大容量制氮裝置在FPSO惰氣系統(tǒng)上的應用研究

肖玉華 范江濤

（中海油能源發(fā)展采油服務公司渤中FPSO作業(yè)公司，天津塘沽，郵編：300457）

1.0 前言

為了優(yōu)化FPSO惰氣系統(tǒng)傳統(tǒng)的設計理念，提高FPSO節(jié)能降耗技術，響應國家和總公司節(jié)能減排號召，提出“大容量制氮裝置在FPSO惰氣系統(tǒng)上的應用研究”的課題，針對5～6萬噸級的FPSO進行大容量制氮裝置的應用與研究，采用大容量制氮裝置技術代替現(xiàn)在燃燒方式制惰技術，以打造節(jié)能環(huán)保型FPSO。

服役于渤海的7條FPSO有3條6萬噸、3條16萬噸級和1條30萬噸級組成。6萬噸級的有友誼號、長青號（海洋石油 102）、明珠號（海洋石油 105），16萬噸級的有世紀號、海洋石油112、海洋石油113，30萬噸級的是海洋石油117（蓬勃號）。根據(jù)調(diào)查在外輸期間各噸位FPSO使用惰氣時柴油的消耗量如下:

FPSO名稱 噸位T 外輸量/h 消耗柴油/次均年外輸船次 年耗油量明珠號 6萬 3000 M3 4.5T 70次 315T海洋石油112 16萬 5000 M3 5.75T 50次 287T海洋石油113 16萬 5000 M3 6.5T 35次 227.5T

現(xiàn)運行的FPSO使用惰氣系統(tǒng)時要根據(jù)油田的伴生氣情況確定是否能使用天然氣作為燃料產(chǎn)生惰氣，海洋石油113的惰氣系統(tǒng)是柴油/天然氣雙燃料系統(tǒng)，但由于天然氣的產(chǎn)量問題，一直使用柴油運行。早期的三條6萬噸級的FPSO都使用柴油和鍋爐尾氣補燃方式進行制惰，鍋爐尾氣進行補燃需要添加新鮮空氣將尾氣的含氧量提高到16%以上才能進行補燃方式，所以節(jié)能效果不明顯。

現(xiàn)在海上油品運輸船和FPSO普遍采用如下：

方式 惰氣來源 成 分 處理方法 優(yōu) 點 缺 點惰氣發(fā)生器 燃燒方式 氮氣，氧氣，二氧化碳，二氧化硫，灰塵等氧氣:≤3%利用燃料進行制惰，經(jīng)濟=性差煙氣式惰性氣體系統(tǒng)燃燒，冷卻，洗滌，脫硫，最后產(chǎn)生含氧量低于3%的惰性氣體 效率高氧氣:≤5%受制于鍋爐的運行狀況制氮系統(tǒng) 空氣 氮氣 壓縮，凈化，吸附（過濾），減壓產(chǎn)生純度達99.99%氮氣鍋爐燃燒產(chǎn)生的煙氣氮氣，氧氣，二氧化碳，二氧化硫，灰塵等冷卻，洗滌，脫硫，最后產(chǎn)生含氧量低于5%的惰性氣體有效的利用鍋爐廢氣，使用成本低運行靈活，氮氣純度可高達99.99%氧氣:≤3%空氮比較高，空氣利用率低

2.0 制氮技術研究

隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，氮氣在化工、電子、冶金、食品、機械等領域獲得了廣泛的應用，我國對氮氣的需求量每年以大于8%的速度增加。氮氣的化學性質(zhì)不活潑，在平常的狀態(tài)下表現(xiàn)為很大的惰性，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學反應。因此，氮氣在冶金工業(yè)、電子工業(yè)、化工工業(yè)中廣泛的用來作為保護氣和密封氣，一般保護氣的純度要求為99.99%，有的要求99.998%以上的高純氮。液氮是一個較方便的冷源，在食品工業(yè)、醫(yī)療事業(yè)以及畜牧業(yè)的精液貯藏等方面得到越來越普遍的應用。在化肥工業(yè)生產(chǎn)合成氨時，合成氨的原料氣—氫、氮混合氣若用純液氮洗滌精制，可使惰性氣體的含量極微小，一氧化硫和氧的含量不超過20ppm。

純凈的氮氣無法從自然界直接汲取，主要是采用空氣分離法?？諝夥蛛x法中包括：深冷法、變壓吸附法(PSA)、膜分離法等技術。我們常用的有后面兩種，下面就這兩種種制氮技術進行介紹和比較：

2.1 膜分離技術的研究

1)膜分離技術現(xiàn)狀

膜制氮與變壓吸附制氮技術應用廣泛，半個世紀以來，膜分離完成了從實驗室到大規(guī)模工業(yè)應用的轉(zhuǎn)變，成為一項高效節(jié)能的新型分離技術。從20世紀初期開始，差不多每10 a就有l(wèi)項新的膜過程在工業(yè)上得到應用。變壓吸附制氮技術遠遠早于膜分離制氮技術的發(fā)展，相對技術更加成熟。由于膜分離技術本身具有的優(yōu)越性能，故膜過程現(xiàn)在已經(jīng)得到世界各國的普遍重視。在能源緊張、資源短缺、生態(tài)環(huán)境惡化的今天，產(chǎn)業(yè)界和科技界把膜分離過程視為2l世紀工業(yè)技術改造中的一項極為重要的新技術。曾有專家指出：誰掌握了膜技術誰就掌握了化學工業(yè)的明天。這一潛力巨大的新興行業(yè)正在以蓬勃的激情挑戰(zhàn)市場，同時也帶動了變壓吸附制氮技術的快速發(fā)展，為眾多的企業(yè)帶來了較為顯著的經(jīng)濟效益、社會效益和環(huán)境效益。

20世紀80年代初我國膜技術跨入應用階段，同時也是新膜過程的開發(fā)階段，從這個階段開始膜分離制氮技術和變壓吸附制氮技術同時引人煤炭領域。2種不同性質(zhì)的制氮技術被運用于煤礦開采的防滅火工藝，得到迅速發(fā)展和運用。經(jīng)歷20多年的發(fā)展和改進，膜分離制氮技術和變壓吸附制氮技術及其它們的裝備日趨完善、規(guī)范。

2)技術特性

膜分離技術過程是一個高效、環(huán)保的分離過程，它是多學科交叉的高新技術，它在物理、化學和生物性質(zhì)上可呈現(xiàn)出各種各樣的特性，具有較多的優(yōu)勢。

這種良好的性能優(yōu)勢被移植到膜分離制氮裝置上，使得這種裝置制氮在分離過程中分離效果高，過程中所消耗能量低，自動化程度高，它可以在接近室溫的溫度下穩(wěn)定運行，成品品質(zhì)穩(wěn)定性好，可以連續(xù)化操作，靈活性強，整個制作過程完全為純物理過程。膜的種類很多，中空纖維膜最適用于煤礦。

制氮設備，主要來自美國的普利森和捷能及日本的宇部。從特性上來看，目前市場上的膜分離制氮裝置設備可分為2種類型，一種為電加熱制氮，一種為汽加熱制氮。膜的特性決定了它的性能工況與溫度有密切關系，性能工況一般在45～50℃為最佳。也就是說當壓縮機提供的常溫并經(jīng)過預處理后得到的潔凈壓縮氣體，必須經(jīng)過預加熱至45～50℃后再經(jīng)過膜組，才能產(chǎn)生最佳的產(chǎn)氣效果。對整套設備電加熱制氮自動化程度比較高，不足之處在于維護繁瑣、耗能高；汽加熱制氮相對自動化程度要低一些，設備初期調(diào)試需要手動處理，但它的優(yōu)點在于節(jié)能耗、免維護、使用壽命長。不足之處在于結構稍復雜一些。從防爆要求上也可分2類，一類是采用純電器隔爆控制箱控制制氮設備的運行，另一類是采用電器和氣控組合的隔爆控制箱控制制氮設備的運行。采用純電器隔爆控制箱控制設備運行時結構配套比較復雜，既需要安裝有各種電器的隔爆控制箱，還需要再隔爆控制箱外另配相應的隔爆流量計、電磁閥。況且目前沒有太合適的隔爆流量計、電磁閥相匹配，給使用造成諸多不便。采用電器和氣控組合的隔爆控制箱控制制氮設備的運行，就彌補了這些弊端。首先，可以把流量計、電磁閥和其它電器控制元件組合，安裝在隔爆控制箱內(nèi)，用帶壓氣體經(jīng)過隔爆控制箱來控制流量計、電磁閥及其它電器元件的工作，避免了采用純電器隔爆控制箱控制制氮設備時帶來的弊端。

3)結構原理

膜分離制氮裝置結構上由空氣壓縮機供氣系統(tǒng)、空氣預處理系統(tǒng)、膜分離系統(tǒng)及控制系統(tǒng)四部分組成?？諝鈮嚎s機供氣系統(tǒng)由符合井下防爆要求的可移動式螺桿壓縮機組成，它可以為預處理系統(tǒng)提供1個均壓無脈沖的空氣源，且壓力大小可以調(diào)整。空氣預處理系統(tǒng)由多級過濾器和螺旋板換熱器組成，其功能在于利用多級不同性能的過濾器迅速過濾壓縮氣體，除掉壓縮空氣中的油分和水分及雜質(zhì)，并通過螺旋板換熱器迅速將潔凈的氣體預熱至目標溫度。膜分離系統(tǒng)這是整套裝置的核心，膜的組成設中空纖維，所以對氣體的品質(zhì)要求比較高，因此空氣的過濾效果、預熱溫度的目標值直接影響膜的產(chǎn)氣效果和壽命。控制系統(tǒng)由氣動閥類、流量計、電子元件防爆箱等組成，它主要是控制整套設備的正常運行。這4部分系統(tǒng)分體組裝在礦用平板車上，前3部分系統(tǒng)之間以高壓膠管相連，構成一整套膜分離制氮裝置。

提供以大氣壓空氣源，經(jīng)過空氣預處理系統(tǒng)的多級過濾、預熱后提供1個潔凈壓力氣源，這潔凈的壓力氣源經(jīng)過膜組件的物理過程產(chǎn)生標準的成品氣。成品氣的產(chǎn)生及不合格廢棄的排空均有自動控制。

4)應用

膜分離制氮與變壓吸附制氮在煤礦的防滅火工作中應用極其廣泛，兩者在使用方式上各有側重點。膜分離制氮裝置產(chǎn)氣量在100～1200m3／h范圍內(nèi)的設備一般偏重在井下使用，這有它的設計、制造前提、結構特點所決定，而且使用操作簡單、維護保養(yǎng)量少和運輸方面都非常方便。在井下使用膜分離制氮裝置的優(yōu)點在于近距離控制綜采綜放工作面的各種隱患，發(fā)現(xiàn)問題可以迅速作出反應，其氮氣輸出壓力高，可以節(jié)省大量的輸送管線，不足之處在于產(chǎn)生一定的環(huán)境噪音。膜分離制氮裝置在東三省各大礦務局應用非常廣泛，它對綜采綜放工作面的防滅火起著很重要的作用。尤其以阜新礦務局的使用及效果最為突出，從早期的1995年開始使用產(chǎn)氣量300m3／h，到現(xiàn)在使用產(chǎn)氣量 l000m3／h 膜分離制氮裝置，前后有20多臺設備在阜新礦務局的各礦井服役使用。膜分離制氮裝置也有部分使用在地面礦井，例如：淮南新集礦務局、沈陽礦務局目前都有礦井在地面使用膜分離制氮裝置。

2.2 變壓吸附技術PSA

變壓吸附(PSA)技術是一種低能耗的氣體分離技術。變壓吸附制氮技術工藝所要求的壓力一般在0.1～2.5MPa，允許壓力變化范圍較寬，變壓吸附(PSA)裝置可獲得高純度的產(chǎn)品氣；且工藝流程簡單，無需復雜的預處理系統(tǒng)，一步或兩步可實現(xiàn)多種氣體的分離，它可處理各種組成復雜的氣源，對水、硫化物、氨、烴類等雜質(zhì)有較強的承受能力；變壓吸附（PSA）裝置的運行由計算機自動控制，裝置自動化程度高，操作方便，裝置啟動后短時間內(nèi)即可投人正常運行，輸出合格產(chǎn)品。

現(xiàn)在在工業(yè)系統(tǒng)中普遍采用的制氮技術之一，PSA變壓吸附空分制氮 (簡稱P.S.A制氮)是一種先進的氣體分離技術，以優(yōu)質(zhì)進口碳分子篩（CMS）為吸附劑，采用常溫下變壓吸附原理（PSA）分離空氣制取高純度的氮氣。

氧、氮兩種氣體分子在分子篩表面上的擴散速率不同，直徑較小的氣體分子（O2）擴散速率較快，較多的進入碳分子篩微孔，直徑較大的氣體分子（N2）擴散速率較慢，進入碳分子篩微孔較少。利用碳分子篩對氮和氧的這種選擇吸附性差異，導致短時間內(nèi)氧在吸附相富集，氮在氣體相富集，如此氧氮分離，在PSA條件下得到氣相富集物氮氣。 碳分子篩對氧和氮在不同壓力下某一時間內(nèi)吸附量的變化差異曲線：

一段時間后，分子篩對氧的吸附達到平衡，根據(jù)碳分子篩在不同壓力下對吸附氣體的吸附量不同的特性，降低壓力使碳分子篩解除對氧的吸附，這一過程為再生。根據(jù)再生壓力的不同，可分為真空再生和常壓再生。常壓再生利于分子篩的徹底再生，易于獲得高純度氣體。變壓吸附制氮機（簡稱PSA制氮機）是按變壓吸附技術設計、制造的氮氣發(fā)生設備。通常使用兩吸附塔并聯(lián)，由全自動控制系統(tǒng)按特定可編程序嚴格控制時序，交替進行加壓吸附和解壓再生，完成氮氧分離，獲得所需高純度的氮氣。

變壓吸附制氮以其啟動快-低能耗、操作簡單、負荷運轉(zhuǎn)調(diào)整范圍大等特點，已經(jīng)得到廣泛應用。在不需要高純氮的場合，如LNG、化學品運輸船等領域使用越來越多。隨著變壓吸附制氮越來越多的使用，需要對變壓吸附制氮的穩(wěn)定性連續(xù)性提出了一些要求，穩(wěn)定性問題由下面兩方面組成：

*產(chǎn)量和純度的穩(wěn)定性

使用分子篩的質(zhì)量占據(jù)主要地位。分子篩是變壓吸附的核心，分子篩性能優(yōu)略和使用壽命的長短對產(chǎn)量和純度的穩(wěn)定性影響是相當直接的。

閥門頻繁切換，密封圈的使用壽命等對產(chǎn)量和純度的穩(wěn)定性也有影響。不管是國產(chǎn)閥門或者中外合資的閥門都存在一個穩(wěn)定性的問題,。即便是原裝進口的閥門在這樣頻繁切換使用的環(huán)境里也有一個穩(wěn)定性的問題。

裝備設計水平，比如吸附塔的結構設計，也是影響分子篩的使用效果，影響產(chǎn)量和純度的穩(wěn)定性影響至關重要的一個因素。

吸附塔是變壓吸附制氮機的關鍵部件，在吸附塔的結構設計中，保證高效和長壽是兩大目標。

*裝置運行的穩(wěn)定性

裝置運行的穩(wěn)定性對供貨商來說是靠程控系統(tǒng)和裝備質(zhì)量來保證的，對用戶來說則是靠正確的操作和維護保養(yǎng)來決定的。

程控系統(tǒng)都采用PLC控制，國內(nèi)這方面程控軟硬件做的已經(jīng)很成功，應用也非常普及廣泛，這方面已經(jīng)沒有太多的問題。

“消噪”處理的好壞對穩(wěn)定性也有影響。有效的“消噪”處理，可以減輕設備和管道的振動，有助于提高裝置運行的穩(wěn)定性。噪音要低于國家標準。

采用吸附塔數(shù)量的多少實際上也是一個工藝裝備水平衡量的標志，采用兩塔流程。兩塔流程工藝簡單，操作方便，設備數(shù)量少，投資低，長期運行成本也低，當然是一種首選的流程方案。

1)工藝流程簡介

空氣經(jīng)空氣過濾器清除灰塵和機械雜質(zhì)后進入空氣壓縮機，壓縮至所需壓力，經(jīng)嚴格的除油、除水、除塵凈化處理，輸出潔凈的壓縮空氣，目的是確保吸附塔內(nèi)的分子篩的使用壽命。裝有碳分子的吸附塔共有兩個，一個塔工作時，另一個塔在減壓脫附。潔凈空氣進入工作吸附塔，經(jīng)過分子篩時氧、二氧化碳和水被其吸附，流至出口閥的氣體便是氮氣及微量的氫和氧。另一塔（脫附塔）使已吸附的的氧氣、二氧化碳和水從分子篩的微孔脫離排至大氣中，這樣兩塔輪流進行，完成氮氧分離連續(xù)輸出氮氣，見圖二。變壓吸附制取的氮氣純度為95%～99.9%，如果需要更高純度的氮氣需增加氮氣凈化設備。變壓吸附制氮機輸出的95%～99.9%氮氣進入氮氣凈化設備，同時通過一流量計添加適量的氫氣，在凈化設備的除氧塔中氫和氮氣中的微量氧進行催化反應，已除去氧然后經(jīng)水冷凝器冷卻，汽水分離器除水，再通過干燥器深度干燥（兩個吸附干燥塔交替使用，一個吸附干燥除水，另一個加熱脫附排水），得到高純氮氣，此時的氮氣純度可達99.9995%，見圖三。目前國內(nèi)變壓吸附制氮最大的生產(chǎn)能力為3000m3n/h.

圖2 變壓吸附氮的工藝流程簡圖

圖3 氮氣凈化工藝流程簡圖

3.0 制氮技術分析

3.1 兩種技術比較

變壓吸附制氮PSA的可以大規(guī)模的，對周圍環(huán)境要求交低，氣量可以很大，純度可以很高，變壓吸附制氮流程簡單，設備數(shù)量少，主要設備僅有空壓機、空氣干燥器、吸附制氮機和儲氣罐等，和膜制氮技術膜制氮，快速，但是純度只能在95%，氣量受限制，相對于PSA的更容易壞.從裝置規(guī)模上比較，由大到小，可按變壓吸附、膜法制氮選擇。也就是說，變壓吸附針對中型、膜法針對小型。從氮氣純度上也是變壓吸附其次是膜法，其他方面的比較如下：

1)流程比較

從以上的論述中我們可以發(fā)現(xiàn)：變壓吸附制氮流程簡單，設備數(shù)量少，主要設備僅有空壓機、空氣干燥器、吸附制氮機和儲氣罐等，膜制氮基本也包括以上設備。

2)設備費用的比較

根據(jù)石油化工裝置的用氮氣情況，下表列出了制取純度為99.9%、壓力為0.7MPa氮氣的設備費比較：

氮氣產(chǎn)量（m3n/h）深冷制氮（萬元）變壓吸附制氮（萬元）100 90 45 300 160 125 600 240 250 1000 400 420 1500 710 610 2000 820 760 3000 960 1100

3)維修費用的比較

變壓吸附制氮本身較簡單，運轉(zhuǎn)機械數(shù)量少，近視常溫下操作，維修保養(yǎng)工作量少，費用低。

3.2 兩種技術設計時需要考慮的問題

兩種技術一般由空氣壓縮系統(tǒng)、空氣凈化系統(tǒng)、制氮系統(tǒng)組成，工藝流程進行設計時要考慮如下幾方面的問題：

1.空氣壓縮系統(tǒng)：

宜選用雙螺桿無油或微油變頻空壓機，離心式空壓機雖然其壓縮能力大，但離心機廠家對離心機用于FPSO上都采用謹慎的態(tài)度，在海洋環(huán)境下還沒有應用過，主要擔心的是FPSO的震動和搖擺問題，根據(jù)市場調(diào)研現(xiàn)在最大的雙螺桿空壓機的壓縮氣量為8842M3/h，壓力8.6Bar，根據(jù)制氮方式選用空壓機的技術數(shù)據(jù)選型如下：以外輸量N為基礎則

方式 氮氣需求 壓力范圍Bar制氮能力衰減產(chǎn)氮率膜制氮 1.3N 13～22 1.4N 2.8N PSA制氮 1.3N 7.5～10 1.4N 3.1N

即如果外數(shù)量為3000M3/h，選用PSA制氮則需要空壓機的排量為9300 M3/h左右，選用膜制氮為8300 M3/h左右的排量，以此類推。

2.空氣凈化系統(tǒng)：

海上宜采用微熱吸附式干燥機來滿足裝置的需要，以保護制氮裝置的主要分子篩和膜。它是利用活性氧化鋁或鈉分子篩具有吸附水份并能再生的特性來除濕的設備。它根據(jù)氣源要求可分為無熱再生吸干機，微熱再生吸干機和組合式吸干機，它可提供露點溫度-30℃～-70℃的超干燥氣源，主要適用于冷干機不能達到的低露點場合。微熱再生壓縮空氣吸附式干燥機是利用變壓吸附、加熱再生的原理，使壓縮空氣交替流經(jīng)兩吸附筒，即當一個筒體在工作壓力狀態(tài)下吸附水份，另一個筒體則由再生氣管道將空氣干燥且加熱后繼續(xù)工作。

主要特點：

1)可按要求任意設定工作周期

2)再生氣可精確控制

3)控制系統(tǒng)可靠，抗干擾能力強，使用壽命長，采用SSR無觸點繼電器，可實現(xiàn)精確控溫

4)耗氣量小，加熱效率高、能耗低

5)可按要求增加露點監(jiān)測控制系統(tǒng)

6)多重安全保護裝置及多循環(huán)微加熱裝置強化脫附再生，效果好。

3.制氮系統(tǒng)：

宜采用膜制氮方式，主要優(yōu)點是運動部件少、體積小、制氮快速。缺點成本太高。

4.0 結論

綜上所述“大容量制氮裝置在FPSO惰氣系統(tǒng)上的應用研究”的成果取代現(xiàn)有的FPSO惰氣系統(tǒng)，可以降低油田的操作成本，節(jié)省柴油的使用量，避免因為油田的天然氣的減少和不確定因素而影響惰氣天然氣模式的使用帶來的柴油消耗而增加油田的操作成本，提高FPSO能源利用效率，保證FPSO用能安全的基礎上打造節(jié)能降耗和環(huán)保型FPSO，對于FPSO產(chǎn)業(yè)節(jié)能有著重大意義。使用新技術新產(chǎn)品可以提升科技創(chuàng)新企業(yè)的品牌，徹底解決能源消耗的問題，降低操作人員的工作強度，改變FPSO惰氣系統(tǒng)制氣的方式，打造節(jié)能環(huán)保的FPSO產(chǎn)業(yè)。