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海水淡化技术在蜜蜂式采油平台的应用李颖茹　 张云燕

东方电气集团中央研究院, 成都 611731

摘　 要: 在介绍 “蜜蜂式” 采油平台动力模块和海水淡化技术特点的基础上, 结合典型工程, 对反渗透、 低温多效和压汽

蒸馏 3 种海水淡化技术在采油平台锅炉补给水处理系统的应用进行全面对比分析。 分析表明真空压汽蒸馏海水淡化装置技

术成熟、 产水稳定、 系统简单, 可作为舰船、 采油平台等海洋装备的蒸汽轮机电热站补给水处理系统首选工艺。

关键词: “蜜蜂式” 采油平台; 动力模块; 补给水处理系统; 海水淡化; 真空压汽蒸馏

中图分类号: P 747　 　 　 　 　 文献标识码: A　 　 　 　 　 文章编号: 1001-9006(2014)04-0071-05

Application of the Desalination Technologyin Bee-type Production Platform

LI Yingru, ZHANG Yunyan( Central Research Academy of DEC, 611731, Chengdu, China)

Abstract: On the basis of sketched the technical feature of power station and seawater desalination in bee-type production platform,

combined with typical power station, the adhibition for boiler make-up water treatment system in production platform have been

contrastive analyzed with SWRO, LT-MED and VCD． The analysis of result shows that due to the mature technology, stable water

quality and quantity and simple operation, the vacuum vapor compression distillation ( VVCD) can be used as the preferred application

of boiler make-up water treatment technology in ship and platform．

Key words: bee-type production platform; power station; make-up water treatment system; seawater desalination; vacuum vapor

compression distillation ( VVCD)

收稿日期: 2014-07-14作者简介: 李颖茹(1981-), 女, 2004 年 6 月毕业于武汉大学应用化学专业, 工学学士, 工程师。 现任东方电气集团中央研究院系统集成

研究所水务设计室副主任, 主要从事发电和水处理工程系统集成设计、 研发工作。张云燕(1968-), 女, 1989 年 7 月毕业于重庆大学热物理专业, 工学学士, 高级工程师。 现任东方电气集团中央研究院系统集

成研究所机务设计室副主任, 主要从事发电工程系统集成设计、 研发工作。

　 　 近年来, 我国勘探发现了很多海上边际油田,此类油田具有储量小、 分布广的特点。 为了更加

经济、 有效地开发此类边际油田, “三一式” 和

“蜜蜂式” 海上边际油田开发模式得到了广泛的应

用。 “三一式” 主要应用于距离已建成油田生产设

施较近的边际油田, 可以通过开通海底管道和海

底电缆的方式解决井口平台的生产问题; 而对于

年产量较小且周边 20 km 以内无在生产油田可依托

的边际油田则采用 “蜜蜂式”。 “蜜蜂式” 采油设

施的解决思路是建造可移动的采油生产设施(集生

产、 动力、 储油、 外输、 生活为一体的小型装

置)。 像蜜蜂采蜜一样, 开采完一个油田后转移到

另一个油田, 通过开发多个油田来回收工程投资,降低小油田的开发成本。

在油田附近, 没有可依托的能源动力基地向

原油开采生产提供所需的电能和热能。 “蜜蜂式”采油平台必须有能提供自给自足电力和热能的动

力模块, 该动力模块是移动式采油平台设计最关

键部分之一。 动力模块的燃料可采用原油、 柴油

以及伴生气。在海上原油油田的开采过程中常常伴有伴生气

产出, 但产量较低, 衰减较快, 大多数采油平台都

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通过火炬系统燃烧或冷放空, 造成了资源、 投资的

浪费和环境的污染。 多燃料(伴生气 /原油、 柴油点

火)蒸汽锅炉 + 汽轮发电机组 + 柴油发电机组(备用)的动力模块解决方案可以完全满足移动式采油平

台对电能和热能要求。 通过采用陆用成熟热电联产

技术, 不仅可以大大提高动力模块的适应性、 可靠

性、 稳定性、 年可利用小时数和经济性, 而且由于

设备国产化后检修人员可及时到达现场, 维护十分

方便, 打破了进口设备维护难、 备品备件需要进口、维护人员需要国外公司外派、 费用贵、 周期长等问

题, 从根本上有效地解决了维护的时效性、 便易性、可靠性和安全性, 大大缩短了维修工期, 提高了维

护运行的经济性。 同时, 采用多燃料的蒸汽锅炉有

效地利用伴生气, 可节约能源, 减少废气排放, 实

现了能源的有效利用。如果说电热动力模块是采油平台动力供应的

心脏, 那么优质合格的除盐水就是平台动力和生

产系统的血液。 为保证采油平台动力系统的长时

间稳定运行, 需采用锅炉补给水处理、 炉水、 给

水加药和汽水品质监督等一系列措施防止锅炉结

垢、 腐蚀, 保证蒸汽品质。 采油平台的特殊地理

位置决定了取水水源只能是海水, 而 “蜜蜂式”采油平台结构紧凑、 可利用面积较小、 运行维护

人员较少, 对锅炉补给水处理工艺提出了成熟可

靠、 系统紧凑、 操作简单、 运行稳定、 易于维护

等要求。

1　 海水淡化技术

海水淡化又称海水脱盐, 是分离海水中盐和

水的过程, 从海水中取水或除去海水中的盐都可

达到淡化的目的。 目前海水淡化方法主要包括:蒸馏法、 膜法、 电渗析法、 离子交换法和冷却法。工业上主要采用多效蒸馏、 多级闪蒸、 压汽蒸馏

和反渗透等方法。 这几种海水淡化方法各具优势,在实际应用中, 要根据规模大小、 能源费用、 原

水水质、 气候条件以及技术与安全性要求等实际

条件而选用适当的淡化方法。1． 1　 反渗透海水淡化

反渗透技术是当今最先进和最节能有效的膜

分离技术。 其原理是在高于溶液渗透压的作用下,依据其他物质不能透过半透膜而将这些物质和水

分离开来。 渗透原理如图 1 所示。

图 1　 渗透膜原理图

　 　 海水淡化反渗透(SWRO)对海水水质波动的承

受能力较差, 正常运行的前提是对原海水进行精

细的预处理, 防止膜表面结垢、 细菌污染等引起

产量降低和膜材料的衰减、 降解。 一般选用混凝、澄清、 多介质过滤或超(微)滤 作为 SWRO 的预处

理工艺, 若用于采油平台, 则应考虑平台的特殊

性, 采用砂滤、 自清洗过滤器和精密过滤器作为

SWRO 的预处理。SWRO 工艺的主要特点是:(1)SWRO 工艺启动简单, 启动和运行不受汽

轮发电机组的影响, 且能耗相对较低。

(2)为保证 SWRO 工艺对原料水水质波动的承

受能力, 需设置相对复杂的预处理和加药系统,导致系统设备占地相对较大。

(3)反渗透膜表面易结垢污堵影响出力, 需要

正常运行冲洗和定期化学清洗, 每年需要化学清

洗约 2 次。 由于化学清洗频繁以及维护药剂的使用

造成 SWRO 工艺产生的废水量大。(4)一级反渗透产品水含盐量 < 500 mg / L, 可

以满足工业用水要求, 但无法满足电热站锅炉补给

水处理系统产品水质的要求; 故需增设二级反渗透、软化器或电除盐等设备, 后处理系统较复杂。

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1． 2　 低温多效海水淡化

低温多效蒸馏(LT-MED)是指盐水最高温度不

高于 70 ℃, 采用低温横管喷淋的淡化技术。 其特

征是将一系列的水平管喷淋降膜蒸发器串联起来,用一定量的蒸汽输入通过多次的蒸发和冷凝。 后

面 1 效的蒸发温度均低于前面 1 效, 从而得到多倍

于蒸汽量的蒸馏水。 LT-MED 原理如图 2 所示。

图 2　 低温多效原理图

LT-MED 工艺的主要特点是:(1)LT-MED 稳定运行的前提是具备稳定的废

热汽源, 在蒸发器中建立真空环境后, 向蒸发器

提供蒸汽, 蒸汽耗量较大。(2)低温多效蒸馏横管喷淋过程循环海水仅需

布满传热管表面即可, 因此, 水泵的动力消耗大幅

度下降, 低温多效蒸馏装置生产 1 t 淡水的动力设备

电能为 1． 5 kW·h, 产品水水质较好, TDS≤5 ppm。(3)由于作为热源的加热蒸汽低于 70 ℃, 远

低于多级闪蒸的 110 ℃左右的蒸汽温度, 所以管壁

的结垢倾向更小, 设备投资费用相对较低。(4)从操作的稳定性看, 低温多效蒸馏装置的

操作弹性比较大, 加热蒸汽负荷在 40%~110% 之

间波动时, 仍能保证稳定可靠地运转。(5)系统紧凑, 占地面积较小, 操作简单, 广

泛应用于海洋工程和船舶海水淡化系统, 设备成

熟可靠, 若应用于电热站锅炉补给水处理系统还

应增加离子交换的后处理。1． 3　 压汽蒸馏海水淡化

压汽蒸馏海水淡化是将蒸发过程中所产生的

二次蒸汽, 经压缩提高温度, 再作为加热蒸汽使

用的蒸发装置, 压汽蒸馏用电或蒸汽驱动, 原理

如图 3 所示。压汽蒸馏工艺的主要特点是:

图 3　 压汽蒸馏原理图　 　 　 　

(1)压汽蒸馏与多级闪蒸和多效蒸发不同, 不

需要冷却水, 适用于水源缺乏的地方。(2)蒸发工艺通常发生在 55 ℃~70 ℃的负压条

件下, 操作温度较低, 腐蚀速度慢, 能耗相对较

低, 但是对系统密封要求较高。(3)装置采用板式换热方式, 结构紧凑, 安装

方便, 传 热 系 数 高, 产 水 水 质 好, 一 般 产 水

TDS≤5 ppm。

2　 工程实例分析

海洋石油 161 采油平台是国内首次采用 “热电联产、 热电分调” 型动力模块的 “蜜蜂式” 自

安装式采油平台。 采油平台电热站总体配置为 2 台

多燃料(伴生气 /原油、 柴油点火)蒸汽锅炉、 2 台

1200 kW 汽轮发电机组、 1 台 1200 kW 备用柴油发

电机组。 电热站为孤网运行方式, 需要承担采油

平台上全部电负荷和全部热负荷, 要求当锅炉或

汽轮发电机故障时, 备用柴油发电机组与汽轮发电

机组能及时并车且长期并联运行。 动力模块生产

过程见图如图 4 所示。

图 4　 动力模块生产过程简图　 　 　 　

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2． 1　 海水淡化技术方案

根据反渗透、 低温多效和压汽蒸馏 3 种海水淡

化工艺的特点, 结合海洋石油 161 采油平台的实际

情况, 对 3 种海水淡化工艺方案进行了设计和比

较, 主要技术指标详见表 1。

表 1　 海水淡化工艺方案对照表

主要技术参数 反渗透 低温多效蒸馏 压汽蒸馏

操作温度 / ℃ 10 ~ 40 < 70 < 70

主要能源 电能 蒸汽、 电能 电能

蒸汽消耗 / ( t·m - 3) 无 0． 25 ~ 0． 35 无

电能消耗 / (kWh·m - 3) 3~5 1． 2~1． 8 3． 5~4． 5

当量电耗率 / (kWh·m - 3) 16 4． 0 18

海水耗量 / (m3·h - 1) 10． 5 27 15

产品水质 TDS / ppm 300 ~ 500 < 5 < 5

预处理系统 双介质 + 保安过滤器 网式过滤器 网式过滤器

后处理系统 BWRO + 软化器 无 无

主设备占地(长 × 宽 × 高) / m 5． 5 × 3 × 2． 5 2． 5 × 2 × 4． 0 2． 8 × 2． 15 × 2． 4

回收率 / % 35~45 40~50 40~50

　 　 如表 1 所示, 反渗透海水淡化工艺的锅炉补给

水处理系统较复杂, 且占地较大; 低温多效和压

汽蒸馏工艺的锅炉补给水处理系统较简单, 占地

较小, 更加适用于 “蜜蜂式” 采油平台。本方案低温多效装置由三效水平管喷淋降膜

蒸发器和凝汽器组成, 系统运行相对复杂, 且需

要较大的操作空间(抽管检修)。 同时受平台舱室

空间限制, 低温多效系统设备采用上下结构布置,各类水泵等辅助设备布置在蒸发器和冷凝器下方,导致蒸发器抽管、 设备检修和维护都非常困难。

而电力驱动的真空压汽蒸馏系统虽电耗较高,但其结构简单, 采用板式换热方式, 蒸发与冷凝

的在一个真空腔室内完成, 辅助设备与本体容器

布置在一个平面上, 系统运行、 本体容器的拆卸、设备的维护都比低温多效系统简单。 图 5 所示为真

空压汽蒸馏本体容器拆装过程。

图 5　 真空压汽蒸馏本体容器拆装示意图

综合分析后, 考虑本工程电能充沛, 海水淡

化工艺最终选用电能驱动的真空蒸汽压缩工艺。该系统是采用机械真空蒸汽压缩的蒸馏方式, 通

过在负压和相应的低温下, 利用压缩蒸汽加热海

水, 得到淡水。 电能驱动避免了因汽轮机事故或

停机造成的停机, 系统设置的电加热器仅在装置

投运时使用。 为保证设备满足工况要求, 当海水

低于一定温度时, 需启动电加热器, 不需在运行

中长时间使用。进料泵将海水打入淡化装置的冷凝器中, 冷

凝器中的进料与浓盐水的混合物通过循环水泵和

电加热器预热后进入到蒸发器 /冷凝器的板组, 通

过板式蒸发器的布流渠道, 进入到板的一侧, 是

平的受控的降膜。 当向下流动时, 海水膜被加热,部分被蒸发, 热源为板另一侧的冷凝的蒸汽。 产

生的蒸汽通过除雾器, 进入到机械离心蒸汽压缩

机。 蒸汽被压缩后, 温度增加大约 3℃~4℃, 进入

冷凝室, 即蒸发器 /冷凝器所在处, 在此, 蒸汽冷

凝成为淡水, 由此释放的潜热蒸发了另外一侧的

海水。 真空蒸汽压缩工艺流程如图 6 所示。2． 2　 锅炉补给水处理系统工艺流程

按 GB12145 - 2008《火力发电厂机组及蒸汽动

力设备水汽质量》标准的规定, 中压(过热蒸汽压

力为 3． 8 MPa ~ 5． 8 MPa) 锅炉给水质量应保证硬

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图 6　 真空压汽蒸馏系统工艺流程

度≤2． 0 μmol / L, 溶氧≤15 μg / L, 铁≤50 μg / L,铜≤10 μg / L, pH = 8． 8 ~9． 2, 同时要求锅炉补给

水水质应保证锅炉给水品质。用于生产模块原油处理和运输加热的二次蒸

汽属于低压蒸汽, 其品质要求较低, 其原水仅需

满足低压锅炉给水品质要求。 按 GBl576 - 2008《工业锅炉水质》 标准的规定, 额定蒸汽压力小于

1． 6 MPa 的锅炉给水可以采用软化水, 即硬度≤0． 03 mmol / L, 溶氧≤0． 1 mg / L, 铁≤0． 3 mg / L,溶解氧≤0． 1 mg / L, pH =7 ~9。

虽然平台供热蒸汽指标要求较低, 但考虑动

力模块的整体性和经济性, 海洋石油 161 采油平台

采用单个水源作为动力模块的给水水源。 锅炉补

给水处理系统工艺流程为: 海水取水→海水联合

防污处理→海水增压泵→给水过滤器→真空压汽

蒸馏装置→淡水舱→EDI 增压泵→EDI 装置→EDI水舱→除盐水泵→补给水点。2． 3　 系统运行情况

渤海海域海水 TDS 一般在 30 000 ppm 到

35 000 ppm之间, 运行数据显示, 随着海水水质的

波动, 真空压汽蒸馏海水淡化装置的产品水 TDS在 1． 8 ppm 到 5． 9 ppm 之间波动, 基本满足设计要

求, 可以保证电热站系统稳定安全运行。由于 EDI 进水水质要求硬度为 0 ppm, 经过一

段时间的实际运行, 真空压汽蒸馏海水淡化装置

的产水硬度无法满足 EDI 进水要求, 故在后期改

造工程中, 将其产水管路上增设 1 台软化器以实现

EDI 装置的稳定运行。

3　 结语

近几年, 国内各种小型海水淡化装置以其结

构紧凑、 重量轻、 可靠性高、 动力匹配灵活、 建

设周期短等特点被广泛的应用于舰船和采油平台

上, 但是多用于解决柴油机冷却水、 低压锅炉给

水、 船员及旅客的生活用水等, 用作蒸汽动力电

热站补给水处理尚属首例。 在海洋石油 161 采油平

台电热站锅炉补给水处理系统设计过程中, 工程

综合考虑了运行条件、 系统配置、 设备布置、 操

作维护多种因素, 经过较长时间的论证后确定采

用真空压汽蒸馏海水淡化装置。 在此期间也对此

类平台电热站补给水处理工艺系统选择有了一些

思考:(1)反渗透海水淡化工艺因其预处理和后处理

的复杂性, 在采用蒸汽轮机电站机组的 “蜜蜂式”采油平台上适用性不强; 而蒸馏海水淡化工艺则

因其产水品质高、 系统简单、 占地面积小、 维护

方便等特点具有较强的适用性。(2)蒸馏法海水淡化装置产品水 TDS 可以达到

5 ppm 以下, 完全满足平台工业用水和生活水水质

要求。 但是, 要作为蒸汽轮机电热站补给水, 预

防热力设备结垢和腐蚀, 必须进行深度除盐处理。大型火力发电厂一般采用混合离子交换器作为深

度除盐设备, 采油平台则可考虑经济可靠、 维护

简单、 占地较小的连续电除盐(EDI)设备。(3)国内自主研发的小型低温多效蒸馏装置在

传热材料、 关键部件、 制造工艺和外形设计方面

与国外成熟产品还存在较大的差距, 导致设备的

产水水质和水量都无法达标; 而进口真空压汽蒸

馏海水淡化装置技术成熟、 产水稳定、 系统简单、易操作、 便维护, 可作为舰船、 采油平台等海洋

装备的蒸汽轮机电热站补给水处理系统首选工艺。小型海水淡化系统在舰船及海上平台具有广

阔的应用前景, 目前国内技术发展及设备制造仍

处在摸索阶段, 有很多需要改进提高的方面, 这

也是今后工作开展的重点。

参考文献:[1] 王春升 ． “蜜蜂式” 开发边油田方案及技术[ J] ． 中国造船,

2007, 48(4): 232-236

[2] 高从堦, 陈国华 ． 海水淡化技术与工程手册[M] ． 北京: 化

学工业出版社, 2004