近日，全球首套5MW级海上平台高温烟气余热发电装置在天津完工交付。该装置由中国船舶集团第七一一研究所（以下简称七一一所）联合中国海油自主设计研制，其成功交付标志着我国海上油气田电站在烟气余热利用方面取得重大突破。
选择合适的有机工质
主电站是海上平台的“心脏”，它一般是通过燃烧油气为海上装置提供电能。但是燃烧油气会排放大量500℃的高温烟气，这些烟气是海上油气开发平台主要的碳排放源之一。
为了减少主电站的高温烟气排放，七一一所研发团队自主设计研制了这套海上高温烟气余热发电装置。
“具体来说，就是采用有机朗肯循环（ORC）发电技术来回收高温烟气余热进行发电。其原理是先利用导热油回收高温烟气热量，然后高温导热油进入ORC发电装置，把液态环戊烷有机工质加热成气态。接着，环戊烷气体膨胀驱动透平膨胀机转动，进而带动发电机旋转发电。”七一一所副所长徐明照告诉科技日报记者。
为什么选择环戊烷作为有机工质？徐明照解释说，常用有机工质的ORC发电机组只能回收250℃以内的低温余热，如果要回收500℃的高温烟气，就必须选用环戊烷这种适用于高温余热的有机工质。
环戊烷是一种可燃液体。“为了确定环戊烷的可行性，研制团队查阅了大量文献并反复做试验验证。为了确保装置的安全性，研制团队优化设计，将管路的焊口数量降低到最少。为了防范潜在风险，研制团队克服各种困难完成了陆上动力循环试验。”徐明照说。
让装置集成化橇装化
实际上，七一一所利用ORC发电技术已生产制造40多套陆地上用的低温余热ORC发电装置。“但用于海上的高温烟气余热发电装置还是首次。”徐明照说。
一般来说，海上平台应用的装置要求集成化程度高、可靠性强，占地空间尽量要小，重量轻。“但是，我们研制的装置大约重300吨。为了让它更好适应海上环境，我们对整个产品的系统设计和材料选型都进行了严格把关，使装置尽量集成化、橇装化。”徐明照说。
5MW级海上高温烟气余热发电装置的另一个特点是功率密度高，这意味着对装置主机（透平膨胀机）的技术要求高。“主机是整个ORC发电机组的核心设备。”徐明照表示，为了满足大功率要求，在研制主机过程中，要攻克密封、轴承润滑、动力系统的仿真模拟等多项技术难题。
据介绍，在5MW级海上高温烟气余热发电装置研制过程中，七一一所研发团队先后攻克了工艺和设备设计、紧凑型橇装化设计、动力循环试验验证等技术难题，并联合中国海油参与推动形成设备研制、橇装制造、测试试验全链条自主技术服务能力，最终打造了自主可控的装备体系。
显著提升余热利用效率
据有关报道，与传统的烟气燃烧排放相比，加装高温烟气余热发电装置后，电站的余热综合利用效率从30%—35%提升至60%—70%。
中国海油研究总院工程研究设计院机电仪总师安维峥表示，该发电装置的投用，有助于实现海上油气田主电站烟气余热的综合利用。经测算，余热年发电量可达0.4亿千瓦时，可满足3万户家庭的年用电需求。预计可累计节省天然气消耗约3亿立方米，减少二氧化碳排放约80万吨。
“5MW级海上高温烟气余热发电装置，既节能又减排。”徐明照说，该装置将广泛适用于中国海油现役平台电站，助力海上油气田在开发过程中实现节能减排、降本增效，对海上油气田绿色低碳开发有重要意义。
考虑到船舶上也有一些高温烟气排放，七一一所团队计划未来研制用于燃气动力船的高温烟气余热回收装置，进一步为实现“双碳”目标作贡献。
“目前，全球最大的海上高温烟气余热发电装置就是这款5MW级的，为了满足海上平台的进一步需求，我们已经着手研制10MW级的装置。”徐明照说。（代小佩）
责任编辑：江蓬新
来源：科技日报
