化、橇裝化。”徐明照說。
5兆瓦級海上高溫煙氣余熱發(fā)電裝置的另一個特點是功率密度高，這意味著對裝置主機的技術(shù)要求高。“主機是整個ORC發(fā)電裝置的核心設(shè)備。”徐明照說，為滿足功率密度高的要求，團隊要解決密封、軸承潤滑、動力系統(tǒng)的仿真模擬等多項技術(shù)難題。
據(jù)介紹，在5兆瓦級海上高溫煙氣余熱發(fā)電裝置研制過程中，七一一所研發(fā)團隊先后攻克工藝和設(shè)備設(shè)計、緊湊型橇裝化設(shè)計、動力循環(huán)試驗驗證等技術(shù)難題，并聯(lián)合中國海油推動形成設(shè)備研制、橇裝制造、測試試驗全鏈條自主技術(shù)服務(wù)能力，最終打造了自主可控的裝備體系。
滿足海上平臺需求
與傳統(tǒng)的煙氣燃燒排放相比，加裝高溫煙氣余熱發(fā)電裝置后，電站的余熱綜合利用效率從30%—35%提升至60%—70%。
中海油研究總院有限責任公司北京工程研究設(shè)計分公司機電儀總師安維崢介紹，5兆瓦級海上高溫煙氣余熱發(fā)電裝置投用后，余熱年發(fā)電量可達0.4億千瓦時，能滿足3萬戶家庭的年用電需求。據(jù)測算，該裝置使用20年預(yù)計可節(jié)省天然氣消耗約3億立方米，減少二氧化碳排放約80萬噸。
徐明照說，該裝置廣泛適用于中國海油現(xiàn)役平臺電站，助力海上油氣田在開發(fā)過程中實現(xiàn)節(jié)能減排、降本增效，對海上油氣田綠色低碳開發(fā)有重要意義。“這款裝置是目前全球最大的海上高溫煙氣余熱發(fā)電裝置，為進一步滿足海上平臺需求，我們正著手研制10兆瓦級裝置。”徐明照說。
考慮到船舶也會排放高溫煙氣，七一一所團隊還計劃研制用于燃氣動力船的高溫煙氣余熱回收裝置，繼續(xù)為實現(xiàn)“雙碳”目標作貢獻。
前不久，全球首套5兆瓦級海上高溫煙氣余熱發(fā)電裝置在天津完工交付，標志著我國海上油氣電站在煙氣余熱利用方面取得重大突破。該裝置由中國船舶集團有限公司第七一一研究所（以下簡稱“七一一所”）聯(lián)合中國海洋石油集團有限公司（以下簡稱“中國海油”）自主設(shè)計研制。
選擇合適“熱能搬運工”
主電站是海上平臺的“心臟”，它一般通過燃燒油氣為海上裝置提供電能。但燃燒油氣會排放大量500℃的高溫煙氣，這些煙氣是海上油氣開發(fā)平臺主要的碳排放源之一。
為減少主電站的高溫煙氣排放，七一一所研發(fā)團隊自主設(shè)計研制了這套海上高溫煙氣余熱發(fā)電裝置。“裝置采用有機朗肯循環(huán)（ORC）發(fā)電技術(shù)回收高溫煙氣余熱進行發(fā)電。先利用導熱油回收高溫煙氣熱量，然后高溫導熱油進入ORC發(fā)電裝置，把液態(tài)環(huán)戊烷有機工質(zhì)加熱成氣態(tài)。接著，環(huán)戊烷氣體膨脹驅(qū)動透平膨脹機轉(zhuǎn)動，進而帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)發(fā)電。”七一一所副所長徐明照接受科技日報記者采訪時介紹。
有機工質(zhì)是一種在特定條件下能用來傳遞和轉(zhuǎn)換熱能的有機物質(zhì)。在ORC發(fā)電技術(shù)中，有機工質(zhì)扮演非常重要的角色。它像一個“熱能搬運工”，在不斷循環(huán)中，把低品位的熱能轉(zhuǎn)換成高品位的電能或機械能。為何選擇環(huán)戊烷作為有機工質(zhì)？徐明照解釋說，常用有機工質(zhì)的ORC發(fā)電裝置只能回收250℃以內(nèi)的低溫余熱，環(huán)戊烷有良好熱穩(wěn)定性、高效熱轉(zhuǎn)換能力，要回收500℃的高溫煙氣，環(huán)戊烷是更合適的有機工質(zhì)。
“為確定環(huán)戊烷的可行性，研發(fā)團隊查閱大量文獻并反復進行試驗驗證。在確保裝置安全性方面，研發(fā)團隊優(yōu)化設(shè)計，將管路的焊口數(shù)量降至最低。為消除潛在風險，研發(fā)團隊還克服各種困難完成了陸上動力循環(huán)試驗。”徐明照說。
攻克多項技術(shù)難題
此前，七一一所利用ORC發(fā)電技術(shù)已生產(chǎn)制造40多套陸地用低溫余熱發(fā)電裝置。“這是我們首次研制用于海上的高溫煙氣余熱發(fā)電裝置。”徐明照說。
一般來說，海上平臺應(yīng)用裝置要求集成化程度高、可靠性強、重量輕、占地空間小。“我們研制的裝置一般大約重300噸，為了更好適應(yīng)海上環(huán)境，我們對整個產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計和材料選型進行嚴格把關(guān)，使裝置盡量集成化、橇裝化。”徐明照說。
5兆瓦級海上高溫煙氣余熱發(fā)電裝置的另一個特點是功率密度高，這意味著對裝置主機的技術(shù)要求高。“主機是整個ORC發(fā)電裝置的核心設(shè)備。”徐明照說，為滿足功率密度高的要求，團隊要解決密封、軸承潤滑、動力系統(tǒng)的仿真模擬等多項技術(shù)難題。
據(jù)介紹，在5兆瓦級海上高溫煙氣余熱發(fā)電裝置研制過程中，七一一所研發(fā)團隊先后攻克工藝和設(shè)備設(shè)計、緊湊型橇裝化設(shè)計、動力循環(huán)試驗驗證等技術(shù)難題，并聯(lián)合中國海油推動形成設(shè)備研制、橇裝制造、測試試驗全鏈條自主技術(shù)服務(wù)能力，最終打造了自主可控的裝備體系。
滿足海上平臺需求
與傳統(tǒng)的煙氣燃燒排放相比，加裝高溫煙氣余熱發(fā)電裝置后，電站的余熱綜合利用效率從30%—35%提升至60%—70%。
中海油研究總院有限責任公司北京工程研究設(shè)計分公司機電儀總師安維崢介紹，5兆瓦級海上高溫煙氣余熱發(fā)電裝置投用后，余熱年發(fā)電量可達0.4億千瓦時，能滿足3萬戶家庭的年用電需求。據(jù)測算，該裝置使用20年預(yù)計可節(jié)省天然氣消耗約3億立方米，減少二氧化碳排放約80萬噸。
徐明照說，該裝置廣泛適用于中國海油現(xiàn)役平臺電站，助力海上油氣田在開發(fā)過程中實現(xiàn)節(jié)能減排、降本增效，對海上油氣田綠色低碳開發(fā)有重要意義。“這款裝置是目前全球最大的海上高溫煙氣余熱發(fā)電裝置，為進一步滿足海上平臺需求，我們正著手研制10兆瓦級裝置。”徐明照說。
考慮到船舶也會排放高溫煙氣，七一一所團隊還計劃研制用于燃氣動力船的高溫煙氣余熱回收裝置，繼續(xù)為實現(xiàn)“雙碳”目標作貢獻。
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