（中海石油（中國）有限公司秦皇島32-6作業(yè)公司， 天津 300459）

海洋石油平臺大多依靠自備電站為生產(chǎn)及生活設(shè)備提供電能。隨著油田增產(chǎn)項目的增加，生產(chǎn)設(shè)備不斷更新，電力負荷日益增高，而平臺電力系統(tǒng)裝機容量有限，很多采油平臺電站已接近滿載[1-2]。裝機容量有限的電網(wǎng)與不斷投入的大功率設(shè)備間的矛盾日益凸顯，電網(wǎng)的電力瓶頸難以突破，對于大功率設(shè)備的精細管理提出更高要求。為了解決電力缺口，同時為響應(yīng)國家低碳環(huán)保、節(jié)能降耗的方針，海洋采油平臺近年來不斷探索與創(chuàng)新，將余熱回收和電能的高效利用等多項前沿技術(shù)逐步應(yīng)用于海上采油平臺，取得了很好的效果[3-4]。

本文介紹了海上采油平臺近年來對熱能和電能的高效利用成果，通過對平臺多個系統(tǒng)優(yōu)化改造，實現(xiàn)各類節(jié)能技術(shù)在平臺融合利用，達到節(jié)能降耗的目的。

1 余熱回收系統(tǒng)的應(yīng)用

1.1 發(fā)電機組冷卻高溫水余熱回收

海上采油平臺的電站一般由多臺大型柴油機組組成，電站作為整個平臺動力的“心臟”，為整個平臺的生產(chǎn)、生活提供電能，其容量從幾十兆瓦到上百兆瓦不等，該類電站一般配備備用機組，來實現(xiàn)與其他機組輪流切換，目的是開展定期的停機保養(yǎng)和機組大修。運行機組的缸套冷卻水出口溫度一般在70-85℃，需通過海水冷卻或風(fēng)冷卻方式進行降溫，目的是防止產(chǎn)生熱應(yīng)力使缸套損壞，之后再進行重復(fù)循環(huán)。而停機機組，缸套水一般要維持在45℃，如果水溫較低會導(dǎo)致機組難于啟動。因此，實現(xiàn)將運行機組高溫水與備用機組低溫水進行熱互換，是一項重要節(jié)能措施。

(1)方案特點

該方案有以下優(yōu)點：一方面能有效降低對高溫水進行冷卻的海水系統(tǒng)負擔(dān)；另一方面?zhèn)溆脵C組低溫水被有效加熱，滿足了機組暖缸要求，備用機組隨時處于熱備用狀態(tài)；最后是節(jié)能效果明顯，備用機組的大功率缸套水電加熱器不需投入，從而節(jié)省了電能。

(2)方案實施

該項目實施的主要措施包括以下方面：①在機組高溫水出口管線增加三通閥門，將部分高溫水引出；②安裝板式換熱器，實現(xiàn)高溫水與低溫水熱量交換；③換熱完畢的高溫水重新匯入高溫水冷卻管線。

(3)關(guān)鍵設(shè)備選型

該項改造的核心設(shè)備是板式換熱器，此類換熱器是目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的換熱設(shè)備。如圖1所示。

圖1 板式換熱器結(jié)構(gòu)

換熱器的特點：①采用復(fù)雜流道設(shè)計，低雷諾數(shù)誘發(fā)湍流，換熱系數(shù)高；②高比表面設(shè)計，體積和占地面積小；③介質(zhì)適應(yīng)性好；④接近全逆流換熱，對數(shù)平均溫差大；⑤末端溫差?。虎薨惭b、維護、維修方便。

換熱器的選型與設(shè)計：

①熱流體的入口溫度T1、出口溫度T2，根據(jù)Q=qmlCpl(T1-T2)求出換熱量Q：

②冷流體的入口溫度t1、出口溫度t2，根據(jù)

③根據(jù)傳熱系數(shù)估算傳熱面積：Q=K估A估ΦΔtm，K估和Φ都是跟冷卻器形式有關(guān)的系數(shù)；

④選定換熱器型號；

⑤冷卻器安裝的原則：

由于流量和壓力與管道的長度成反比，因此在空間允許的條件下，盡量縮短與主機的距離，并減少彎頭的數(shù)量，確保主機冷卻液有足夠的水功率[1]。

(4)方案實施效果

通過該項目的實施，對主機高溫缸套水的余熱進行了有效回收，通過一段時間運行，80-85℃的高溫水完全滿足備用機組45℃低溫水的加熱要求。另外，由于利用了板式換熱器，兩個機組冷卻水只是溫度傳遞，不會造成水質(zhì)交叉污染，安全且可靠。改造簡單，占地面積小，溫度便于控制。節(jié)省了傳統(tǒng)電加熱器的大功率電能損耗，以及頻繁對加熱器維修和備件采辦所需的人力和財力投入。

1.2 生產(chǎn)工藝系統(tǒng)熱水余熱回收

海洋石油平臺是一座原油處理工廠，過程中會分離出大量高溫生產(chǎn)水，這類生產(chǎn)水一般作為地層能量補充和提高原油采收率被回注入地層，但其所蘊含的大量熱能未能進行回收；平臺的水源井所采集的地?zé)崴?，大部分用來補充地層能量，但其熱能大部分沒有得到有效利用而直接注入地層。生產(chǎn)水及地?zé)崴话銣囟仍?0℃到110℃，對這類熱能的綜合回收利用，用來代替各類電加熱器，實現(xiàn)平臺生產(chǎn)及生活對熱能的需求，是近年來海洋石油平臺節(jié)能降耗的重點工作之一。

1.2.1 生活區(qū)地采暖設(shè)備改造

海洋平臺人員生活辦公區(qū)域，冬季大多采用單體空調(diào)、中央空調(diào)或各類電暖氣采暖，然而由于人員居住較為集中，生活樓設(shè)計空間較為緊湊，該類設(shè)備冬季運行火災(zāi)隱患較多，這與海上油氣生產(chǎn)平臺將防火作為第一位的政策相悖。地?zé)崴蛏a(chǎn)水作為熱能來源，結(jié)合地暖管線，能很好地解決生活區(qū)辦公區(qū)域的冬季取暖需求，通過該技術(shù)的應(yīng)用，取暖效果好且低碳環(huán)保。

(1)系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)如圖2所示，主要包括地暖管線、支路控制器、帶變頻驅(qū)動的熱水循環(huán)泵、板式換熱器及生產(chǎn)水管線組成。

圖2 地采暖換熱示意圖

100℃左右的生產(chǎn)水通過板式換熱器和地暖水進行熱量交換，通過熱水循環(huán)泵將吸熱完畢的地暖水循環(huán)到各房間，同時將冷水再次循環(huán)到板式換熱器吸熱，可通過調(diào)節(jié)變頻驅(qū)動的熱水循環(huán)泵轉(zhuǎn)速和換熱器出口安裝可調(diào)節(jié)流量的蝶閥來實現(xiàn)流量控制，從而實現(xiàn)室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)。

(2)改造效果

該系統(tǒng)的特點是對余熱回收效率高，同時將生產(chǎn)水和地暖水通過板式換熱器進行有效隔離，只進行熱量交換，而不是將地暖水直接引入地暖系統(tǒng)，從而避免了生產(chǎn)水可能殘余的腐蝕性物質(zhì)對管線或人員造成危害的可能性，系統(tǒng)運行真正實現(xiàn)了安全可靠。

1.2.2 儲罐加熱器系統(tǒng)改造

海上采油平臺生產(chǎn)工藝系統(tǒng)中一般包括體積各異的大小儲罐，由于流程對液體溫度的特殊要求及冬季氣溫較低時的防凍要求，一般每個罐體都配備了電加熱器，功率從幾千瓦到幾百千瓦不等，是冬季平臺電力的主要負荷之一。利用生產(chǎn)水余熱，結(jié)合罐體內(nèi)加熱盤管，是有效電加熱替代方案。

(1)關(guān)鍵設(shè)備特點及選型

內(nèi)加熱盤管的特點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低、操作管理方便、管內(nèi)可承受高壓、安裝靈活。可以適應(yīng)容器的形狀，彎曲成圓柱形或平板等形狀，也可并聯(lián)若干組以增加傳熱面積，甚至可在同一設(shè)備中采用兩組獨立的盤管，通入不同的熱載體以充分利用熱量，加熱盤管如圖3所示。但由于儲罐的體積相對較大，儲罐內(nèi)流體的流速很低，所以管外給熱系數(shù)相對較小，這將影響總傳熱系數(shù)的提高。此外，盤管本身通過的能力有限，而且管內(nèi)難以清洗，故只適于傳熱負荷不很大的場合及較清潔的流體。為提高盤管外側(cè)的給熱系數(shù)，通?？梢园惭b攪拌裝置，以強化傳熱過程，提高總傳熱效率[5]。

圖3 內(nèi)加熱盤管結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)加熱盤管的設(shè)計選型原則

①當(dāng)采用液體作為加熱或保溫介質(zhì)時，為使盤管中充滿液體，應(yīng)從盤管下端送入液體；

②內(nèi)加熱盤管不宜過長，否則會增加流體阻力，消耗過多能量。當(dāng)所需的傳熱面積較大時，宜采用若干組盤管并聯(lián)來解決。

③內(nèi)加熱盤管直徑不宜過大，過大增加加工制造的困難，一般常用管徑在DN25～DN65。為防止盤管的壓降過大，限制管內(nèi)流速在0.3～0.8m/s。

④盤管內(nèi)外圈之間的間距一般為2～3d0（其中d0為盤管外徑），上下圈的垂直距離 應(yīng)保持在1.5～2.0d0，而最外圈與儲罐壁間的最小距離為100～200mm。

⑤在設(shè)計計算時，首先應(yīng)根據(jù)管內(nèi)流體的物性，選擇適宜的流速，決定盤管直徑及并聯(lián)組數(shù)m，然后進行傳熱計算，求得傳熱面積，計算管長和圈數(shù)n，以及盤管的幾何尺寸。

已知體積流量V0，則根據(jù)選定流速v，計算盤管并聯(lián)組數(shù)m：

盤管總長Lt：Lt=a/πd0；每組長L：L=Lt/m；每圈盤管長l：l=√(nDc)2+h=πDc；每組的總?cè)?shù)n：n=L/l；盤管高度Lc：Lc=nh；符號補充說明：di盤管內(nèi)徑，m；Dc盤管的平均圈徑，m；ɑ表面給熱系數(shù)，W/(m2?℃)，一般取11.6W/(m2?℃)

(2)改造效果

該項目的實施，有效地解決了大部分對傳熱負荷不很大的儲罐的保溫防凍及加熱要求。同時，結(jié)合攪拌器及多組內(nèi)加熱管的并聯(lián)應(yīng)用，加熱效果可以得到大幅提高。通過改造，節(jié)省了電加熱器安裝和維護費用，節(jié)約電能效果明顯，發(fā)電機所帶負載較之前下降約800～100kW。

2 智能開關(guān)在照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

海洋石油生產(chǎn)設(shè)施配備照明設(shè)備種類多、數(shù)量龐大，存在物資成本浪費、能源資源浪費、人力成本及維護增加、環(huán)境污染等缺點。針對這一海洋石油平臺普遍存在的問題，旨在通過對海上現(xiàn)有照明系統(tǒng)進行電氣改造，建立可視化、智能化的管理界面，從而實現(xiàn)對所有照明設(shè)備的智能化管理，既對設(shè)備的狀態(tài)進行實時監(jiān)控，也可做到智能啟停，從而實現(xiàn)節(jié)能降耗的整體目標(biāo)。

海上采油平臺常用照明燈具包括，普通熒光燈具、防爆熒光燈具、防爆鹵素?zé)艟摺Ｒ话愕纳顓^(qū)室內(nèi)及生產(chǎn)區(qū)的室內(nèi)非危險區(qū)域都采用普通熒光燈，生產(chǎn)區(qū)其他區(qū)域大多選用防爆熒光燈和防爆投光燈。這類燈具數(shù)量眾多，一個中型采油平臺至少需要配備400到600盞燈具才能滿足平臺生產(chǎn)需要。熒光燈具一般布置于平臺各人員通道周圍，每盞功率60-100W；鹵素投光燈具主要布置在各類工藝管線及設(shè)備區(qū)域，每盞功率250-400W。設(shè)備數(shù)量多、功耗大、維修成本高，是目前海洋石油平臺照明系統(tǒng)的共同特點。

2.1 LED照明優(yōu)點

近年來，隨著節(jié)能照明設(shè)備技術(shù)不斷成熟，LED照明設(shè)備在工業(yè)系統(tǒng)開始大面積推廣，LED體積小，光色純，開關(guān)時間短，可大幅降低電能消耗以及維護成本。LED照明設(shè)備優(yōu)異的節(jié)能效果、啟停特性以及智能空氣開關(guān)的問世，為海洋石油平臺照明系統(tǒng)節(jié)能改造提供了條件。

2.2 智能開關(guān)介紹

智能開關(guān)主要有如下功能：

(1)遠程控制（借助通訊網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程控制，并可以遠程反饋開關(guān)信息），可將該所有開關(guān)接入平臺電能管理系統(tǒng)EMS，實現(xiàn)開關(guān)遠程監(jiān)控和控制；

(2)定時設(shè)置（日出日落模式、可精準(zhǔn)定制）開關(guān)分合并?？蓪⑵脚_幾百盞室外防爆燈具實現(xiàn)“白天工作、晚上休眠”，并且將平臺不同甲板、不同位置的照明分類設(shè)置工作時間，從而實現(xiàn)高效節(jié)能的目的。

(3)能耗管理（按設(shè)備、房間、樓層精準(zhǔn)統(tǒng)計），通過網(wǎng)絡(luò)接觸電能管理系統(tǒng)EMS或APP實時生成統(tǒng)計報表，幫助電力調(diào)度人員跟蹤分析電能使用情況。該方案相較于光感應(yīng)控制，靈活性更強，避免了光感應(yīng)控制在平臺中下層甲板造成昏暗和光線不夠的弊端。

2.3 安裝方式

以常見P9智能開關(guān)為例，安裝尺寸、方式和通用的照明空氣開關(guān)類似，替換的靈活性高，可直接利用原先空間安裝，重新完成接線即可，如圖4所示。

圖4 智能開關(guān)電氣安裝互聯(lián)圖

照明智能化控制系統(tǒng)的最大特點是場景控制，在同一室內(nèi)可有多路照明回路，對每一回路亮度調(diào)整后達到某種燈光氣氛稱為場景；可預(yù)先設(shè)置不同的場景，切換場景時的淡入淡出時間，使燈光柔和變化。

可通過計算機網(wǎng)絡(luò)對整個系統(tǒng)進行監(jiān)控，例如了解當(dāng)前各個照明回路的工作狀態(tài)；設(shè)置、修改場景；當(dāng)有緊急情況時控制整個系統(tǒng)及發(fā)出故障報警（例如回路電能消耗預(yù)警功能）。

2.4 改造效果

該方案相較于每個回路增加光感探頭控制的成本高，線路改造復(fù)雜，探頭數(shù)量偏少，容易造成部分區(qū)域白天照明亮度不足的情況。

LED照明設(shè)備和智能空氣開關(guān)的組合使用，充分發(fā)揮了兩種設(shè)備的優(yōu)點，實現(xiàn)對照明系統(tǒng)的各種智能化管理及自動控制，有效地避免了電能的浪費?？稍诤笃陧椖拷ㄔ旌褪┕ぶ刑崆翱紤]。對節(jié)省工作量和智能化管理提供一個可預(yù)期的參考。

3 結(jié)語

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對能源的需求也與日俱增；同時，伴隨著新科技的日新月異，對于石油這種不可再生資源的高效利用，也將成為各行業(yè)不斷探索的重要課題。工業(yè)余熱回收及照明系統(tǒng)智能化改造項目的實施，在節(jié)能降耗方面取得了成效。隨著各類新工藝、新材料在現(xiàn)代工業(yè)中的不斷應(yīng)用，例如海水淡化、光伏發(fā)電、伴生氣利用、區(qū)域組網(wǎng)發(fā)電、電網(wǎng)無功補償?shù)裙?jié)能技術(shù)逐步在海上油田推廣，并取得了很好的經(jīng)濟效益。相信更加高效、節(jié)能、高產(chǎn)的海洋石油裝備將不斷涌現(xiàn)，為國家能源安全做出新貢獻。