節(jié)能型浮式生產(chǎn)儲油裝置惰氣系統(tǒng)

杜 佳

(中海油研究總院 工程研究設計院，北京 100028)

0 概述

FPSO(浮式生產(chǎn)儲油裝置)不但是集油氣處理、生活、發(fā)電為一體的海上油氣開采裝置，由于其巨大的儲油功能，同時也相當于一座海上油庫。一旦貨油艙因意外發(fā)生溢油、燃燒甚至爆炸，其后果不僅僅是巨大的財產(chǎn)損失，人的生命安全、海洋環(huán)境都將遭到嚴重威脅和破壞。隨著對安全性要求越來越高以及環(huán)境保護意識的不斷增強，相關規(guī)范針對船舶的安全設施的配置要求也越來越嚴格。以國際海事組織(IMO)的《國際海上人命安全公約》(SOLAS 公約)為例，1974 年版本中規(guī)定，對于載運閃點不超過60℃同時其雷特蒸汽壓低于大氣壓、載重量為100000 t 及以上的油船，應安裝固定式惰氣系統(tǒng)。以后，SOLAS 公約經(jīng)過修訂，對載重量的要求修改為20000 t［1］。而在2013 年1 月07 日至13 日于倫敦舉行的IMO 消防分委會(FP)第56 次會議上，擬將必須配置惰氣系統(tǒng)的油船載重量級別再次降低到8000 t 級［2］。由此可見，惰氣系統(tǒng)在油船安全方面的重要地位。

FPSO 自20 世紀70 年代中期開始在歐洲出現(xiàn)，因其相對于某類特定油田開發(fā)生產(chǎn)所具有的獨特優(yōu)勢，發(fā)展迅速。截至2007 年底，世界范圍內已有一百多套FPSO，目前海油總正在運行的FPSO 也已有17 條。隨著技術的不斷發(fā)展及現(xiàn)場操作經(jīng)驗的積累，這些FPSO 上的惰氣系統(tǒng)的配置形式也在不斷變化改進。

1 FPSO 惰氣系統(tǒng)配置現(xiàn)狀及分析

1．1 惰氣發(fā)生裝置能力配置的變化

惰氣系統(tǒng)主要功能是，保持液貨艙內大氣含氧量不超過8%(以體積計)并保持正壓，使得正常作業(yè)時空氣不能進入液貨艙;降低每一液貨艙的含氧量，使空液貨艙惰化［3－4］。按照以上功能要求，對于FPSO 來說，無論是FPSO 正常生產(chǎn)時的原油儲存，或是原油外輸作業(yè)以及原油洗艙作業(yè)，都需要惰氣系統(tǒng)的安全保護。

FPSO 的惰氣最大需求量是在原油外輸工況，惰氣系統(tǒng)設計能力應是外輸速率的1．25 倍［3－4］。在日常作業(yè)工況下，惰氣需求量很小，除了工藝設備和工藝艙有一定數(shù)量的惰氣需求之外，余下的就是貨油艙的補氣了。由于一般的惰氣發(fā)生裝置可在其額定能力的25% ～100%范圍內調節(jié)，因此只需1 臺惰氣發(fā)生裝置，就可以滿足不同工況下的惰氣用戶需求。較早期的FPSO 惰氣系統(tǒng)，絕大多數(shù)是按這種設計思路配置的。

隨著全世界油輪安全事故的不斷增多，人們對惰氣發(fā)生裝置這類安全保障設施的認識和重視程度不斷提高。為確保惰氣系統(tǒng)運行的可靠性，2 套惰氣發(fā)生裝置的配置方式開始出現(xiàn)。對于FPSO 來說，外輸工況與正常生產(chǎn)工況所需氣量懸殊，2 套惰氣系統(tǒng)有主輔之分。主惰氣系統(tǒng)用于外輸工況或倒艙、洗艙作業(yè)，設計能力應能滿足這些工況下用氣量需求;輔惰氣系統(tǒng)主要用于正常生產(chǎn)工況，設計能力一般是主系統(tǒng)的1/5 －1/4。服務于渤海海域的“渤海世紀號”以及南海海域的“南海奮進號”等都采用了這種配置方式［5］。

實際上，由于油田正常生產(chǎn)時，貨油艙液位一直處于上升過程，為維持艙內壓力穩(wěn)定，艙內惰氣隨液位的升高在連續(xù)排放，根本無需補氣。而工藝系統(tǒng)設備的安全覆蓋氣源，可由FPSO 上氮氣系統(tǒng)提供，也不需要惰氣的補充。也就是說，為正常生產(chǎn)時補氣需要而設置的輔助惰氣系統(tǒng)，在生產(chǎn)中并無實際用途。主輔配置方式的惰氣系統(tǒng)運行幾年后，現(xiàn)場反饋的情況也印證了上述分析。因此，近年建造的FPSO 對惰氣系統(tǒng)能力配置又進行了改進，從“海洋石油115 號”開始，將2 套惰氣系統(tǒng)的能力統(tǒng)一，即每臺惰氣發(fā)生裝置的設計能力均可滿足惰氣最大需求量。

1．2 惰氣發(fā)生裝置配置型式的變化

根據(jù)惰氣產(chǎn)生的方式不同，惰氣系統(tǒng)可分為煙氣式惰性氣體系統(tǒng)(煙氣模式)、惰氣系統(tǒng)發(fā)生裝置系統(tǒng)(燃燒模式)及將煙氣模式與燃燒模式集成為一體的多功能惰氣系統(tǒng)［6］。在多功能模式下，煙氣模式、燃燒模式可各自獨立運行，燃燒模式還可以作為煙氣模式的補充，即當煙氣含氧量超過5%的標準要求時［7］，燃燒模式啟用，將煙氣二次燃燒以降低煙氣中的含氧量。

在1 主1 輔惰氣系統(tǒng)配置方式下，主惰氣系統(tǒng)多為多功能模式，輔助惰氣系統(tǒng)選擇燃燒柴油模式。如果選擇2 套能力相同的惰氣系統(tǒng)，依據(jù)不同的項目條件，在模式選擇上也有不同。不同模式組合方式的優(yōu)缺點分析見表1。

表1 惰氣系統(tǒng)配置技術分析

無論采用何種惰氣系統(tǒng)型式，為保證惰氣系統(tǒng)運行的可靠性，可滿足惰氣最大需求量的燃燒柴油模式的惰氣發(fā)生裝置，是FPSO 必不可少的配置。因此，惰氣系統(tǒng)也是FPSO 上除電站、熱站外的另一個主要能耗用戶。

2 對傳統(tǒng)設計煙氣利用效果的技術分析

2．1 煙氣利用的可行性分析

FPSO 上熱站系統(tǒng)負荷，除貨油艙等的保溫負荷外，還有上部設施中工藝處理流程的加熱負荷及船體中工藝艙等的保溫、加熱負荷，這樣，熱站規(guī)模往往較大。熱爐燃燒較為充分，煙氣含氧量一般低于5%，煙氣經(jīng)必要的除塵、脫硫等處理后可直接作為惰氣系統(tǒng)氣源，這就為惰氣系統(tǒng)采用熱爐煙氣作為氣源提供了基本條件。表2 列出了分別服務于渤海海域、南海海域的幾條FPSO 的熱站配置規(guī)模。

2．2 煙氣利用的可靠性分析

FPSO 的熱負荷不但受作業(yè)海域、冬夏季節(jié)的影響較大，與生產(chǎn)作業(yè)工況也有很大關聯(lián)。以南海海域的某FPSO 項目為例，表3 列舉了典型年份的熱負荷。

表中數(shù)據(jù)顯示，工藝熱負荷在最大年份達到FPSO 夏季總負荷的58%，冬季總負荷的34%，隨油田開采年份不同，這部分熱負荷逐漸減少到對總負荷的影響可忽略不計。熱負荷的變化直接影響到熱介質加熱爐煙氣產(chǎn)生的煙氣量。以某廠家10000 kW 熱介質加熱爐為例，表4 列出了上述項目分別以油田伴生氣、原油及柴油作燃料時，煙氣分析結果。

表2 FPSO 熱站配置

表3 FPSO 典型年份熱負荷

表4 10000 kW 熱介質加熱爐煙氣分析

當燃料組分一定時，熱爐煙氣的含氧量可以通過改變燃燒器結構以及調節(jié)風油比等方式進行控制，熱爐負荷率的變化，對煙氣中含氧量影響不大。但熱爐負荷率的改變，直接影響到煙氣量的大小。因此，煙氣模式的惰氣系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠地運行，更多地取決于熱站系統(tǒng)能否維持足夠穩(wěn)定的負荷率，為惰氣系統(tǒng)提供足夠的煙氣量。

2．3 以往設計的弊端

以往的FPSO 惰氣系統(tǒng)設計中，大多也考慮了對熱爐煙氣的利用，但實際應用效果卻往往并不理想，沒有達到節(jié)能的設計要求，其主要原因有如下幾方面:

(1)FPSO 熱負荷工況較為復雜。上部設施中工藝處理流程的負荷隨生產(chǎn)年份變化較大;季節(jié)不同，船艙保溫加熱負荷差別較大。特別是在南海海域，環(huán)境溫度較高，而原油進艙溫度可達到70 ～80℃甚至更高，這樣船體保溫加熱負荷的理論計算值會與實際需要的加熱負荷有所差別。另外，F(xiàn)PSO外輸工況是惰氣需求量最大工況，但這時船艙保溫加熱負荷又是最低需求。幾種因素綜合在一起，導致熱站實際負荷率的下降，外輸時，會出現(xiàn)熱站煙氣量供應不充足的情況。

(2)目前較常用的多功能模式的惰氣系統(tǒng)原理參見圖1 所示，當熱爐煙氣含氧量合格時，煙氣由風機抽出，經(jīng)預水洗塔冷卻并除濕后，由風機打入惰氣總管進入各貨油艙。當含氧分析儀檢測到煙氣含氧量超標時，由其發(fā)出信號啟動柴油系統(tǒng)，在柴油輔助下，煙氣經(jīng)多功能惰氣發(fā)生裝置充分燃燒脫氧惰化后進入惰氣總管。這套系統(tǒng)雖然同樣利用熱爐煙氣作為惰氣氣源，并具有補燃功能，但其作用主要是當煙氣組分中含氧量超標，可補充燃燒以降低含氧量。由于這種工況一般只是在熱油鍋爐本身或整個排煙系統(tǒng)出現(xiàn)故障等意外情況下才會出現(xiàn)，對于煙氣量不足的工況，作用有限。

圖1 多功能模式惰氣系統(tǒng)示意圖

圖2 節(jié)能型惰氣系統(tǒng)示意圖

3 節(jié)能型FPSO 惰氣系統(tǒng)

3．1 充分利用煙氣資源的節(jié)能設計

節(jié)能型惰氣系統(tǒng)如圖2 所示，可以很好地解決當煙氣量不足時，如何最大限度進行利用的問題。圖中分別設置了1 套煙氣模式、1 套柴油模式惰氣系統(tǒng)，2 套系統(tǒng)完全獨立，即與不同模式相匹配，分別由各自的惰氣總管進入貨油艙等惰氣用戶。

當煙氣量充足時，煙氣模式系統(tǒng)運行。熱爐煙氣由風機抽出，進入洗滌塔進行冷卻脫硫和除塵;干凈煙氣經(jīng)除濕后通過煙氣模式總管進入各用戶艙。這時，柴油模式處于關閉狀態(tài)。

由于有2 套惰氣總管，兩個系統(tǒng)也可以同時向用戶艙供惰氣。煙氣和燃燒模式系統(tǒng)設計有一個公共控制系統(tǒng)，當煙氣模式總管上主甲板壓力低時，通過壓力變送器PT25，控制系統(tǒng)得到煙氣排量不足的信號，并將信號傳送至燃燒模式系統(tǒng)啟動柴油輸送泵、鼓風機，同時根據(jù)煙氣模式總管上主甲板供氣壓力，控制模塊可自動選擇燃燒模式供氣量，供氣范圍是額定能力的25% ～100%，但只能分檔選擇25%、50%、75%或100%;此時，煙氣模式產(chǎn)生的惰氣和柴油模式產(chǎn)生的惰氣可以通過各自的總管向油艙供氣。柴油模式惰氣也可以通過總管之間的聯(lián)通管線(圖中未示出)，與煙氣模式惰氣一并由一路總管向油艙供氣。如果出現(xiàn)煙氣模式氣量與燃燒模式氣量大于惰氣用量情況時，在煙氣模式系統(tǒng)的甲板水封前設有調節(jié)閥PV23，通過調整控制閥CV22 開度，旁通多余的煙氣。

當貨油艙需要同時外輸和洗艙作業(yè)時，柴油模式和煙氣模式分別同時運行。由煙氣模式為油艙提供外輸時所需要的惰氣，同時由柴油模式為洗艙室提供比較干凈的惰氣，兩套系統(tǒng)獨立運行，分別由各自的總管進入相應的用戶，避免干擾。

3．2 節(jié)能設計優(yōu)勢

與以往FPSO 惰氣系統(tǒng)比較，上述設計具有以下優(yōu)勢:

(1)采用1 臺煙氣模式、1 臺柴油模式，將煙氣作為基本氣源。1 臺設計能力為8000 m3/h 的惰氣發(fā)生裝置，采用煙氣模式可節(jié)約柴油耗量約450 t/年(按年生產(chǎn)時率330 天，約10 天外輸一次的外輸頻率計)，即每年節(jié)約燃料操作費用約400 多萬元人民幣。

(2)設置2 套惰氣總管，F(xiàn)PSO 外輸作業(yè)與洗艙作業(yè)可同時進行。

(3)盡可能充分地利用煙氣，可以最大程度實現(xiàn)節(jié)能。

4 結束語

2 套完全獨立的惰氣系統(tǒng)配置方式，要增加1套惰氣總管包括管路上甲板水封、壓力真空關斷閥以及所有閥門等安全、控制設施等。據(jù)估算，整個系統(tǒng)的初始投資增加約400 ～500 萬元人民幣。但是，即使按每次外輸僅有約50%的煙氣可以利用計，每年惰氣系統(tǒng)節(jié)約的燃料操作費用也可達200 多萬元人民幣。也就是說，即使不考慮采用2 套惰氣總管可提高生產(chǎn)時率而帶來的經(jīng)濟效益，這筆初期設備投資，只需系統(tǒng)運行約2 ～3 年即可收回成本。

因此，充分利用煙氣資源，是節(jié)約惰氣系統(tǒng)能源消耗、降低排放污染的有效途徑。

［1］《國際海上人命安全公約》(SOLAS 公約)(修訂版)．1988．

［2］中國船級社網(wǎng)站． IMO 消防分委會(FP)第56 次會議要點快報［EB］．(2013 －1 －18)www．ccs．org．cn．

［3］國際海事組織(IMO)．國際消防安全系統(tǒng)規(guī)則［S］．2001．12．5．

［4］油船惰性氣體系統(tǒng)技術條件:CB1196 －86［S］．

［5］金曉劍． FPSO 最佳實踐與推薦做法［M］． 東營:中國石油大學出版社，2012．

［6］中國船舶工業(yè)總公司． 船舶設計實用手冊(輪機分冊)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1999．

［7］國際安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局． 浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)安全規(guī)則［S］．2010．6．