小型制氮裝置在海洋石油161平臺(tái)的應(yīng)用

高連燁 穆勝軍 孟慶鵬

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司天津作業(yè)公司天津300452）

小型制氮裝置在海洋石油161平臺(tái)的應(yīng)用

高連燁 穆勝軍 孟慶鵬

（中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司天津作業(yè)公司天津300452）

本文通過對(duì)海洋石油161平臺(tái)的氮?dú)庥脷庑枨筮M(jìn)行分析，研制了一套小型制氮裝置，通過干凈的儀表氣進(jìn)行取氣，采用中空纖維膜實(shí)現(xiàn)氧-氮的分離，供原油分油機(jī)、燃油增壓撬使用。該系統(tǒng)有效降低了原有制氮機(jī)的啟動(dòng)次數(shù)，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

小型制氮；膜分離；海洋石油平臺(tái)

海洋石油161平臺(tái)原有兩臺(tái)制氮機(jī)，排量為600Nm3/h，電功率為單臺(tái)132kW。主要應(yīng)用于外輸過程中艙室氣體補(bǔ)充及日常油艙、水艙、油罐等位置的氮?dú)飧采w。平臺(tái)電熱站自2012年改造完成后，新增了燃油供給、處理系統(tǒng)即燃油增壓橇和原油分油機(jī)。這兩套設(shè)備日常運(yùn)行時(shí)都需要氮?dú)?，需求量很小，約為5Nm3/h。為了滿足這兩套裝置的正常運(yùn)行，需要頻繁的啟停制氮機(jī)。不僅造成了制氮機(jī)因頻繁啟停增加的設(shè)備故障率，也增加了電站的運(yùn)行功率，增大了電站燃料消耗。為了解決這一問題，考慮增加一套小型制氮裝置滿足燃油增壓撬及原油分油機(jī)的氮?dú)庑枨蟆?/p>

1 需求分析

1.1 氮?dú)庥昧考皦毫π枨?/p>

原油分離機(jī)的氮?dú)庵饕糜诜钟蜋C(jī)底座廢油罐的吹掃及覆蓋用氣，流量要求為0Nm3/h～4Nm3/h，壓力要求3bar～10bar。燃油增壓撬的氮?dú)庵饕糜谠鰤呵俗郧逑礊V器的反吹掃用氣。每次吹掃用氣量為0.01Nm3，每次吹掃時(shí)間為300s，吹掃間隔為10min。按照持續(xù)吹掃的情況計(jì)算最大耗氣量為：0.01Nm3×(3600s/(300s+ 600s))=0.04Nm3/h，氮?dú)鈮毫σ鬄?bar～8bar。

1.2 氮?dú)饧兌刃枨?/p>

原油分油機(jī)及燃油增壓撬所需氮?dú)庵饕糜诟采w氣和吹掃氣，為了確保用氣的安全，要求氮?dú)饧兌却笥?7%。

1.3 安裝位置需求

根據(jù)設(shè)備與用戶就近布置要求，設(shè)備整體安放于二層甲板鍋爐區(qū)，整體尺寸要不大于L1500mm×W800mm×H2000mm。

2 制氮方式選擇

2.1 制氮方法對(duì)比分析

高純度氮?dú)獠荒軓目諝庵兄苯犹崛?，目前獲得高純度氮?dú)庵饕抢每諝夥蛛x法?？諝夥蛛x法有三種，分別為深冷法制氮、碳分子篩變壓吸附法（PSA）制氮和膜分離法制氮。現(xiàn)針對(duì)三種分離方式進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比。

2.1.1 深冷空分法制氮

原理是把空氣深冷液化，再利用液化后液氧和液氮的沸點(diǎn)不同，進(jìn)行氮?dú)夂脱鯕夥蛛x提取，深冷空分制氮法的工藝流程由空氣壓縮機(jī)壓縮空氣、過濾裝置凈化、氮?dú)庋鯕夥蛛x、液氮汽化幾部分構(gòu)成。深冷空分制氮設(shè)備復(fù)雜、體積較大，基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用多、啟動(dòng)運(yùn)行成本較高、安裝要求高、安裝時(shí)間長，生產(chǎn)氮?dú)馑俣嚷?，不適合中、小規(guī)模制氮，適宜于大規(guī)模工業(yè)制氮[6]。

2.1.2 變壓吸附法制氮

原理是根據(jù)分子篩對(duì)不同組分的氣體分子“吸附”作用不同而進(jìn)行分離。在變壓吸附法制氮設(shè)備中，吸附劑是變壓吸附法制氮設(shè)備的重要組成部分。常見的變壓吸附法制氮設(shè)備選擇的吸附劑是碳分子篩，它能吸附空氣中的氧氣、二氧化碳、水蒸氣等，而氮?dú)獠荒鼙晃絒1][2]。變壓吸附法制氮的工藝流程由空氣壓縮、空氣過濾、空氣干燥、空氣吸附分離、氮?dú)饩彌_幾部分組成[3]。變壓吸附制氮流程簡單、體積小、設(shè)備數(shù)量少、結(jié)構(gòu)緊湊，空氣凈化組件和變壓吸附制氮裝置能夠安裝于同一底座。變壓吸附制氮開機(jī)時(shí)間比較短（一般在30min左右），可持續(xù)運(yùn)行也能間斷運(yùn)行。變壓吸附制氮切換閥門動(dòng)作頻繁，容易出現(xiàn)磨損，使設(shè)備不能正常工作[7]。

2.1.3 膜分離法制氮

膜分離制氮是20世紀(jì)后期世界上最先進(jìn)的空氣分離制氮技術(shù)[4]。膜分離制氮原理可以用溶解擴(kuò)散原理來解釋，具體的說是由于氧氣、二氧化碳、水蒸氣和氮?dú)獾臐B透率不同，壓縮空氣從中空纖維膜組件的進(jìn)氣口進(jìn)入中空纖維膜管，然后在壓力驅(qū)動(dòng)下，壓縮空氣與膜組件內(nèi)壁進(jìn)行接觸，并發(fā)生吸附、溶解、擴(kuò)散、脫溶、溢出現(xiàn)象，具有較快滲透速率的氣體很容易從纖維膜組件內(nèi)壁擴(kuò)散到外壁，但是滲透率慢的氮?dú)鈩t富集在膜組件內(nèi)部，由膜組件的出口排除，從而完成氮?dú)夂脱鯕獾姆蛛x[5]。膜分離法制氮具有能耗低、性能穩(wěn)定、使用壽命長、占地面積小、重量輕、啟動(dòng)時(shí)間短、無切換閥門、氮?dú)饧兌雀叩葍?yōu)點(diǎn)，適合中小規(guī)模工業(yè)制氮，能固定制氮，也能移動(dòng)式制氮[4]。

表1 制氮方式對(duì)比分析表

2.2 平臺(tái)現(xiàn)有條件

海洋石油161平臺(tái)有兩臺(tái)英格索蘭壓縮機(jī)有限公司生產(chǎn)的型號(hào)為MH 37的風(fēng)冷式螺桿空氣壓縮機(jī)，排量為5.7Nm3/m in。系統(tǒng)配有公用氣罐和儀表氣罐，氣罐出口壓力為8bar。根據(jù)目前現(xiàn)場公用氣和儀表氣的使用情況來看，目前機(jī)組一用一備，機(jī)組空氣壓縮機(jī)間歇運(yùn)行。

2.3 制氮方式初步考慮

經(jīng)過對(duì)上述三種制氮方式的對(duì)比分析，結(jié)合海洋石油161平臺(tái)的現(xiàn)有空壓機(jī)現(xiàn)狀，初步考慮利用平臺(tái)儀表氣提供清潔的壓縮氣源，以膜空分法原理，制出氮?dú)饧兌仍?7%以上合格的氮?dú)?，在平臺(tái)成橇后供給燃油增壓橇自清濾器及原油分油機(jī)運(yùn)行需求的氮?dú)狻?/p>

圖1 小型制氮系統(tǒng)示意圖

3 小型制氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)現(xiàn)場原油分油機(jī)、燃油增壓撬對(duì)氮?dú)獾男枨罅考皦毫Α⒓兌鹊确矫孢M(jìn)行分析，設(shè)計(jì)新增加的小型制氮裝置處理能力以及系統(tǒng)氮?dú)鈨?chǔ)罐的容積。

3.1 制氮機(jī)能力計(jì)算

原油分油機(jī)氮?dú)庥昧啃枨鬄?Nm3/h～4Nm3/h，燃油增壓撬用氣量需求為0.04Nm3/h。當(dāng)原油分油機(jī)和原油增壓橇同時(shí)啟動(dòng)時(shí)消耗總氮?dú)饬繛椋?Nm3/h+0.04Nm3/h=4.04Nm3/h，考慮20%的安全余量，因此制氮機(jī)的排量選取5Nm3/h。根據(jù)膜制氮約5份空氣制造出一份合格氮?dú)獾谋壤齺砜?，初步估算?Nm3/h排量的小型制氮裝置每小時(shí)約需25Nm3的壓縮空氣。從平臺(tái)空氣壓縮機(jī)排量為342Nm3/h，且壓縮機(jī)間歇運(yùn)行的實(shí)際情況看，平臺(tái)儀表氣可小型制氮裝置提供進(jìn)氣氣源。

3.2 新增氮?dú)鈨?chǔ)罐的容積計(jì)算

小型制氮系統(tǒng)所需氮?dú)庵频獧C(jī)的入口氣源來選自原平臺(tái)儀表氣，進(jìn)氣壓力為8bar；制氮機(jī)出口壓力設(shè)計(jì)為7.5bar，按照壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)定（GB150-2011），氮?dú)鈨?chǔ)罐的最高操作壓力按7.5bar設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)有海洋石油161平臺(tái)上原油分油機(jī)的氮?dú)鈮毫π枨鬄?bar～10bar，原油增壓橇氮?dú)鈮毫π枨鬄?bar～8bar，因此儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)按照最低使用壓力按4bar設(shè)定，氮?dú)鈨?chǔ)罐間斷供氣時(shí)間按照10min設(shè)計(jì)。經(jīng)過核算氮?dú)鈨?chǔ)罐的理論容積V=1×(5×(10/60))/ (7.5-4)=0.24m3，再加上20%的安全余量，因此氮?dú)鈨?chǔ)罐的設(shè)計(jì)容積取0.3m3。

3.3 物料平衡及壓力平衡

本方案采用儀表氣瓶取氣，經(jīng)過高效除油濾器過濾后，進(jìn)入膜分離系統(tǒng)，潔凈的壓縮空氣通過中空纖維膜由高壓內(nèi)側(cè)纖維壁向低壓外側(cè)滲出，滲透速率大的“快氣”（主要是H2O、CO2、O2）由膜組件一側(cè)的開口排出；滲透速率小的“慢氣”（主要為N2）被富集在高壓內(nèi)側(cè)，由膜組件的另一端排出，從而實(shí)現(xiàn)了氧-氮的分離。連續(xù)送入原料空氣，連續(xù)生產(chǎn)純度≥97%的氮?dú)?。產(chǎn)出的氮?dú)饨?jīng)儀表檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)，合格的N2進(jìn)入氮?dú)鈨?chǔ)罐儲(chǔ)存供原油分油機(jī)、燃油增壓撬使用。

4 設(shè)備選型

由于海上平臺(tái)處于腐蝕酷烈的海洋環(huán)境中，海上平臺(tái)環(huán)境惡劣、空間有限、自身重量大,所以用于海上平臺(tái)的設(shè)備需滿足可靠性強(qiáng)、體積小、重量輕、抗震能力強(qiáng)、防腐能力強(qiáng)并能防潮、防鹽霧等要求，因此合適的設(shè)備選型對(duì)海上平臺(tái)制氮系統(tǒng)的性能、使用壽命和海上平臺(tái)的安全具有重要作用[7]。

為更好的適應(yīng)海洋惡劣的生產(chǎn)環(huán)境以及保證膜分離穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)過多次溝通和論證，選擇了TLNM5-97制氮機(jī)組，該機(jī)組所用的parker膜組件抗污染性強(qiáng)，具有良好的耐油性，透水性較強(qiáng)，抗污染性強(qiáng)，是性價(jià)比較好的膜組件。系統(tǒng)能耗低，超細(xì)化中空纖維膜具有很高的分離效率，比其他膜分離效率高10%以上，對(duì)空氣的利用率高，空氣耗用量少，能夠相應(yīng)減少壓縮機(jī)能耗，節(jié)約運(yùn)行成本（主要是電費(fèi)）。機(jī)組主要部件的材質(zhì)選擇為不銹鋼316L。設(shè)備主要參數(shù)如表2。

表2 制氮機(jī)組設(shè)備主要參數(shù)表

5 結(jié)論及建議

通過增加一套小型制氮裝置，滿足燃油增壓撬自清濾器及原油分油機(jī)所需的氮?dú)庑枨?。減少了平臺(tái)原有制氮機(jī)啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間，節(jié)省了原制氮機(jī)維修、保養(yǎng)和電站燃料費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排的效果，提高了電站、原制氮機(jī)等相關(guān)設(shè)備運(yùn)行可靠性。項(xiàng)目完成后，經(jīng)過一段時(shí)期的實(shí)踐使用證明，原制氮機(jī)組起動(dòng)次數(shù)每月減少了約15次，預(yù)計(jì)每年可減少設(shè)備維保費(fèi)用約4萬元，減少電站原油消耗約25m3。

[1]孫烈剛,吳迪,李天文,尚念剛,孫曉輝.變壓吸附制氮性能主要影響參數(shù)的研究[J].現(xiàn)代化工,2014,09.

[2]王興鵬,朱孟府,鄧橙,陳平,苑英海,劉志猛.基于PLC控制的碳分子篩變壓吸附制氧工藝設(shè)計(jì)[J].天津工業(yè)大學(xué)報(bào),2014,03：40-43.

[3]胡福杰,徐揚(yáng),付云生,何乃榮,徐娥.DT型煤礦用移動(dòng)式碳分子篩制氮裝置設(shè)計(jì),煤礦安全,2008,10:48-50.

[4]溫永言.膜分離制氮與變壓吸附制氮在煤礦井下的應(yīng)用[J].煤礦安全,2009,04.

[5]劉小芳,劉衛(wèi)華,錢國誠,趙宏韜.機(jī)載中空纖維膜富氮性能實(shí)驗(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),2012,05:975-980.

[6]陳順杭.PSA變壓吸附制氮技術(shù)與低溫法制氮技術(shù)比較.現(xiàn)代化工,2013,02:76-78.

[7]趙發(fā)定.海上平臺(tái)移動(dòng)式制氮系統(tǒng)的研究與開發(fā).西南石油大學(xué),2015.

[8]高廣偉.膜分離與膜分離制氮裝置.煤炭科學(xué)技術(shù),1996,24(11): 21-24.

[9]韓光瑤.中空纖維膜分離制氮系統(tǒng)簡介.橡塑技術(shù)與裝備, 2001,27(6):32-34.

高連燁（1983—），男，學(xué)士學(xué)位，工程師，研究方向：海上石油平臺(tái)設(shè)備管理。