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(huán)境,為了滿足平臺生活樓人員的舒適度要求,通常采用電驅(qū)壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)制冷。船用電驅(qū)壓縮式制冷空調(diào)系統(tǒng)在制冷時會消耗大量的電能,其產(chǎn)生的振動和噪聲也會對人員產(chǎn)生影響。

海上平臺一般設(shè)有主電站系統(tǒng),為平臺或區(qū)域供電[1]。以南海某油田新建平臺為例,平臺設(shè)置了燃氣輪機發(fā)電機組,機組發(fā)電過程中產(chǎn)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(tài)下低溫蒸發(fā)吸收熱量達到制冷的目的。由于它具有節(jié)省能源、不污染環(huán)境、效率高、噪聲低、一機多用、自動化程度高等諸多優(yōu)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(diào)系統(tǒng)首次應(yīng)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(shù)在海上平臺的應(yīng)用可行性和節(jié)能經(jīng)濟性。結(jié)果表明,在海上平臺使用溴化鋰吸收式制冷技術(shù),其方案可行并具有節(jié)能和經(jīng)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(diào)系統(tǒng)概述

中海油海上平臺生活樓通常采用標準化設(shè)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(diào)設(shè)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(diào)機組冷卻室外新風與室內(nèi)回風的混合空氣。常規(guī)海上平臺標準化生活樓空調(diào)系統(tǒng)流程圖見圖1。

圖1 常規(guī)海上平臺標準化生活樓空調(diào)系統(tǒng)流程圖

常規(guī)海上平臺標準化生活樓空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備如表1所示。

表1 常規(guī)海上平臺標準化生活樓空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備

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

2 溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)用研究

2.1 技術(shù)概述和發(fā)展現(xiàn)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(huán),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(zhuǎn)移,而溴化鋰制冷機是靠消耗熱能來完成這種非自發(fā)過程[3]。

溴化鋰吸收式制冷機組具有以下優(yōu)點:

1) 溴化鋰吸收式制冷機組具有節(jié)能和耗電量小的優(yōu)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(yōu)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(zhì)為溴化鋰水溶液,具有無毒、無味、不易燃等安全環(huán)保的優(yōu)點。同時溴化鋰吸收式制冷機組在真空狀態(tài)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(diào)節(jié)范圍廣的優(yōu)點。其在20%～100%負荷率內(nèi)可進行冷量的無級調(diào)節(jié),并且能隨著負荷的變化調(diào)節(jié)溶液循環(huán)量,有著優(yōu)良的調(diào)節(jié)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(shè)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(huán)境下腐蝕性更強。機組和管線發(fā)生腐蝕會導致氣密性下降,對機組性能、正常運行和設(shè)備壽命產(chǎn)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(shè)備的生產(chǎn)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(fā)展時期,其生產(chǎn)企業(yè)不斷增加,產(chǎn)品產(chǎn)量及產(chǎn)值迅速提高,技術(shù)水平也取得了長足的進步[2]。

目前國內(nèi)尚無新建海上平臺溴化鋰吸收式制冷機組應(yīng)用案例。在南海西江平臺曾對空調(diào)系統(tǒng)實施節(jié)能改造,將平臺上1臺電驅(qū)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(chǎn)水作為機組的驅(qū)動熱源,但由于生產(chǎn)水水質(zhì)較差,機組內(nèi)部經(jīng)常出現(xiàn)結(jié)垢堵塞的情況,目前已經(jīng)停止使用。

2.2 海上平臺余熱資源分析

根據(jù)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(jié)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(yōu)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(yōu)缺點

以南海某新建平臺為例,該平臺設(shè)有25 MW燃氣輪機發(fā)電機組,機組發(fā)電過程中會產(chǎn)生高溫煙氣。由于平臺上有工藝用熱需求,因此僅設(shè)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(fā)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(wěn)定煙氣溫度,整體投資較高?？紤]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(qū)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(tǒng)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(qū)動熱源,雖然效率比使用蒸汽低,但輔助系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)電負荷,整體是節(jié)能的。

2.3 溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)應(yīng)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(guī)海上平臺標準化生活樓空調(diào)系統(tǒng)中的船用螺桿式冷水機組作為生活樓主要制冷設(shè)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(huán)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(huán)。為了滿足熱水閉式循環(huán)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定和補水需求,設(shè)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(huán)冷卻系統(tǒng)的淡水進行制冷劑和溴化鋰溶液的冷卻。熱水閉式循環(huán)系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 熱水閉式循環(huán)系統(tǒng)流程圖

溴化鋰吸收式制冷機組利用高溫熱水驅(qū)動溴化鋰溶液實現(xiàn)蒸發(fā)-吸收循環(huán),制備7 ℃的冷水,冷水由冷水泵輸送至生活樓各層空調(diào)機組。為了滿足冷水循環(huán)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定和補水需求,還設(shè)置了冷水定壓膨脹罐和補水管線接口。應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷機組的生活樓空調(diào)系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷機組的生活樓空調(diào)系統(tǒng)流程圖

應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷機組后的生活樓空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)備數(shù)量和規(guī)格參數(shù)如表3所示。

表3 應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷機組的生活樓空調(diào)系統(tǒng)主要設(shè)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(diào)機組布置位置與常規(guī)海上平臺標準化生活樓空調(diào)系統(tǒng)布置保持一致。熱水閉式循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備布置于余熱回收裝置旁的甲板上。

2.4 海上平臺應(yīng)用適應(yīng)性分析和優(yōu)化設(shè)計

溴化鋰吸收式機組通常用于陸地。海上平臺所處海洋環(huán)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(shè)備通常露天布置,缺少船用產(chǎn)品選型、選材經(jīng)驗及產(chǎn)品應(yīng)用實例[1],因此需要進行海上平臺應(yīng)用的適應(yīng)性分析,并針對相應(yīng)問題提出優(yōu)化設(shè)計和解決方案。

1) 海洋環(huán)境腐蝕性。

針對海洋環(huán)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(zhì),防護等級達到IP56。集裝箱由溴化鋰吸收式制冷機組供應(yīng)商隨機組一同供貨,集裝箱罩內(nèi)根據(jù)要求設(shè)置相應(yīng)的通風、照明、消防、排水等設(shè)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(wěn)的陸地來說,海上平臺的搖擺等振動帶來的鋼結(jié)構(gòu)振動不容忽視[1]。本項目為了避免海上平臺鋼結(jié)構(gòu)甲板振動造成接口破損,減輕結(jié)構(gòu)振動對機組的影響,在機組所在位置局部進行了鋼結(jié)構(gòu)甲板加強設(shè)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(shè)置了自動集氣抽真空裝置,該裝置可以實時監(jiān)測機組真空度,根據(jù)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(zhì)。

海上平臺淡水是本項目溴化鋰吸收式制冷機組的驅(qū)動熱源工質(zhì),水質(zhì)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(guī)定了補充水水質(zhì)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(zhì)滿足HY/T 247—2018《海水淡化產(chǎn)品水水質(zhì)要求》二級反滲透法產(chǎn)品水水質(zhì)要求。經(jīng)對比分析,本平臺海水淡化裝置出水水質(zhì)可以基本滿足溴化鋰吸收式制冷機組運行的熱源水質(zhì)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(zhì)要求關(guān)鍵項對比如表4所示。

表4 水質(zhì)要求對比

4) 設(shè)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(shè)備需獲得國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局中國海洋石油作業(yè)安全辦公室批準的第三方認證機構(gòu)頒發(fā)的證書。供應(yīng)商應(yīng)負責安排機構(gòu)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(shè)備主要部件為壓力容器,常規(guī)溴化鋰吸收式制冷機組供應(yīng)商的熱水型機組均滿足TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的相關(guān)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(shè)施產(chǎn)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(shè)計審圖和現(xiàn)場檢驗,整體費用約為設(shè)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(jīng)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(shè)備數(shù)量、規(guī)格和電功率差異如表5所示。

表5 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量、規(guī)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(huán)泵3種設(shè)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(shè)備投資基本相同,輔助系統(tǒng)相關(guān)設(shè)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(shè)備初投資、維保和備品備件費用對比如表6所示。

表6 設(shè)備初投資、維保和備品 備件費用對比 萬元

以空調(diào)系統(tǒng)每年運行150 d計算,使用溴化鋰吸收式制冷機組代替電驅(qū)壓縮式制冷機組作為生活樓制冷冷源,年均節(jié)電約33.8×104kW·h,節(jié)省的電量折合燃氣約13.8×104m3,考慮設(shè)備維保費用后年均節(jié)省費用約27萬元。在項目經(jīng)濟年限內(nèi)可實現(xiàn)累計節(jié)省天然氣約186.5×104m3,累計可節(jié)省費用約371萬元,可實現(xiàn)經(jīng)濟年限內(nèi)凈現(xiàn)值(NPV)約210萬元。

4 結(jié)論

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

南海某新建平臺生活樓應(yīng)用溴化鋰吸收式制冷技術(shù)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(qū))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(zhì)循環(huán)系統(tǒng)和閉式循環(huán)冷卻水系統(tǒng),僅新增了1套熱水閉式循環(huán)系統(tǒng),設(shè)備尺寸、質(zhì)量對平臺設(shè)計方案影響不大,技術(shù)方案可行。

從設(shè)備投資和經(jīng)濟性上看,2種方案設(shè)備初投資基本相同,溴化鋰吸收式制冷方案考慮熱水循環(huán)系統(tǒng)后相較常規(guī)設(shè)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(jié)省費用約27萬元,大約2年可以回收新增投資。在項目經(jīng)濟年限內(nèi)可實現(xiàn)凈現(xiàn)值(NPV)約210萬元。