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走向海洋钻探和电站的钛

海洋资源钻探

地球上蕴藏的石油有30%以上埋藏于海底之下,大约1300亿吨,把它们开采出来对缓解能源短缺意义重大,海洋底部与地壳中蕴藏着人类将来赖以生存的资源,如何探明它们藏于何处与如何把它们开采出来是人类面临的挑战。

欲探明海底地壳中的资源,就现有的技术来看,首先必须建立平台,海洋平台一般分为两类:底部固定支撑式的和浮式的。近海油田一般深二三十米,远一些的深约100m,可用固定的平台,但是水深增加后,从技术上和经济上来说,则以浮动式的为宜。海洋平台结构庞大,采用钢材是最可取的,没有必要用钛材,尽管钛及钛合金抗海水腐蚀比钢坚强得多。但是海洋平台的闭式循环发动机的冷凝管和换热管、泵、阀、管件应是钛的,在海洋钻探中采用钛合金石油提升管与采油预应力管接头、夹具、配件等在技术上是可行的,经济上是有效益的。

英国北海石油公司平台上热交换器大量采用了热传输钛管,因为纯钛对含硫酸性原油和海水都抗腐蚀,因此油和气的冷却都使用了钛装备。以钛制列管热交换器对刚从井中喷出油-气混合物进行冷却,冷却剂为海水。而在交替间接冷却系统中,先用碳钢热交换器,以淡水为冷却介质冷却原油,再用板式或管式钛热交换器中的海水冷却这些冷却原油的淡水。

在辅助装置中,使用钛制管状压缩冷却器、内冷却器、低压原油冷却器。Ti-l2(Ti-0.3Mo-0.8Ni)合金管抗缝隙腐蚀能力比工业纯钛管的高得多。各种类型泵(深井泵、离心泵)的泵壳和叶轮为钛铸件,石油平台上采用钛阀和钛管件、配件后,维修工作量大大减少。北海油田海流湍急,在长期运行的浮式平台系统中,工作环境恶劣,采用提升管底部与采油井口之间的管接头、夹具及配件。采油提升管的弯曲和挠曲部分均是钛制的,不但使用期限大为延长,而且维护工作量显着减少,取得了较好的经济效益。

钛在海洋电站系统中大显身手

海洋水中蕴藏着用之不竭的热能,钛可在人类开发海洋热能中获得应用,估计2030年以后将在海洋上建设巨型发电厂,摄取海水中的热量,把海面上被太阳晒热的海水热量转化为电力,现在人类有能力建造这种海洋热电厂,据评估,这种热电厂的发电成本比火电厂和原子能电站稍高点,但它是环保的,绿色的。

据计算,一座10万kW海洋热能站需要4个热交换器,每一个热交换器由直径15m的巨大圆柱形壳体组成,壳体长15m,其中密密麻麻装有直径50.8mm、长15m的工业纯钛管10万根,它们的热传输总面积有几个足球场那么大。大型海洋热能转换电站(10MW~40MW)是利用海洋能量如波浪、海流、潮汐、海洋水温差及盐分浓度差等发电的。世界上首座海水温差电站已于上世纪末在中太平洋的瑙鲁共和国投入运转,情况良好。海水温差发电是利用热带海洋水温差来发电的。

海水温差发电有两种:一种开式循环型,以闪速蒸发温海水蒸发推动透平旋转;另一种为闭式循环型,利用温海水把氟氯烷或氨这类低沸点物质的蒸发-凝结循环。

闭式循环由于采用了低沸点介质,可使压力差增大,提高能量密度,因而这种方式得到应用。使用接近海面的被太阳晒得热热的海水使像氨这样的低沸点液体蒸发成气体,经增压后推动透平旋转,带动发电机发电。然后再使用从深海采出的低温海水使驱动透平后的氨气冷凝成液体,再泵回蒸发器中,如此反复循环不已。海洋热能发电采用兰金(Rankine)循环,用海洋表面热水(27℃~33℃)蒸发液态氨,以蒸发的氨驱动透平带动发电机,然后用从深海抽来(450m~900m)的低温(6℃~11℃)海水使氨冷凝为液体。发出的电可上网或直接送给工厂。

瑙鲁海水温差发电站的最大输出功率为120kW,但上网电力为31.5kW,其余的88.5kW为电站自用。这座电站的发电装置用低沸点介质为-40.8℃的氟氯烷R-22(CHCIF2)。其蒸发器及冷凝器的热传输管均为薄壁焊接工业纯钛管。蒸发器及冷凝器总称换热器,由于管内外介质温差不大,总循环效率较低,因此必须做得大大的,同时要求使用期限长达30年以上,还要求维修工作量尽量少,在选择材料时,必须综合考虑材料制造成本和材料的腐蚀性能、磨蚀性能。总之,钛管是综合性能最佳的换热器材料。

滨海电站冷凝器

海滨火电站及核电站均用海水作冷却剂,因此凝汽器最好用薄壁工业纯钛焊管制造,凝汽器是电站关键设备之一。由于日本是岛国,几乎所有的大电厂都用海水作冷却剂,1963年开始试用焊接钛管作插管试验,1969年大面积推广使用。20世纪60年代后期东邦(Toho)钛业公司建成从钛以焊接钛管全流程生产体系,开始生产外径25.4mm、壁厚约0.6mm的焊接-拉伸钛管,1969年钛管壁厚减薄至0.5mm,现在已减至0.45mm,1979年日本研发成世界首台金钛冷凝器,即热传输管与管板都是钛的。目前,日本是全钛冷凝器用得最多的国家,也是出口量最大的国家。钛冷凝器的优点如下:

耐海水和氨的腐蚀。对海水和蒸汽中的氨有很强的抗蚀性,使用寿命长,可超过20年,比黄铜管、铜-镍合金管的长1倍以上或更长。

冷却水的流动速度可提高。钛管表面不会结垢,不会有泥砂、腐蚀物聚积,可以提高水的流动速度,铜-镍管的水流速度为1.8m/s~2.1m/s,而钛管内的流速可达2.7m/s,因而冷却面积可减少30%。

不需要防漏设施,采用非钛冷凝器时,为防止随时可发生的管路泄漏,必须设置防漏设备,而钛冷凝器的运转安全可靠。

热交换特性高。钛的抗蚀性优秀,故钛管壁厚可比铜合金的薄得多。虽然钛的热导率比铜的低,但其热交换能力却比铜的高3%~5%。

节省泵的动力。对于外径相同的管来说,由于所用钛管壁厚比铜合金管的薄,所以钛管内径比铜合金管的大一些,因而泵的动力可省一些。

中国研发冷凝器钛管始于1978年;1981年决定采用国产无缝钛管制的全钛凝汽器;1983年8月,中国第一台无缝钛管全钛凝汽器在台州电厂125MW的2号机组上投入运转,运转情况良好,1985年通过技术鉴定。当前,中国建在海滨以海水作为冷却剂的热电厂和核电站的凝汽器都用上了焊接钛管,但遗憾的是,所用钛管大都是从日本、美国、法国、英国等进口的,20多年来每年的进口量平均在250吨以上。

 
发布时间:2020/9/14 已被阅读976次

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