全球首套5MW级海上高温烟气余热发电装置构造效果图。 中海油研究总院供图
9月1日，余热发电装置在码头上被运往文昌9-7油田钻采平台组块。陈瑶 摄
9月2日中午，广东珠海中海福陆重工有限公司码头，在距离地面近40米高的油田钻采平台组块上，几十位参与文昌9-7油田钻采平台建设的员工聚在一起。该钻采平台即将进行全球首套5MW级海上高温烟气余热发电装置（以下简称“余热发电装置”）的安装，这是文昌9-7油田钻采平台“出征”前的重要节点。
半个月前，由中国海油联合中国船舶自主研制的余热发电装置，在天津完工交付后运到珠海。据介绍，这套余热发电装置可直接将废弃的热能变为清洁的电能，是我国海上油气田电站在烟气余热利用方面取得重大进展的重要标志。
废弃热能如何通过该装置完成绿色“变身”？成就“全球首套”，又给科研人员带来哪些深刻感受？记者日前在珠海采访了研发团队成员。
8月31日18点30分左右，随着吊具缓缓上升，余热发电装置将正式“登陆”中海福陆重工有限公司3号码头。
“登陆”是将余热发电装置从货轮卸到码头小车上，直线米。“工序看似简单，却不容一点闪失，慢、稳是关键。”中海油研究总院工程研究设计院机械资深工程师秦小刚一边说一边目不转睛地盯着。
整个过程远比记者预想的漫长，就像“慢镜头”播放，大约持续了40分钟。如此谨慎小心，既是为了尽最大可能避免磕碰变形，也因为它是研发团队10年的心血结晶。
油气钻采平台似海上“孤岛”，平台所有系统运维及日常作业都通过燃烧石油或天然气提供电能。“电站作为海上平台的心脏，在满足电力供应的同时，机组运行过程中会排放大量高温烟气，是海上油气开发的主要碳排放源。”中海油研究总院工程研究设计院机电仪总师安维峥介绍，这些烟气温度高达500摄氏度，是丰富的“热源宝藏”，只是受限于现阶段的设备和技术，仅有35%的余热得到了利用。
大量高温烟气直接排放，既浪费热源又增加大气负担。在碳达峰、碳中和目标背景下，如何充分的利用这笔巨大“财富”，成为海油人追逐的梦想。
“最初中海油研究总院研发团队曾提出烟气余热蒸汽发电的设想，借鉴蒸汽发电原理，以烟气余热作为燃料。”中海油研究总院工程研究设计院总图机械室主任徐海波回忆道。
蒸汽发电是指利用水转化为蒸汽来驱动涡轮机或别的类型的发电机，由此产生电能的过程。但在方案研究时，研发团队意识到了现实和理想的差距：蒸汽循环发电装置及辅机的安装对空间需求量大，且高品质淡水补充及排污等流程繁琐，海上平台的操作性、经济性低。
第一次探索方案虽然未能成为现实，但并未让研发团队感到气馁，反倒成为强劲动力，激励他们在海上高温烟气余热发电这条路上走得愈发坚定。
要为海上应用“量体裁衣”，先得找到比较合适的技术路线。经过长时间的收集、比对、研究，“有机朗肯循环（Organic Rankine Cycle，简称ORC）”进入中海油研究总院研发团队的视野，这是一种可实现废热向电能转化的技术。
“国内有关技术主要使用在于工业废水和地热能等低温热源领域，而国外在陆地上进行了高温ORC发电技术的工程应用，但海上应用仍为空白。”徐海波说，“既无成熟案例，也无经验可循，一切只能从零开始。”
从2014年开始，研发团队边学习边实践，攻破了一道道技术关卡，逐渐掌握了专项技术的精髓，确定了最终技术路线以主电站产生的高温烟气余热作为热源，通过导热油中间换热加热有机工质形成高温蒸汽，推动透平膨胀机发电。同时，用过的蒸汽会通过冷凝器和泵等设备重新变成低温液态，进而开始新一轮的循环。
据了解，相较于传统烟气的燃烧排放，加装了余热发电装置的电站余热利用潜力将提升到60%至70%。经测算，余热发电装置在文昌9-7油田钻采平台投用后，年发电量可达0.4亿千瓦时，足以供应3万户家庭的年用电需求，运行20年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，相当于植树造林750万棵。
在码头，记者第一次见到余热发电装置。出乎意料的是，安维峥口中包含了12套大型设备和260多套阀门仪表的装置竟比想象中小了许多黄色的框架支撑起三层结构，每层穿插摆放着几台灰色设备。
“顶层放置的是冷凝器和回热器，底部两侧分别是透平膨胀机和工质泵，以及预热器、蒸发器。”见记者有些疑惑，秦小刚逐一介绍。余热发电装置长15米，宽10米，总重量约300吨，是通过紧凑型橇装化设计实现设备占地面积及操作重量的降低。
所谓橇装，是指将仪器、阀门、管道、附属设备、连接件及电缆等集成在一个整体的钢结构平台上，只预留工艺连接口、控制电源和通讯接口。秦小刚和记者说，以往陆上ORC装置都是平铺连接，占地面积大的甚至会达到上千平方米，这是海上空间难以企及的，采用橇装设备就是以海上平台使用特点为出发点。
“工业之美在于精密与力量的和谐共舞。”在应对设备集成化、轻量化挑战时徐海波有些兴奋。令他印象非常深刻的是，经过反复讨论修正，研发团队凭借对海上环境的了解和一次又一次3D模型模拟，巧妙地将润滑油站“塞”进透平膨胀机下方，极大减少了占地面积，实现了装置的紧凑化与高效化。除此之外，在结构上的布局方面也是“毫厘必争”。比如，在确保流量的前提下，尽可能对配管的壁厚、直径进行“瘦身”，逐步降低重量。优化循环管线，减少管道交叉转弯造成的空间浪费。
如果说从陆地到海上的突破是在做“减法”，那么攻克高温ORC发电技术瓶颈则像进行了一场“综合运算”。
高温ORC发电技术利用了有机工质沸点低的特性。有机工质就像是“热能搬运工”，吸收热量后就能生成具有很多压力和温度的蒸汽。它的短板是耐热性有限，倘若与400至500摄氏度的烟气非间接接触，会发生高温裂解，从而没有办法进行后续流程。为了找到比较合适的“热能搬运工”，研发团队综合研究装置净发电量、透平膨胀机入口和出口体积流量、导热系数、蒸发温度、化学稳定性等指标，最终选择了环戊烷作为高温型ORC工质。
“相较于常规氟代烃类工质，环戊烷蒸发压力高，发电功率大，耐热性也最佳。”秦小刚介绍，为保护“热能搬运工”，研发团队在ORC发电环节中引入导热油系统。“该系统的引入，相当于在高温烟气和环戊烷之间建立一道隔离屏障，经过系统冷却的烟气在接触环戊烷时已降至可承受范围，从而成功破解工质分解难题和海上发电挑战。”
科研工作的魅力在于挑战与转机并存，能时常收获“柳暗花明又一村”的顿悟和惊喜。余热发电装置研发团队也不例外。
和其他烷类物质一样，环戊烷具有轻微毒性和易燃易爆特质。大量使用是否安全，现有监测防护手段能否有效一系列质疑让研发团队对环戊烷的选择有些动摇，一次阴差阳错，他们发现环戊烷早已凭借其出色的物理性能与环保性能，在制冷领域得到普遍使用。“之前鲜少涉猎化工领域，我们对烷烃类物质也有认识偏差。好在这个发现给团队吃下了一颗定心丸。”徐海波和记者说，为了打消专家和业主谈“烷”色变的恐惧，研发团队与国内高校合作，针对环戊烷的监测、防护进行了全方位、深层次的研究与论证，并进行了一系列循环试验验证，用一项项严谨扎实的数据为环戊烷正名，并获得了专家认可。
转机之后，仍需攻坚。海上平台情况复杂多变，对于危化品的管理使用异常严苛，研发团队必做足极端工况下设施安全防护和安全应急设计。
安维峥介绍，针对高温型烷烃类有机工质特点，研发团队着重加强安全防护设计。由于余热发电装置成橇布置在敞开区域，配管尽可能使用焊接方式，减少法兰连接潜在的泄漏点。在设备设计上，在确保功率的前提下采用低转速透平膨胀机，降低做功振动可能带来的温度升高。
此外，在余热发电装置内部环戊烷潜在泄漏处设置火灾监测及可燃气体探测设备，能够实时探测有机工质泄漏情况。外部布设氮气系统和泡沫系统，可用于稀释、驱散或灭火。
稳定是海上平台有序作业的前提。为了确认和保证余热发电装置与平台各系统之间顺畅衔接，不同边界条件变化下系统动态特性研究是研发团队的“必修课”。“我们建立了动态仿真模型，能够基于透平膨胀机、换热器、工质泵的运作状况，分析归纳导热油流量、工质流量以及冷却水温度对系统产生影响的临界值，并提供最佳控制策略和应对方案，保障平台各系统在复杂条件下的启停及稳定运行。”秦小刚补充道。
从设备研制到橇装制造、测试试验，余热发电装置研发团队打造了自主可控的装备体系，携手实现了海上高温烟气余热发电应用领域“从0到1”的历史性突破。“该技术能够广泛适用于我国海上油气平台，将为推动海上油气田在开发过程中实现节能减排、降本增效目标，为海洋石油工业实现绿色低碳发展注入新动能。”安维峥说。
