原油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計參數(shù)對海洋平臺環(huán)境的影響

于邦廷，王文祥，楊風(fēng)允，劉維濱，秦小剛，柯爾欽乎，趙河山中海油研究總院，北京100028

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原油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計參數(shù)對海洋平臺環(huán)境的影響

于邦廷，王文祥，楊風(fēng)允，劉維濱，秦小剛，柯爾欽乎，趙河山
中海油研究總院，北京100028

摘要：海上平臺原油發(fā)電機(jī)組的煙氣排放對平臺環(huán)境質(zhì)量造成嚴(yán)重的影響，原油發(fā)電機(jī)組的設(shè)計參數(shù)是控制海上平臺煙氣有害物質(zhì)數(shù)量及其分布的決定要素。結(jié)合工程實例，探討了原油發(fā)電機(jī)組的煙管布置方案、燃油處理流程、燃油品質(zhì)以及機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率等對平臺環(huán)境質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明，機(jī)組排煙管的布置要充分考慮區(qū)域風(fēng)向，在分析主次風(fēng)向?qū)煔鈹U(kuò)散潛在影響的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)增加排煙高度或者增加煙管伸出舷外的距離可改善煙氣擴(kuò)散對平臺環(huán)境的影響；根據(jù)油田原油的物性特點，確定適宜的燃油處理流程，減少燃油含水率，保證燃油進(jìn)機(jī)的質(zhì)量要求，這不僅能夠提高原油發(fā)動機(jī)運(yùn)行的可靠性，而且對機(jī)組煙氣的排放也有顯著的改善作用；根據(jù)平臺實際的電負(fù)荷需求，通過采用調(diào)整機(jī)組運(yùn)行的組數(shù)等辦法來使原油發(fā)電機(jī)組在較高的負(fù)荷率下運(yùn)行，這對于降低煙氣中的固體顆粒物含量是有利的。

關(guān)鍵詞：平臺環(huán)境質(zhì)量；原油發(fā)電機(jī)組；煙氣排放；設(shè)計參數(shù)

針對目前海上平臺尾氣排放存在的問題，本文分析了原油發(fā)電機(jī)組設(shè)計參數(shù)對平臺環(huán)境的影響，并提出了相應(yīng)的解決措施，以期為類似的工程開發(fā)案例提供借鑒。

1　平臺原油發(fā)電機(jī)組煙氣處理

目前國內(nèi)在海上平臺或FPSO（浮式生產(chǎn)儲卸油裝置）上安裝、使用原油發(fā)電機(jī)組已較多［1］，總裝機(jī)容量已經(jīng)超過400 MW。機(jī)組基本采用本油田自產(chǎn)的原油作為燃料，燃料油品質(zhì)差異較大，有高黏度、高密度的重質(zhì)油，也有低閃點的輕質(zhì)油。近年來隨著原油發(fā)電機(jī)組應(yīng)用數(shù)量的增加，機(jī)組排放的煙氣對平臺生活設(shè)施以及現(xiàn)場工作環(huán)境產(chǎn)生了日益嚴(yán)重的影響，因此平臺機(jī)組煙氣排放問題已日益受到人們的關(guān)注［2- 5］，諸如水噴淋和靜電除塵等方法已被用于改善機(jī)組煙氣排放所產(chǎn)生的影響。

（1）水噴淋。除塵一般適用于原油發(fā)電機(jī)組煙管朝下排放煙氣的情況，通過在排煙管出口位置附近布置噴嘴，借助于噴嘴噴淋形成的海水水幕的重力作用，對原油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時產(chǎn)生的煙氣進(jìn)行沉降，從而達(dá)到去除煙氣中部分固體顆粒物的目的。水噴淋除塵法容易受到風(fēng)向和風(fēng)速的影響，當(dāng)風(fēng)速較小時海水垂直落下，煙氣隨著下降后會有部分飄散至底層甲板，從而影響底層甲板的環(huán)境。

（2）靜電除塵。常用于陸上燃煤電站的尾氣除塵，對于減少煙氣中大粒徑固體粉塵具有一定的作用，其原理是采用高壓靜電吸附技術(shù)對尾氣中的固體污染物進(jìn)行凈化處理。將該技術(shù)應(yīng)用于海上平臺原油發(fā)電機(jī)組的尾氣除塵，可通過在尾氣排煙管上設(shè)置高壓電極板，當(dāng)含塵尾氣通過電極板間的高壓電場時，固體顆粒會附著在電場極板上，且隨著顆粒物的逐漸積聚，最終會因重力作用而落入下方的集塵斗中。通過定期清洗集塵斗和電極板，靜電除塵裝置可連續(xù)運(yùn)行。目前南海某平臺首次使用靜電除塵技術(shù)，正在進(jìn)行調(diào)試，初期的調(diào)試結(jié)果顯示具有一定的作用，其技術(shù)關(guān)鍵點在于根據(jù)機(jī)組不同的負(fù)荷率和煙氣流量來確定適應(yīng)的電場，若能成功應(yīng)用，這對于減少海上平臺原油發(fā)電機(jī)組尾氣排放中固體顆粒的含量具有重要意義。

2　機(jī)組設(shè)計參數(shù)對平臺環(huán)境的影響

根據(jù)現(xiàn)場使用經(jīng)驗，由于采用原油作為燃料，原油發(fā)動機(jī)組煙氣排放的可見度比較高，煙氣中的NOx、固體顆粒物等對現(xiàn)場的工作環(huán)境造成了一定的影響。煙氣排放對平臺環(huán)境的影響除了受到平臺所處環(huán)境的風(fēng)向、風(fēng)力的影響外，還受到機(jī)組本身煙管的布置、燃油處理流程、燃油品質(zhì)、機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率等的影響。為了能夠解決煙氣對平臺環(huán)境的污染問題，需要全面了解控制平臺煙氣有害物質(zhì)數(shù)量及其分布的要素。

2.1煙管布置的影響

平臺環(huán)境中的煙氣產(chǎn)生于發(fā)電機(jī)組，但煙氣的分布則受煙管的布置和風(fēng)力、風(fēng)向的影響較大。圖1給出了W油田的風(fēng)向玫瑰圖，不同海域的風(fēng)向和風(fēng)速差異較大，圖1顯示主風(fēng)向為NNE，次主風(fēng)向為ENE。原油發(fā)電機(jī)組尾氣煙管的布置應(yīng)在主風(fēng)向的下風(fēng)向，且排煙口應(yīng)盡量布置在距離生活樓、甲板設(shè)施較遠(yuǎn)的區(qū)域。由于生活樓以及房間的進(jìn)風(fēng)口一般設(shè)置在主風(fēng)向處，因此排煙管出口位置也應(yīng)該避開房間的進(jìn)風(fēng)口，且需要提前判斷煙氣擴(kuò)散的主要路徑，避免煙氣被房間的通風(fēng)風(fēng)機(jī)吸入。但當(dāng)某一海域次主風(fēng)向較多時，受次風(fēng)向的影響使得機(jī)組煙管布置變得困難，此時應(yīng)盡量將煙管朝上排放，以降低次風(fēng)向的影響。油田區(qū)域主風(fēng)向?qū)τ诠潭ㄆ脚_或者FPSO上原油發(fā)電機(jī)組煙管的布置起著主要的決定作用。

當(dāng)原油發(fā)電機(jī)組布置在固定平臺頂層甲板或者FPSO主甲板時，由于機(jī)組裝機(jī)容量大，運(yùn)行過程中煙氣排放量大，因此需要合理考慮煙管的布置。平臺頂層甲板除了布置有原油發(fā)電機(jī)房外，通常還會有生活樓、修井機(jī)或者模塊鉆機(jī)，因此原油發(fā)電機(jī)組排煙管的布置容易受到周邊設(shè)施的限制。

原油發(fā)電機(jī)組的煙管在穿過房間后可以垂直向上排放，也可以在房間頂部水平向一側(cè)排放。這兩種煙管布置形式均有應(yīng)用案例，也各有優(yōu)劣。如采用垂直排放的煙管，可將煙管的排氣口盡量超出生活樓和直升機(jī)甲板的高度，這樣可減少NOx等煙氣進(jìn)入生活樓的概率。但這種布置往往會使平臺吊機(jī)的作業(yè)范圍受到限制，且垂直上升煙氣的存在影響直升機(jī)的起降。對于采用垂直排放的煙管，可通過盡量增加煙管的高度來消除對直升機(jī)的潛在影響。

圖1　W油田的風(fēng)向玫瑰圖

若采用煙管水平側(cè)排，這種布置可減少對吊機(jī)作業(yè)的限制，同時也簡化了煙管的結(jié)構(gòu)支撐。但采用煙管水平側(cè)排的方式也存在著煙管出口高度較低的問題，在某些特定風(fēng)向的情況下，存在著機(jī)組煙氣吹向生活樓的可能，此時可通過增加煙管伸出舷外的長度來降低對周圍設(shè)施的影響。

圖2所示為南海L油田新建FPSO原油主機(jī)煙管布置的尾氣擴(kuò)散分析圖，從圖中可以看到，由于FPSO可在海上隨著不同風(fēng)向360°旋轉(zhuǎn)，因此通常情況下會出現(xiàn)主風(fēng)向的風(fēng)從船首吹向船尾的情況。此時原油發(fā)電機(jī)模塊若布置在靠近船尾的生活樓附近，煙管布置采用煙氣直接向上排放的方式，即采用圖2（a）中類似FPSO的這種布置方式，就會出現(xiàn)黑色煙塵散落在直升機(jī)甲板上的情況，造成防滑繩索被污染，嚴(yán)重時將影響直升機(jī)的起降。針對出現(xiàn)的這個問題，在L油田的開發(fā)過程中，煙氣排放布置采取了煙管從船舷右側(cè)伸出舷外一定距離的方式，在此基礎(chǔ)上，通過建立船體模型和計算，確定了機(jī)組尾氣排放的參數(shù)，分析了在主風(fēng)向下不同風(fēng)速對尾氣擴(kuò)散的影響。從圖2（b）中可以看出，通過采取這一措施后，主風(fēng)向的尾氣基本沿著右舷一側(cè)擴(kuò)散，對生活樓和直升機(jī)甲板的影響可以忽略。

圖2　FPSO原油機(jī)組的煙氣擴(kuò)散

2.2燃油處理流程的影響

原油發(fā)電機(jī)組的主用燃料為油田自產(chǎn)原油，且原油機(jī)組對燃用原油的要求較高，為了滿足原油進(jìn)機(jī)的各項指標(biāo)要求，需要先對燃油進(jìn)行預(yù)處理。

采用常見的燃用原油處理流程，由于各油田油品性質(zhì)差異較大，經(jīng)過工藝分離器和電脫水器處理后的原油的含水率不一定能夠達(dá)到指標(biāo)要求（含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.5％），這就使得后續(xù)燃油處理流程對控制原油的進(jìn)機(jī)指標(biāo)十分關(guān)鍵。

圖3為Q油田某FPSO上原先采用的原油處理流程，從電脫水器上引出的一路原油直接進(jìn)入了FPSO頂層甲板上的沉降罐，然后分別經(jīng)過分油機(jī)、原油日用罐、增壓橇、供給橇將燃油供給原油發(fā)電機(jī)組。由于FPSO上三級分離器的處理液量較大，投產(chǎn)前幾年從電脫水器分離出的原油含水率較高，導(dǎo)致了供給原油發(fā)電機(jī)組的原油含水率較高，因而在機(jī)組運(yùn)行的前幾年，其運(yùn)行狀況較差，這增加了大量的維修保養(yǎng)工作和費(fèi)用。后來經(jīng)過仔細(xì)分析研究，對燃油處理流程進(jìn)行了調(diào)整，如圖4所示。

圖3　油田FPSO上原先采用的原油處理流程

圖4　對圖3流程加以局部改造的流程

在FPSO艙室部分單獨隔離出一個大艙用于存儲從電脫水器中分離出的原油，并對原有的3臺分油機(jī)的工作流程進(jìn)行調(diào)整，讓其中的一臺分油機(jī)從原油日用罐中取油，通過建立一個自循環(huán)實現(xiàn)對原油日用罐中的原油進(jìn)行連續(xù)油水分離，達(dá)到了降低含水率的目的。經(jīng)過這樣的流程改造后，增加了原油的沉降時間，提升了油水分離效果，進(jìn)機(jī)燃油的含水率明顯降低，機(jī)組運(yùn)行狀況也得到了明顯改善，機(jī)組排放的粉塵量也明顯降低。

2.3燃油品質(zhì)的影響

表1對比了上述Q油田FPSO和J平臺的燃油組分，兩處原油的取樣口均為原油日用罐。由表1可知，兩處原油的密度、黏度、閃點、灰分、金屬含量等主要指標(biāo)基本一致；但兩者含水率差異較大，J平臺上的原油含水率為0.19％，明顯大于FPSO上的原油含水率0.07％，雖然兩者都滿足廠家要求的進(jìn)機(jī)含水率，但兩處原油發(fā)電機(jī)組尾氣排放質(zhì)量差異較大。從現(xiàn)場兩處原油發(fā)電機(jī)組排煙質(zhì)量判斷，J平臺上原油主機(jī)尾氣的可見黑煙明顯比較濃，這在一定程度上說明了燃油含水率對機(jī)組排煙的影響。建議通過合理控制燃油中的含水率來降低機(jī)組煙氣排放的粉塵量或改善機(jī)組的燃油燃燒效果。

表1　FPSO和J平臺燃油組分對比

2.4機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率的影響

原油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷率對尾氣排放的可見度和NOx的排放都有著明顯的影響。一般機(jī)組維持80％～85％的負(fù)荷率對降低機(jī)組油耗和尾氣中的煙塵含量都是有利的。圖5為J平臺原油發(fā)電機(jī)組在不同負(fù)荷率下尾氣中固體顆粒物的測量值，由此可見隨著機(jī)組負(fù)荷率的升高，機(jī)組尾氣中PM2.5和PM10顆粒物的質(zhì)量濃度逐漸下降。因此對于原油發(fā)電機(jī)組可以通過適當(dāng)提高機(jī)組負(fù)荷率來降低尾氣中固體顆粒的含量。

3　結(jié)論

針對目前海上平臺原油發(fā)電機(jī)組尾氣排放存在的問題，研究了海上原油發(fā)電機(jī)組設(shè)計參數(shù)對平臺環(huán)境的影響，并提出了相應(yīng)措施，其主要結(jié)論如下：

（1）機(jī)組排煙管的布置要充分考慮區(qū)域風(fēng)向，在分析主、次風(fēng)向?qū)煔鈹U(kuò)散潛在影響的基礎(chǔ)上，通過適當(dāng)增加排煙高度或者增加煙管伸出舷外的距離可改善煙氣擴(kuò)散對平臺環(huán)境的影響。

（2）根據(jù)油田油品的物性特點，確定適宜的燃油處理流程，保證燃料油進(jìn)機(jī)的質(zhì)量要求，這不僅能夠提高原油發(fā)電機(jī)運(yùn)行的可靠性，而且對機(jī)組煙氣的排放也有顯著的改善作用。

（3）根據(jù)平臺實際的電負(fù)荷需求，通過采用調(diào)整機(jī)組運(yùn)行的組數(shù)等辦法來使原油發(fā)電機(jī)組在較高的負(fù)荷率下運(yùn)行，這對于降低煙氣中的固體顆粒物的含量是有利的。

圖5　機(jī)組在不同負(fù)荷率下尾氣的含塵質(zhì)量濃度

參考文獻(xiàn)

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Effects of Design Parameters of Crude Oil Engine Generator Set on Offshore Platform Environment

YU Bangting，WANG Wenxiang，YANG Fengyun，LIU Weibin，QIN Xiaogang，KEERQIN Hu，ZHAO Heshan
CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China

Abstract：For the issue of flue gas emission of crude oil engine generator set on offshore platform，various factors influencing flue gas emission are analyzed. The effects of the exhaust pipe layout scheme，fuel oil processing flow，fuel oil quality and generator set operating load rate on platform environment are studied. It is proposed that the unfavorable flue gas emissions can be improved by fully considering local main wind direction and increasing the height or the horizontal distance of exhaust pipe for reducing flue gas diffusion，selecting reasonable fuel oil treatment process for reducing water content in fuel oil，and adjusting the operating sets of engine generator according to practical electrical power load for ensuring higher operating load rate and reducing the dust content in the flue gas.

Keywords：environmentalquality of platform；crude oilgenerator set；flue gas emission；design parameter

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.008

基金項目：

工信部和財政部項目“海洋平臺及FPSO用大容量發(fā)電模塊研制”（工信部聯(lián)裝［2013］411號）。

作者簡介：

于邦廷（1987-），男，安徽阜陽人，工程師，2012年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京），碩士，現(xiàn)主要從事海洋平臺機(jī)械設(shè)備選型和設(shè)計工作。Email：yubt3@cnooc.com.cn

收稿日期：2015- 12- 17