浮式生產(chǎn)儲油輪鍋爐及惰氣系統(tǒng)整合利用

馬杰（中海石油（中國）有限公司曹妃甸作業(yè)公司）

1 現(xiàn)狀

針對深入的海上油氣田開發(fā)，浮式生產(chǎn)儲油輪（下稱FPSO）已被廣泛應(yīng)用，尤其對于遠海油田，其為經(jīng)濟和安全的首選方案。FPSO上最重要的一個功能為存儲已處理合格的原油。為避免混合性爆炸氣體的艙室內(nèi)的聚集，原油存儲艙室內(nèi)需進行惰性氣體覆蓋。惰氣發(fā)生裝置隨即成為FPSO上不可或缺的設(shè)備[1]。

惰氣發(fā)生系統(tǒng)主要利用柴油作為原料，通過柴油泵打入燃燒室內(nèi)，與空氣混合燃燒，所產(chǎn)生的氣體通過風機加壓，文丘里管冷卻后進入各艙室內(nèi)進行惰氣覆蓋。

此文旨在開發(fā)一種惰氣替代及輸送的方式，替代柴油燃燒工藝，并保證此系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，以適應(yīng)海上油田生產(chǎn)存儲需要的同時，減少柴油消耗及溫室系統(tǒng)排放量[2]。

2 研究方案

針對覆蓋氣所需要的惰性氣體，海上生產(chǎn)模塊有多個設(shè)備可以產(chǎn)生類似氣體，如發(fā)電動機系統(tǒng)（為油田提供電力）、熱介質(zhì)鍋爐系統(tǒng)（為油田提供熱能）等。但其系統(tǒng)均相對獨立，為能有效利用電站或熱站所產(chǎn)生的惰性氣體（以下以熱介質(zhì)鍋爐尾氣引入為方向），必須將兩個系統(tǒng)進行有效連接，其中需要解決的問題主要有：工藝對接，引入惰性氣體至相關(guān)氣體增壓設(shè)備；排氣方式變化不能影響熱介質(zhì)鍋爐運行；出口含氧必須控制在下艙要求的低于5%的要求；熱介質(zhì)鍋爐不同季節(jié)的負荷變化帶來的尾氣量變化；鍋爐不穩(wěn)定燃燒時產(chǎn)生的CO等可燃氣體；一旦尾氣增壓系統(tǒng)停運，鍋爐尾氣排放需要及時切換至其他通路。

3 開發(fā)方案

3.1 工藝系統(tǒng)

連接鍋爐至文丘里冷卻器[3]（可利用原惰氣系統(tǒng)輔助冷卻器，需核算換熱量是否滿足）工藝管路。改在完成后，鍋爐產(chǎn)生尾氣，進入冷卻器冷卻，通過增壓風機增壓后進入大艙做為覆蓋氣。增加兩路電動控制閥用于在熱介質(zhì)鍋爐尾氣流程下游發(fā)生故障時進行閥門切換，以保證鍋爐尾氣可以順利排放至大氣，穩(wěn)定鍋爐運行。具體工藝如圖1。

3.2 控制系統(tǒng)

為保證鍋爐產(chǎn)生尾氣量達標，需在鍋爐尾氣出口增加含氧分析儀，對尾氣含氧量進行實時動態(tài)檢測。并將信號引入鍋爐燃燒控制系統(tǒng)，做為輔助參數(shù)參與鍋爐燃料及空氣混燃比計算，在保證鍋爐出口含氧量達標的同時，亦能最大限度提高鍋爐燃燒效率，節(jié)省燃料。

圖1 浮式生產(chǎn)儲油平臺鍋爐工藝流程

為解決惰氣系統(tǒng)風機排量（原惰氣系統(tǒng)輔助設(shè)備）與鍋爐尾氣產(chǎn)生量（不一致的問題，需要對惰氣增壓系統(tǒng)進行排量控制，以達到兩個系統(tǒng)之間的匹配?？尚械姆绞接泄?jié)流及調(diào)速兩種方式。為減少投資，可采用節(jié)流方式對風機進行限流。通過風機前后截止閥開度控制，達到調(diào)節(jié)流量的目的。該技術(shù)方案實施后，可一定程度穩(wěn)定鍋爐燃燒，避免了鍋爐燃燒狀態(tài)受到影響而導致的O2和CO含量變化。但其會有如下問題：風機長期欠載運行，扇葉散熱欠佳，溫度升高、振動增加，極易造成風機軸承損壞；節(jié)流閥后工藝真空度高，各法蘭密封處存在滲漏，導致惰氣O2含量高于熱介質(zhì)鍋爐排煙O2含量[4]。采用變頻調(diào)速方式可將原定頻電動機更換為變頻電動機，增加適應(yīng)容量的變頻器，并改造電氣控制系統(tǒng)，將原Y-Δ啟動（或工頻直起）[5]、定頻運行方式改為變頻啟動和運行方式[5]。使電動機頻率可在30～50 Hz調(diào)節(jié)，從而達到調(diào)節(jié)流量范圍，滿足工藝需求的目的。采用此方式可以完全解決兩個系統(tǒng)之間的匹配問題，且對設(shè)備運行效率，可靠性均帶來優(yōu)勢。

3.3 保護系統(tǒng)

考慮到增壓風機入口負壓較高可能對爐膛內(nèi)壓力產(chǎn)生的影響，針對鍋爐膛壓不足，火焰狀態(tài)不穩(wěn)的情況，在排煙口處可加入耐高溫、微壓型變送器，信號接入中控系統(tǒng)，實時監(jiān)控報警，保證鍋爐膛壓。

為加強對變頻增加風機的實時監(jiān)控，在電動機側(cè)和風機側(cè)分別引入振動和溫度傳感器，與電動機控制回路連鎖，在高振和高溫情況下關(guān)停風機，并與就地控制系統(tǒng)或集散控制系統(tǒng)連鎖報警，并提示操作員。

其次，為保證系統(tǒng)運行安全，針對鍋爐可能不充分燃燒導致尾氣中出現(xiàn)的CH4/CO，在文丘里冷卻器后，接入實時氣體采樣分析系統(tǒng)，可對CH4/CO/O2實時采樣分析[6]，接入中控應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)報警，并連鎖惰氣系統(tǒng)停機。

4 結(jié)論

此類型的惰氣系統(tǒng)供氣方式，已在中海石油（中國）有限公司HYSY112浮式生產(chǎn)儲油裝置應(yīng)用，運行穩(wěn)定，依據(jù)經(jīng)驗，每外輸1 m3原油，可節(jié)省柴油消耗0.000 2 m3，減少CO2排放0.000 6 t，對于年產(chǎn)千萬噸的大型油田，每年可節(jié)省柴油費用1.6億，溫室氣體排放6×104t。每年節(jié)省柴油300 m3，減少作業(yè)成本約360萬元/a，減少CO2氣體排放900 t/a，經(jīng)濟價值客觀，環(huán)保價值巨大。且此方案可適用于所有海上具有生產(chǎn)及儲油功能的油氣田，惰氣的引入可以選擇各種類型的內(nèi)燃設(shè)備，只需要對引入系統(tǒng)的背壓、供氣量、含氧量進行監(jiān)控和調(diào)節(jié)，實施后可大幅節(jié)省柴油消耗，并為藍色地球做出貢獻。