前不久，全球首套5兆瓦級海上高溫煙氣余熱發電裝置在天津完工交付，標志著我國海上油氣電站在煙氣余熱利用方面取得重大突破。該裝置由中國船舶集團有限公司第七一一研究所（以下簡稱“七一一所”）聯合中國海洋石油集團有限公司（以下簡稱“中國海油”）自主設計研制。

選擇合適“熱能搬運工”

主電站是海上平台的“心臟”，它一般通過燃燒油氣為海上裝置提供電能。但燃燒油氣會排放大量500℃的高溫煙氣，這些煙氣是海上油氣開發平台主要的碳排放源之一。

為減少主電站的高溫煙氣排放，七一一所研發團隊自主設計研制了這套海上高溫煙氣余熱發電裝置。“裝置採用有機朗肯循環（ORC）發電技術回收高溫煙氣余熱進行發電。先利用導熱油回收高溫煙氣熱量，然后高溫導熱油進入ORC發電裝置，把液態環戊烷有機工質加熱成氣態。接著，環戊烷氣體膨脹驅動透平膨脹機轉動，進而帶動發電機旋轉發電。”七一一所副所長徐明照接受科技日報記者採訪時介紹。

有機工質是一種在特定條件下能用來傳遞和轉換熱能的有機物質。在ORC發電技術中，有機工質扮演非常重要的角色。它像一個“熱能搬運工”，在不斷循環中，把低品位的熱能轉換成高品位的電能或機械能。為何選擇環戊烷作為有機工質？徐明照解釋說，常用有機工質的ORC發電裝置隻能回收250℃以內的低溫余熱，環戊烷有良好熱穩定性、高效熱轉換能力，要回收500℃的高溫煙氣，環戊烷是更合適的有機工質。

“為確定環戊烷的可行性，研發團隊查閱大量文獻並反復進行試驗驗証。在確保裝置安全性方面，研發團隊優化設計，將管路的焊口數量降至最低。為消除潛在風險，研發團隊還克服各種困難完成了陸上動力循環試驗。”徐明照說。

攻克多項技術難題

此前，七一一所利用ORC發電技術已生產制造40多套陸地用低溫余熱發電裝置。“這是我們首次研制用於海上的高溫煙氣余熱發電裝置。”徐明照說。

一般來說，海上平台應用裝置要求集成化程度高、可靠性強、重量輕、佔地空間小。“我們研制的裝置一般大約重300噸，為了更好適應海上環境，我們對整個產品的系統設計和材料選型進行嚴格把關，使裝置盡量集成化、橇裝化。”徐明照說。

5兆瓦級海上高溫煙氣余熱發電裝置的另一個特點是功率密度高，這意味著對裝置主機的技術要求高。“主機是整個ORC發電裝置的核心設備。”徐明照說，為滿足功率密度高的要求，團隊要解決密封、軸承潤滑、動力系統的仿真模擬等多項技術難題。

據介紹，在5兆瓦級海上高溫煙氣余熱發電裝置研制過程中，七一一所研發團隊先后攻克工藝和設備設計、緊湊型橇裝化設計、動力循環試驗驗証等技術難題，並聯合中國海油推動形成設備研制、橇裝制造、測試試驗全鏈條自主技術服務能力，最終打造了自主可控的裝備體系。

滿足海上平台需求

與傳統的煙氣燃燒排放相比，加裝高溫煙氣余熱發電裝置后，電站的余熱綜合利用效率從30%—35%提升至60%—70%。

中海油研究總院有限責任公司北京工程研究設計分公司機電儀總師安維崢介紹，5兆瓦級海上高溫煙氣余熱發電裝置投用后，余熱年發電量可達0.4億千瓦時，能滿足3萬戶家庭的年用電需求。據測算，該裝置使用20年預計可節省天然氣消耗約3億立方米，減少二氧化碳排放約80萬噸。

徐明照說，該裝置廣泛適用於中國海油現役平台電站，助力海上油氣田在開發過程中實現節能減排、降本增效，對海上油氣田綠色低碳開發有重要意義。“這款裝置是目前全球最大的海上高溫煙氣余熱發電裝置，為進一步滿足海上平台需求，我們正著手研制10兆瓦級裝置。”徐明照說。

考慮到船舶也會排放高溫煙氣，七一一所團隊還計劃研制用於燃氣動力船的高溫煙氣余熱回收裝置，繼續為實現“雙碳”目標作貢獻。

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