海上平台循环冷却水系统温度参数选取与节能增效_秦逸涵.pdf

工业用水与废水INDUSTRIAL WATER WASTEWATERVol53No6Dec.，2022秦逸涵，高鹏，窦培举，陈子婧，胡斌（中海油研究总院有限责任公司，北京100028）海上气田为提高采收率，通常在开发一定时期后采用降压开采，此时会采用天然气压缩机增压以满足输送压力要求。此工艺中天然气压缩所产生的热量，需要冷却水连续冷却。冷却水系统是海上油气平台能够正常运行的重要保障。海上平台冷却水的类型主要包括用海水直接冷却的一次换热系统和用海水淡水间接冷却的二次换热系统，后者又称闭式循环冷却水系统。一次换热要求设备耐海水腐蚀，在增大设备费用的同时会影响到设备选型。二次换热是采用海水冷却淡水、淡水冷却工艺系统的间接冷却方式，少量淡水在管道内闭式循环，具有节约淡水资源、减少耐海水腐蚀设备数量等优点1。另一方面，当注气设计压力达到50MPa时，冷却器材质耐腐蚀和承压能力无法满足海水直冷的要求时采用闭式循环冷却水系统2。闭式循环冷却水系统涉及一次换热冷热源和二次换热冷热源的6个直接温度取值参数以及多个间接温差取值参数。6个直接温度的取值将锁定各个温差参数，各个不同温差参数将对系统流量和换热设备规模带来一系列的影响。合理确定闭式循环冷摘要：为实现闭式循环冷却水系统最优而合理确定系统中各温度参数，采用工况分析法，提出不同温度参数组合对闭式循环冷却水系统带来的影响，得到温度参数优化区间以及节能增效的改善效果。分析表明对数平均温差对换热器大小具有决定影响；冷却负荷增大，温度优化对动设备节能效果显著；温度选取要平衡对数平均温差和换热温差的相互制约关系，以达到一次、二次换热总体最优的效果。关键词：循环冷却水系统；一次换热；二次换热；换热器；温差；节能增效中图分类号：TE54；TQ085文献标志码：A文章编号：%10092455（2022）06005205Temperature parameters selection and energy saving and efficiencyimprovement of circulating cooling water system for offshore platformQIN Yihan，GAO Peng，DOU Peiju，CHEN Zijing，HU Bin（CNOOC Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100028,China）Abstract：In order to optimize the closed circulation cooling water system and reasonably determine thetemperature parameters in the system,working condition analysis was adopted,the influence of different tempera-ture parameters combinations on closed circulation cooling water system was put forward;besides,the optimiza-tion range of temperature parameters and the effect of energy saving and efficiency improvement were obtained.The analysis shows that the logarithmic average temperature difference has a decisive influence on the size of theheat exchanger;with the increase of cooling load,the energy-saving effect of temperature optimization on dynam-ic equipment is remarkable;the temperature selection should balance the mutual restriction relationship betweenlogarithmic average temperature difference and heat exchange temperature difference,so as to achieve the overalloptimal effect of primary and secondary heat exchange.Keywords：circulationg cooling water system;primary heat exchange;secondary heat exchange;heat ex-changer;temperature difference;energy-saving and efficiency improvement海上平台循环冷却水系统温度参数选取与节能增效!循环冷却水及冷却塔52却水的各个温度参数，将改善节能效果，促进降本增效，对工程具有重要意义。1温度参数对换热系统的影响分析闭式循环冷却水系统的一次换热为淡水给工艺冷却用户冷却，二次换热为海水给淡水冷却3。在管路为绝热系统的前提下，设定一次换热热源供水温度为T1、回水温度为T2；一次换热冷源供水温度为t1、回水温度为t2；一次换热冷源即为二次换热热源，即二次换热热源供水温度为t2、回水温度为t1；二次换热冷源供水温度为ta、回水温度为tb；t1与t2的温差用tf表示；ta与tb温差用ts表示；一次换热对数平均温差用tm1表示、二次换热对数平均温差用tm2表示；一次、二次换热设备换热面积分别用Af、As表示，各参数如图1所示。11一次换热温度参数对tm1的影响海上平台换热设备的类型决定换热系统型式。换热设备的选择要兼顾高效换热和经济性因素，通常当工艺冷却系统设计压力不超过常规换热设备承压能力时，管壳式换热器在一次换热系统具有技术成熟和较好的经济优势4，优先选用。当设计压力超过GBT 1512014热交换器要求的35 MPa时，管壳式换热器的体型和质量都变大许多，可采用印刷板式代替管壳式以提高换热能力5。当分析一次换热时，相同流量（Q）条件下，采用相同的传热系数（K），涉及T1、T2、t1、t2、tf、tm1等温度参数。以管壳式换热器为例，温度选取以t1T1和t2 T2为基本原则。tm1计算式下：式中：T1为一次换热热源供水温度，；T2为一次换热热源回水温度，；t1为一次换热冷源供水温度，；t2为一次换热冷源回水温度，。假设T1 75，T2 50，tf取值区间定为7 12，6种满足换热的温度参数工况见表1，从而可计算并对比出tm1在不同tf下的变化情况。由表1可知，6组工况数据均说明当tf相同时，T2与t2温差越大，或T1与t1差值越大，可提高换热器tm1，减少一次换热器面积，节省一次换热器投资。当T2 t2相同时，工况6的冷源温度最低，换热器的换热面积最小。从工况2到工况3再到工况6可知，tf增加2，使得tm1增加33；T2与t2差值增加2，使得tm1增加158，说明T2与t2的差值对tm1贡献率更高，可以减小换热器尺寸，但t2温度低太多将导致t1的变化，若t1也随之降低，将会影响二次换热温度选取；若t1不变，则导致tf变小，也就是淡水流量变大，从而带来淡水泵大小或数量的变化，因此，t2的选取应平衡换热器尺寸和淡水泵的设置。从工况3到工况6，tm1增加158；从工况2到工况5，tm1增加160；从工况1到工况4，tm1增加165，说明T2与t2温差变化一致时，T1与t1温差越大，tm1提高越显著。由表1还可知，工况1到工况6，tm1提高4.14，在相同换热器材质的条件下，换热面积降低20.57%。12二次换热温度参数对tm2的影响闭式循环冷却水在系统内循环只产生沿程和局部损失，系统压力要求不高。板式换热器具有热效率高，热损失小，结构紧凑，维护方便等优点6-7，因此，二次换热通常采用板式换热器。当分析二次换热时，相同流量（Q）条件下，采用相同的传热系数（K），涉及t1、t2、ta、tb、tf、ts、tm2等温度参数。板式换热器是逆流换热，温度选取以t1 ta、tb t2、tb t1或tb t1为基本原则，考虑板式换热器换热效率，一般取tb比t2低至少3。tm2计算式如下：tm1=（T1-t1）-（T2-t2）ln（T1 t1）（T2 t2）（1）工况tft1t2tm1Afm2T2-t217384515.990.062 5（QK）5210354516.830.059 4（QK）5312334517.390.057 5（QK）547364318.630.053 7（QK）7510334319.530.051 2（QK）7612314320.130.049 7（QK）7表1一次换热温度参数对比Tab.1Comparison of primary heat exchange temperatureparameters注：QK表示取得Af值的恒定量，此恒定量不作为研究重点。二次换热（海水）一次换热（淡水）t2tsAstftat2t1tbtm2板式换热器冷却器tm1T2AfT1t1图1闭式循环冷却水系统原理Fig.1Principle of closed circulation cooling water system秦逸涵，高鹏，窦培举，等：海上平台循环冷却水系统温度参数选取与节能增效53工业用水与废水INDUSTRIAL WATER WASTEWATERVol53No6Dec.，2022式中：t1为二次换热热源回水温度，；t2为二次换热热源供水温度，；ta为二次换热冷源供水温度，；tb为二次换热冷源回水温度，。假设t1取38、t2取45，以不同海域海水取28 和32 2种夏季极端环境条件下的不同换热工况，6种满足换热的温度参数工况见表2，从而可计算并对比出tm2在不同ts下的变化情况。由表2可知，6组工况数据均说明当ts相同时，tb与t2温差大，可提高换热器tm2，从而可减少二次换热器面积，节省二次换热器投资。工况7的t2 tb最大，换热器的换热面积最小。由于海水温度受所处海域位置影响，当ta确定后，ts越大，tb与t2越接近，将导致tm2越小，这种情况使得海水流量减小而板式换热器面积增大。从工况7到工况9，tm2减小114；从工况10到工况12，tm2减小21，说明当tb越接近t2时，tm2减小的幅度越大。从上述3点可知，当tb越接近t2时，各换热温差选择余地越小，导致tm2变小，从而增大了二次换热器面积。由表2还可知，工况7到工况12，tm2降低5.16，换热面积增加12.56%。13温度对系统流量的影响温度对系统流量的影响主要取决于换热温差tf和ts。随着冷却负荷量的分阶段增加，温度参数的变化对淡水流量和海水流量的影响将逐渐显著。为方便计算，取tf和ts相同，5 60 MW的区间内以每5 MW负荷需求递增，用Qf表示淡水流量，Qs表示海水流量。1.3.1一次换热温差对淡水流量的影响通常一次换热温差越大，淡水所需流量越少。在相同负荷下，取温差从5 升到7，淡水流量可节省约285，从而可进一步节约淡水泵数量或者规模，以减少投资。tf在5、6、7 工况下淡水流量变化情况如图2所示。1.3.2二次换热温差对海水流量的影响通常二次换热温差越大，所需海水流量越少，在相同负荷下，温差从5 升到7，海水流量仍可节省285，ts在5、6、7 工况下海水流量变化情况如图3所示。同时考虑节省海水泵流量及海水取水温度的影响，当海水实际温度低于28 时，海水温度变化越大，海水流量下降程度也将变大8。海水温度的确定需同时兼顾取水温度和因海水换热后排入海洋而导致的热污染9，ts取值不应过大，一般取小于10 为环境限定条件10。淡水始终在闭式管路