走向海洋钻探和电站的钛(一)

  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。

链接:走向海洋钻探和电站的钛(二)