鍋爐尾氣模式在海上油田惰氣系統(tǒng)中的應用研究

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(中海石油(中國)有限公司渤中作業(yè)公司，天津 300450)

1 系統(tǒng)說明

惰性氣體是一種氣體或者氣體混合物，如燃料燃燒后的煙氣，它含有不充足的氧氣[1]。海上油田所說的惰氣是指柴油或天燃氣和空氣燃燒后產(chǎn)生的混合氣體，主要成分為氮氣和二氧化碳，含氧量應低于5%。

采用鍋爐尾氣模式的惰氣發(fā)生系統(tǒng)主要包括兩個部分，即尾氣源及冷卻模塊和惰氣產(chǎn)生及控制模塊。

相關模塊所包括的設備主要有，熱介質(zhì)鍋爐(B-901A/B/C，以下分別簡稱1#、2#、3#鍋爐)、文丘里海水冷卻器(WC-831)、風機(BL-831A/B)、具有尾氣工作模式的惰氣發(fā)生裝置(X-831)、洗滌塔(I-831)、甲板水封裝置(T-831)，以及相關的流程控制系統(tǒng)。

惰氣發(fā)生裝置的設計工作模式有4種，即Fresh(新風模式)、Generator(燃燒模式)、Flue(尾氣模式)和Flex(燃燒與尾氣混合模式)。

QHD32-6油田自投產(chǎn)以來一直采用的是柴油燃燒模式，此模式下惰氣產(chǎn)生完全由惰氣發(fā)生及控制模塊完成，包括柴油系統(tǒng)、風系統(tǒng)、燃燒室和爐頭、洗滌塔，柴油通過油泵增壓進入燃燒爐和新鮮空氣混合，點火發(fā)生燃燒，產(chǎn)生含氧合格的惰氣，經(jīng)洗滌冷卻后充艙使用。

尾氣模式的工作流程涵蓋了兩個模塊，大致流程是B-901A/B/C產(chǎn)生的合格高溫尾氣，經(jīng)WC-831脫硫冷卻后，經(jīng)BL-831A/B進入惰氣裝置燃燒爐，再由I-831二次洗滌冷卻后通過T-831充艙使用[2]，流程設備選擇、報警關斷參數(shù)都由PLC程序自動控制。該模式由于設計和設備原因，自油田投產(chǎn)后一直未能調(diào)試成功。

2 方案可行性研究

2.1 面臨的問題

1)三臺熱介質(zhì)鍋爐的排煙問題。其燃燒是否能夠達到含氧量小于5%的要求，這需要大量的監(jiān)控數(shù)據(jù)來證明，是本次項目改造的首要條件。(因惰氣系統(tǒng)針對尾氣含氧超過5%情況下的Flex模式，控制難度很大，無實用價值)。

2)熱介質(zhì)鍋爐的燃燒調(diào)節(jié)。如監(jiān)控數(shù)據(jù)證明燃燒效果不理想，含氧量偏高，則需要調(diào)節(jié)鍋爐的燃燒狀況。目前鍋爐燃料為燃氣，調(diào)節(jié)燃氣與空氣的配比，優(yōu)化風與氣的混合導向，調(diào)節(jié)火焰燃燒的位置等操作均有很大風險，技術要求很高。

3)鍋爐尾氣的高溫與腐蝕性氣體處理。鍋爐尾氣進入惰氣發(fā)生系統(tǒng)前要求較高，如溫度不可高于60 ℃，含硫量不能太高，否則對風機的腐蝕將很快。這意味著流量高于10 000 N·m3/h、溫度高于220 ℃以上的鍋爐尾氣，在進入惰氣發(fā)生系統(tǒng)前必須充分冷卻、處理干凈；

4)長期未動作過的流程閥門是否能繼續(xù)使用。

2.2 排煙量計算與組分監(jiān)測數(shù)據(jù)的積累分析

2.2.1 鍋爐排煙量的計算

查閱各類資料了解可燃氣燃燒的參數(shù)、特性等，對鍋爐排煙進行分析。

各種天燃氣中的甲烷含量一般不低于90%，而其它組分比如丙烷或丁烷燃燒耗用的O2量更高，可簡化假設為90%的CH4和10%乙烷的混合物：

甲烷的燃燒方程：CH4+2O2=2H2O+CO2。

乙烷的燃燒方程：2CH3CH3+7O2=4CO2+6H2O。

甲烷/乙烷完全燃燒與氧氣的量比是1∶2/2∶7，據(jù)阿夫加德羅定律，反應的體積比也為1∶2/2∶7，這樣可大致得出1 Nm3甲烷/乙烷燃燒需消耗10 Nm3/18 Nm3空氣的結論，經(jīng)計算1 Nm3甲烷/乙烷燃燒所產(chǎn)生煙氣量的工程經(jīng)驗值為11.4 Nm3/20 Nm3。

兩者以9∶1比例混合后的1 Nm3天燃氣燃燒后的煙氣總量約為12.26 Nm3。

無硫天燃氣燃燒后，煙氣中水蒸氣含量很高，1 t天燃氣燃燒時產(chǎn)生的水蒸氣約2.2 t，如果把煙氣溫度降低到35～40 ℃時，煙氣中水蒸氣60%～70%的量會凝結成水[3]。

據(jù)連續(xù)不間斷監(jiān)測，QHD32-6 FPSO 3臺鍋爐1 h的總供氣量的記錄為900 Nm3，而單臺鍋爐風機的額定排量為16 100 m3/h(實際排風量的大小根據(jù)風門的大小決定)，足以提供充足的空氣量。

據(jù)此單臺鍋爐排煙量計算如下。

煙氣總量：300×12.26=3 678 Nm3。

產(chǎn)生的水蒸汽：300×2.2=660 Nm3。

干煙氣總量：3 678-660=3 018 Nm3(假設水蒸氣在WC-831基本濾去)。

經(jīng)WC831冷卻后的尾氣溫度為50 ℃，據(jù)理想氣體狀態(tài)方程P1V1/T1=P2V2/T2折算成標方后約為3 570 Nm3/h。

這樣，以目前鍋爐負荷狀況，單臺鍋爐的排煙量能滿足小惰系統(tǒng)的需求(3 570 Nm3/h>2 000 Nm3/h)；兩臺鍋爐的排煙量不能滿足大惰系統(tǒng)的需求(7 140 Nm3/h<10 000 Nm3/h)；3臺鍋爐排煙量可以滿足大惰系統(tǒng)需求(10 710 Nm3/h>10 000 Nm3/h)。

鍋爐燃料為石油伴生氣，其高組分的烴類含量偏高，實際排煙量應該高于計算值，扣除各種煙氣流量損耗，基本可以得出兩臺鍋爐排煙量可能滿足大惰系統(tǒng)需求，三臺鍋爐尾氣排煙量肯定可以滿足大惰系統(tǒng)需求的結論。

2.2.2 針對鍋爐排煙的監(jiān)測與調(diào)節(jié)

如何有針對性地實現(xiàn)排煙含量的監(jiān)測，是實現(xiàn)惰氣尾氣模式的基礎，以火焰顏色判斷燃燒是否充分的定性方法顯然是不可行的，需要更為精確的定量手段，油田購置了可分析溫度在200 ℃左右尾氣氣體成分分析儀。從實測的排煙監(jiān)測數(shù)據(jù)上看(見圖1)，1#鍋爐與2#鍋爐含氧偏高，達不到5%以下的標準；3#鍋爐的CO的含量高，爐內(nèi)易結炭影響換熱效率；2#鍋爐的排煙溫度高，影響鍋爐的帶載能力。

圖1 鍋爐含氧及排煙溫度監(jiān)測記錄

對于尾氣含量不達標的問題，主要手段是調(diào)節(jié)進入鍋爐燃燒室的新風與燃氣的配比；對于排煙溫度偏高的對策是調(diào)節(jié)火焰在爐膛內(nèi)的燃燒位置，控制爐膛內(nèi)的壓力。由于燃料為可燃氣，以上兩種調(diào)節(jié)都有相當大的風險，調(diào)節(jié)配比如導致燃氣含量偏高極易引發(fā)爆燃事件。經(jīng)過長時間反復嘗試，在惰氣尾氣模式測試前終于將3臺鍋爐的排煙含氧量都控制在5%以下。

2.3 鍋爐尾氣的高溫與腐蝕性氣體處理

QHD燃氣含硫量較低，尾氣系統(tǒng)的文丘里冷卻海水裝置WC831屬于旋流板塔吸收器，采用海水濕法脫硫，具有可靠性高，不易結垢堵塞的優(yōu)點，脫硫效率可達70%～90%[5]，可有效避免后續(xù)管線設備的腐蝕。

面臨的問題是WC83110年間沒有投用，是否可用，冷卻及脫硫效果是否達標都是問題。油田組織人員對洗滌塔整體進行檢查保養(yǎng)，調(diào)節(jié)入口海水閥門，既要防止水量過少冷卻后溫度不達標，也要防止海水過多導致高液位報警關斷。

2.4 鍋爐尾氣模式相關閥門檢查

QHD32-6油田鍋爐尾氣模式的氣源及冷卻模塊主要有4個啟動控制閥門，其中3個常年關閉，在高溫的鍋爐排煙侵蝕下，閥體銹蝕嚴重，經(jīng)過解體更換備件之后，閥門工作正常，確保氣源冷卻模塊的管線暢通，降低尾氣阻力。

對于惰氣發(fā)生器模塊的閥門，由于燃燒模式和尾氣模式的差異，惰氣發(fā)生模塊和控制模塊的流程也存在一定差異，經(jīng)過解體檢查保養(yǎng)，確保了尾氣模式的控制可靠。

經(jīng)過以上前期準備工作，基本具備了惰氣尾氣模式的測試條件。

3 方案及實施

3.1 測試方案的確定

先進行小惰氣系統(tǒng)的鍋爐尾氣模式功能測試，成功后再對大惰氣系統(tǒng)的鍋爐尾氣功能進行測試。測試開始前，大家共同討論并詳細地制定了測試方案與測試記錄表格，確保在測試過程中的安全性和數(shù)據(jù)完整性。

3.2 測試結果

1)結果1。2010-02-17 小惰氣的鍋爐尾氣功能測試成功。

表1所列為3號鍋爐單獨投用的測試過程參數(shù)(其他兩臺鍋爐具體數(shù)據(jù)略)。

表1 測試流程參數(shù)記錄(測試工況：3號鍋爐單獨投用 測試時間：20 min)

注:文丘里：海水入口低壓(PAL-0232)100 kPa；尾氣出口溫度(TAH-0137)65 ℃。惰氣間：風機出口低壓(PAL-X143) 4 kPA;洗滌塔出口高溫(TAH-X337)65 ℃；惰氣含氧高(AAH-X339)6%。

2)結果2。2010-02-18 大惰氣尾氣模式測試成功。

2臺鍋爐同時投用的測試過程參數(shù)見表2。

3.3 測試小結

1)可以在線投用鍋爐和退出已經(jīng)投用的鍋爐，在線操作時必須先加入再退出，且必須保證至少有一臺鍋爐投用尾氣模式。

2)WC-831冷卻器海水管路正常，冷卻功能正常，完全可以滿足小惰氣的鍋爐尾氣模式各種工況運行使用(包括任意1臺鍋爐單獨運行，任意2臺鍋爐組合運行，3臺鍋爐同時運行)。

3)鍋爐尾氣成份合格，滿足惰氣系統(tǒng)含氧分析儀含氧量檢測要求。

4)大、小惰氣冷卻系統(tǒng)正常，滿足尾氣模式運行工況下的要求。

5)惰氣系統(tǒng)和鍋爐系統(tǒng)閥門連鎖控制功能正常，自動情況下邏輯控制安全可靠，啟動尾氣模式時邏輯程序設定尾氣入口調(diào)節(jié)閥FCV-1138僅有30°開度，能起到對鍋爐系統(tǒng)的保護作用，防止風機的啟動沖擊造成鍋爐系統(tǒng)的關停。

6)惰氣系統(tǒng)鍋爐尾氣模式下，鍋爐的熱油溫度控制和尾氣差壓控制功能正常穩(wěn)定，可滿足使用要求。

7)在正常的運行情況下(2臺或者3臺鍋爐運行)，惰氣出口流量差壓測量值就遠高于惰氣系統(tǒng)運行 基本設定值為28，表明鍋爐尾氣的實際排量完全滿足惰氣穩(wěn)定運行的流量需求。

表2 測試流程參數(shù)記錄(測試工況：1號和2號鍋爐同時投用 測試時間：20 min)

注：文丘里：海水入口低壓 PAL-0232 100 kPa；尾氣出口溫度 TAH-0137 65 ℃。惰氣間：風機出口低壓 PAL-X143 4 kPa;洗滌塔出口高溫 TAH-X337 65 ℃；惰氣含氧高 AAH-X339 6%。

8)在運行鍋爐數(shù)量≥1的任意組合工況下，小惰氣系統(tǒng)均能正常運行；使用大惰氣系統(tǒng)時，須保證至少有2臺鍋爐投用尾氣模式，1臺鍋爐的情況下，因鍋爐的尾氣量不足，造成煙囪外的新風被負壓吸入，導致最終含氧量偏高，不滿足充艙惰氣系統(tǒng)含氧量小于5%的要求。

4 節(jié)能減排效益分析

2010年2月21日秦皇島32-6油田第319船外輸作業(yè)圓滿結束，標志著惰氣的鍋爐尾氣模式正式投用成功。從第一次投用至今，該系統(tǒng)已經(jīng)穩(wěn)定運行約兩年(截止2011年底數(shù)據(jù))。

1)直接節(jié)能效益計算。

T=Qy/V2Q=V1×TB=Q×F

式中：T——外輸使用惰氣系統(tǒng)的年度總時間，h;

Qy——年度外輸總量；

V2——平均外輸流速(m3/h) 約為3 500；

Q——柴油模式年度消耗柴油量，m3;

V1——惰氣系統(tǒng)單位時間消耗柴油量，m3/h，約為0.6；

B——年度消耗柴油費用即直接經(jīng)濟效益，元；

F——柴油價格(1元/m3)。

2)直接減排效益計算。

M1=74.1×43/1 000 = 3.186 3M2=M1×DWd=Q×M2

式中：M1——單位質(zhì)量柴油完全燃燒排放的CO2質(zhì)量，kg；

M2——單位體積柴油完全燃燒排放的CO2質(zhì)量，kg；

D——柴油(10號)的相對密度0.84；

Wd——柴油模式年度CO2排放量，t；

Q——柴油模式年度消耗柴油量，m3。

3)據(jù)此，2010和2011年度的直接節(jié)能減排效益計算如下。

①2010年度。

QHD32-6外輸總量：1 581 641.1 m3，NB352外輸總量：267 051.22 m3，QHD331外輸總量：178 786.9 m3，總計2 027 479.2 m3。

節(jié)省費用：

B=V1×Qy/V2×F=243.3 萬元。

減少CO2排放：

Wd=V1×Qy/V2×M1×D=930 t。

②2011年度。

QHD32-6外輸總量為1 704 675.13 m3，NB352外輸總量為246 812.96 m3，QHD331外輸總量為146 607.18 m3，總計2 098 095.3 m3。

節(jié)省費用：

B=V1×Qy/V2×F=251.8 萬元。

減少CO2排放：

Wd=V1×Qy/V2×M1×D=963 t。

4)小結。項目實施后，有效減少了惰氣燃油系統(tǒng)易損備件損耗，包括燃油供給泵、燃油噴嘴、點火電極、火焰探頭、含氧分析儀濾器等，平均每年節(jié)省費用約10萬元。

同時因直接柴油消耗量的減少，船舶運輸柴油的總船次也隨之減少，間接節(jié)省了船舶柴油消耗費用。本項目計劃總投資81萬元，實際總投資30萬元。

5 結束語

QHD32-6油田惰氣系統(tǒng)鍋爐尾氣模式投用后，實踐證明能有效節(jié)省柴油、減少溫室氣體排放量、降低船舶的運輸負荷、降低維修操作費用，并保障了外輸作業(yè)的安全；同時尾氣模式的投用也是石油行業(yè)實踐節(jié)能減排理念的具體體現(xiàn)。

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