氮?dú)獯祾呒夹g(shù)在渤海友誼號(hào)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置上的應(yīng)用

曹葛軍 姜 安 劉建華 寧永庚 王海捷 岳志峰 劉軍義 孫一閣 林建軍

(中海石油(中國)有限公司天津分公司)

渤海友誼號(hào)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置(FPSO)用于匯集、處理渤中28-1油氣田、渤中34油田群及渤中26-2油田的井產(chǎn)物流,處理合格的原油通過該FPSO在海上直接外輸。為防止停輸后原油在外輸漂浮軟管內(nèi)凝固,原設(shè)計(jì)方案為在每次原油外輸作業(yè)結(jié)束后用70 m3的柴油對(duì)外輸漂浮軟管內(nèi)原油進(jìn)行吹掃、置換,年消耗柴油約2300 m3,增加成本約1000多萬元。為降低油田操作成本,實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗、環(huán)保的目標(biāo),充分利用現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備資源,對(duì)外輸系統(tǒng)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造,新增了氮?dú)獍l(fā)生裝置等設(shè)備,采用氮?dú)馓娲裼瓦M(jìn)行外輸作業(yè)后軟管內(nèi)存油的吹掃、置換。氮?dú)獯祾呒夹g(shù)在渤海友誼號(hào)FPSO的應(yīng)用,不僅大大降低了操作成本,而且提高了生產(chǎn)的安全性,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了海上油氣生產(chǎn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。

1 技術(shù)改造

1.1 外輸作業(yè)結(jié)束后漂浮軟管工作狀態(tài)分析

FPSO上的外輸軟管通常只在外輸原油作業(yè)時(shí)才使用。輸油作業(yè)結(jié)束后渤海友誼號(hào)FPSO船尾一端的外輸管線高出海平面約10 m,提油輪一端的外輸軟管高出海面約5 m,漂浮在海面的軟管長約200 m,形成一個(gè)U字形管(圖1)。該U字形管內(nèi)原油很難清除干凈,在寒冷的天氣條件(0℃)下可能結(jié)蠟,造成管線堵塞,嚴(yán)重時(shí)可影響下一船油的外輸,因此對(duì)該段軟管進(jìn)行維護(hù)至關(guān)重要。

圖1 外輸作業(yè)結(jié)束后渤海友誼號(hào)FPSO漂浮軟管工作狀態(tài)

1.2 氮?dú)庥米鞑裼吞娲橘|(zhì)的理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

停輸后U字形輸油管線中存在大量原油和少量可燃?xì)怏w,一般用柴油對(duì)其進(jìn)行吹掃、置換,但存在浪費(fèi)資源、操作成本高等問題。氮?dú)馐且环N惰性氣體,在平常狀態(tài)下不易與其它物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將氮?dú)庥米鞑裼偷奶鎿Q介質(zhì)在驅(qū)替原油過程安全風(fēng)險(xiǎn)很小,但是氮?dú)獾牧鲃?dòng)性較原油強(qiáng)的多,很容易導(dǎo)致氣竄現(xiàn)象,影響原油的吹掃、置換效果,因此管線內(nèi)必須具備足夠大的氣體流量和壓力才能保證作業(yè)效果。

管內(nèi)氣體的流量和壓力需通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn)確定。根據(jù)Orkiszew ski流型分析結(jié)論,段塞流是管中兩相流中舉升效率最高的流型[1]。為了確保用氮?dú)庵脫Q原油過程中管中流體流態(tài)為段塞流,根據(jù)氮?dú)庀嚓P(guān)性質(zhì)、外輸原油特征、漂浮軟管直徑和管內(nèi)滯留流體量,采用 O rkiszew ski計(jì)算方法[1-2]對(duì)吹掃、置換作業(yè)中的氮?dú)庑枨罅窟M(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算參數(shù)取值結(jié)果見表1。

表1 用Orkiszewski方法計(jì)算吹掃、置換作業(yè)氮?dú)庑枨罅克鑵?shù)取值

經(jīng)過計(jì)算,氮?dú)饬魉贋?000 m3/h時(shí)可滿足段塞流形成的條件。為確保應(yīng)用效果,又在渤海友誼號(hào)FPSO上進(jìn)行了氮?dú)饽M吹掃試驗(yàn):利用壓縮空氣和軟管模擬外輸軟管的狀態(tài),進(jìn)行空氣吹掃管中水試驗(yàn);模擬試驗(yàn)軟管內(nèi)徑為152.4 mm,管兩端高度分別為10 m和5 m,水平段長度為30 m;試驗(yàn)用的供氣管線內(nèi)徑為25.4 mm,空氣入口壓力為0.7 M Pa,空氣流量為300 m3/h。在上述條件下,經(jīng)過30 min空氣吹掃,可將軟管中水吹掃出95%。

結(jié)合理論計(jì)算與模擬試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氮?dú)獯祾咚褂迷O(shè)備和管線的參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)核算,提出了相應(yīng)的氮?dú)庀到y(tǒng)改造方案;在滿足安全要求的前提下,該方案兼顧了改造費(fèi)用最低和氮?dú)獯祾咝Ч^好的關(guān)系。

(1)氮?dú)鈨?chǔ)存罐安裝位置與操作條件。為實(shí)現(xiàn)氮?dú)獯祾?、置換的最佳效果(減小管輸壓降),將氮?dú)鈨?chǔ)存罐設(shè)計(jì)安裝在FPSO艉部,使氮?dú)鈨?chǔ)存罐的出口盡量靠近外輸漂浮軟管入口;考慮到FPSO左舷主甲板現(xiàn)場(chǎng)通過能力的限制,采用2個(gè)2.5 m3氮?dú)鈨?chǔ)存罐,氮?dú)鈨?chǔ)存罐的設(shè)計(jì)壓力為2.0MPa,正常操作壓力為1.5 M Pa、試驗(yàn)壓力為1.65 M Pa。

(2)氮?dú)獯祾呒夹g(shù)。該方案采用爆破式吹掃技術(shù),可使氮?dú)獯祾咚俣冗_(dá)到2000 m3/h以上。

(3)安全標(biāo)準(zhǔn)。新增的氮?dú)庋b置、管線、閥門、氮?dú)鈨?chǔ)存罐及附件均符合ANSI150LB標(biāo)準(zhǔn)。

(4)氮?dú)庀到y(tǒng)功能優(yōu)化。為充分發(fā)揮氮?dú)獍l(fā)生裝置的使用功能,不僅對(duì)外輸軟管吹掃、置換采用了氮?dú)?而且對(duì)日常工藝系統(tǒng)(特別是工藝管線、壓力容器)也進(jìn)行了氮化處理,將氮?dú)庾鳛楣に嚬芫€、壓力容器的惰化介質(zhì),減少了氮?dú)馄康氖褂昧?降低了氮?dú)馄吭诂F(xiàn)場(chǎng)存放的風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也節(jié)省了氮?dú)馄康馁M(fèi)用[3]。

2 安全可靠性分析

(1)外輸軟管原油替換速度為490 m3/h,一般3萬噸提油輪的受油速度可達(dá)到3000 m3/h,因此本置換作業(yè)對(duì)提油輪沒有任何危險(xiǎn)。

(2)本置換作業(yè)吹掃氮?dú)馑俣冗_(dá)2100 m3/h(70 m3氮?dú)? min吹掃完畢),3萬噸提油輪受氣能力為4000 m3/h,因此本置換作業(yè)不會(huì)影響提油輪艙室安全。

(3)渤海友誼號(hào)FPSO上氮?dú)獍l(fā)生裝置的氮?dú)猱a(chǎn)量為100 m3/h時(shí),所產(chǎn)氮?dú)赓|(zhì)量可以達(dá)到純度≥95%;在氮?dú)猱a(chǎn)量低于100 m3/h時(shí),所產(chǎn)氮?dú)赓|(zhì)量可以達(dá)到純度≥97%,因此,完全滿足氮?dú)獯祾咄廨敼芫€對(duì)純度的要求。

3 氮?dú)庀到y(tǒng)操作流程設(shè)計(jì)

為了提高外輸管線氮?dú)獯祾?、置換效率,節(jié)省外輸時(shí)間,在作業(yè)前數(shù)小時(shí)提前啟動(dòng)氮?dú)獍l(fā)生裝置制氮,這樣在氮?dú)獍l(fā)生裝置運(yùn)轉(zhuǎn)約50 min時(shí)即可將2個(gè)氮?dú)鈨?chǔ)存罐內(nèi)的氮?dú)獬鋲旱?.5 M Pa,且可使壓力保持在1.3～1.4 M Pa之間備用;完成原油外輸作業(yè)后,提油輪在導(dǎo)通流程后通知渤海友誼號(hào)FPSO上的操作人員打開氮?dú)庾⑷腴y門即可進(jìn)行氮?dú)獯祾摺⒅脫Q(正常情況下每次輸油后對(duì)外輸軟管置換一次即可)。渤海友誼號(hào)FPSO氮?dú)庀到y(tǒng)操作流程設(shè)計(jì)如下:

(1)在 FPSO右舷184～178號(hào)肋骨上安裝氮?dú)獍l(fā)生裝置。由于受到現(xiàn)場(chǎng)空間、吊車能力的限制,氮?dú)獍l(fā)生裝置集裝箱平面尺寸控制在4500 mm×3000 mm,整體重量控制在4.5 t以內(nèi)。

(2)在氮?dú)獍l(fā)生裝置出口新增一路氮?dú)廨敵龉芫€連接到計(jì)量橇塊軟管站處,供工藝系統(tǒng)流程容器及管線氮化使用。氮?dú)庀到y(tǒng)改造流程圖如圖2所示。

(3)所有氮?dú)膺B接管線、附件(壓力表、安全閥)、氮?dú)鈨?chǔ)存罐及閥門的選材、制作及現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試、試壓全部執(zhí)行 ANSI 150LB要求。

圖2 渤海友誼號(hào)FPSO氮?dú)庋b置改造流程圖(紅色虛線為新增管線)

4 應(yīng)用效果與經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

(1)由于充分利用了渤海友誼號(hào)FPSO現(xiàn)有資源,本次外輸軟管置換系統(tǒng)改造的成本較低,整套設(shè)備購置費(fèi)用與安裝改造費(fèi)用共計(jì)60萬元。

(2)每次外輸漂浮軟管置換使用柴油約在70 m3(約合58.5 t),若按6500元/t計(jì)算,每次柴油置換所需費(fèi)用約為38萬元。2008年渤海友誼號(hào)FPSO共外輸33船原油,用氮?dú)馓娲裼椭脫Q管中原油約節(jié)省柴油2310 m3,折合費(fèi)用約為1250萬元,經(jīng)濟(jì)效益相當(dāng)明顯。

(3)采用氮?dú)獯祾呒夹g(shù)明顯提高了外輸速率,也縮短了外輸時(shí)間。據(jù)統(tǒng)計(jì),每次外輸結(jié)束后提油輪的離泊時(shí)間比用柴油置換時(shí)約節(jié)省1 h,這意味著降低了提油輪、拖船等設(shè)施的油耗及費(fèi)用。

(4)本次改造結(jié)束了渤海友誼號(hào)FPSO使用氮?dú)馄康臍v史,同時(shí)節(jié)省了瓶裝氮?dú)獾牟少?、運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用。

5 結(jié)束語

氮?dú)獯祾呒夹g(shù)在渤海友誼號(hào) FPSO的成功應(yīng)用,說明用氮?dú)馓娲裼痛祾摺⒅脫Q外輸軟管內(nèi)原油的工藝技術(shù)是可行的,也是安全的。采用氮?dú)獯祾呒夹g(shù)不僅提高了海上原油外輸作業(yè)的安全性,而且降低了海洋環(huán)境污染的隱患,也進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了海上油氣生產(chǎn)節(jié)能降耗、環(huán)保的目標(biāo)。需要提醒的是,采用氮?dú)獯祾呒夹g(shù)時(shí)必須要根據(jù)油田自身特點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)調(diào)整,切不可原版照搬。

[1] 李穎川.采油工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2002.

[2] 萬仁薄.采油工程手冊(cè)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000.

[3] 佚名.采用碳分子篩變壓吸附生產(chǎn)氮?dú)鈁J].謝開明,譯.航氧科技,1995(1).