前不久，全球首套5兆瓦级海上高温烟气余热发电装置在天津完工交付，标志着我国海上油气电站在烟气余热利用方面取得重大突破。该装置由中国船舶集团有限公司第七一一研究所（以下简称“七一一所”）联合中国海洋石油集团有限公司（以下简称“中国海油”）自主设计研制。
选择合适“热能搬运工”
主电站是海上平台的“心脏”，它一般通过燃烧油气为海上装置提供电能。但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。“装置采用有机朗肯循环（ORC）发电技术回收高温烟气余热进行发电。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接受科技日报记者采访时介绍。
有机工质是一种在特定条件下能用来传递和转换热能的有机物质。在ORC发电技术中，有机工质扮演非常重要的角色。它像一个“热能搬运工”，在不断循环中，把低品位的热能转换成高品位的电能或机械能。为何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发电装置只能回收250℃以内的低温余热，环戊烷有良好热稳定性、高效热转换能力，要回收500℃的高温烟气，环戊烷是更合适的有机工质。
“为确定环戊烷的可行性，研发团队查阅大量文献并反复进行试验验证。在确保装置安全性方面，研发团队优化设计，将管路的焊口数量降至最低。为消除潜在风险，研发团队还克服各种困难完成了陆上动力循环试验。”徐明照说。
攻克多项技术难题
此前，七一一所利用ORC发电技术已生产制造40多套陆地用低温余热发电装置。“这是我们首次研制用于海上的高温烟气余热发电装置。”徐明照说。
一般来说，海上平台应用装置要求集成化程度高、可靠性强、重量轻、占地空间小。“我们研制的装置一般大约重300吨，为了更好适应海上环境，我们对整个产品的系统设计和材料选型进行严格把关，使装置尽量集成化、橇装化。”徐明照说。
5兆瓦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的技术要求高。“主机是整个ORC发电装置的核心设备。”徐明照说，为满足功率密度高的要求，团队要解决密封、轴承润滑、动力系统的仿真模拟等多项技术难题。
据介绍，在5兆瓦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。
满足海上平台需求
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%。
中海油研究总院有限责任公司北京工程研究设计分公司机电仪总师安维峥介绍，5兆瓦级海上高温烟气余热发电装置投用后，余热年发电量可达0.4亿千瓦时，能满足3万户家庭的年用电需求。据测算，该装置使用20年预计可节省天然气消耗约3亿立方米，减少二氧化碳排放约80万吨。
徐明照说，该装置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。“这款装置是目前全球最大的海上高温烟气余热发电装置，为进一步满足海上平台需求，我们正着手研制10兆瓦级装置。”徐明照说。
考虑到船舶也会排放高温烟气，七一一所团队还计划研制用于燃气动力船的高温烟气余热回收装置，继续为实现“双碳”目标作贡献。