半潛式生產(chǎn)平臺油氣水處理設備配置選型研究

吳　磊，肖文生，劉　琦，谷向郁

(中國石油大學 機電工程學院，山東 青島 266580)①

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半潛式生產(chǎn)平臺油氣水處理設備配置選型研究

吳磊，肖文生，劉琦，谷向郁

(中國石油大學 機電工程學院，山東 青島 266580)①

選用流花16-2油田所處的南海深水海域作為目標作業(yè)海域的環(huán)境條件，對生產(chǎn)平臺的油氣水處理系統(tǒng)配置選型問題進行研究。針對目標平臺油氣水處理系統(tǒng)，選取三相分離器作為研究對象，對滿足性能要求的三相分離器建立基于模糊層次分析法的分析模型，并通過MATLAB編程計算，得出了最優(yōu)配置選擇。應用該方法，可在降低成本的基礎上，充分發(fā)揮設備性能，從而提高整個平臺的作業(yè)效率以及油田的綜合效益。

半潛式生產(chǎn)平臺；三相分離器；模糊層次分析法

半潛式生產(chǎn)平臺上的油氣水處理系統(tǒng)設備由于所處海洋環(huán)境的特殊性，平臺油氣水處理系統(tǒng)的配置問題顯得尤為關(guān)鍵。本文以南海為目標海域，選用流花16-2油田所處的環(huán)境條件作為目標海域的環(huán)境條件，并以三相分離器為例，作基于模糊層次分析法的深水半潛式生產(chǎn)平臺油氣水處理系統(tǒng)配置的選型。對于流花16-2油田生產(chǎn)能力，取最大油處理量22.08 m3/min，最大氣處理量58.99 m3/s，最大生產(chǎn)水處理量33.12 m3/min，原油密度890 kg/m3。

1　模糊層次分析法

層次分析法通過定性、定量分析解決選擇性的問題[1]。其主要分析步驟如下：

1)建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型。分析影響選擇決策的因素以及各影響因素之間的聯(lián)系，再根據(jù)影響因素屬性不同，一般將其自上向下分解成目標層、準則層和方案層3個層次，每一層次都有作為準則的元素。

2)確定優(yōu)先關(guān)系矩陣。將相鄰層次的影響因素進行重要性對比，作出優(yōu)先關(guān)系矩陣F。將此按照重要性比較的因素構(gòu)成的集合記為F0={f1,f2,fn}，則針對上一層某個因素A的優(yōu)先關(guān)系矩陣F=(fij)n×n，其中：

(1)

式中：s(i),s(j)分別為指標fi,fj的相對重要性程度。

3)優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣。

對F按行求和，記為：

(2)

進行變換：

(3)

rij矩陣即為模糊一致矩陣[2]。

4)計算指標權(quán)重。計算步驟3轉(zhuǎn)換后的模糊一致矩陣中準則層各因素對目標層以及方案層各因素對準則層的重要次序，此處選用按行求和歸一化法計算指標權(quán)重[3]。

指標fi對上層因素A的指標權(quán)重為：

(4)

5)計算綜合指標權(quán)重。根據(jù)步驟4指標權(quán)重的計算結(jié)果，計算綜合指標權(quán)重。方法是將準則層各個因素的指標權(quán)重方與案層的因素的指標權(quán)重相乘再求和，得出的綜合指標權(quán)重最大的方案即為最優(yōu)方案。

2　在三相分離器中的應用

2.1油氣水處理系統(tǒng)配置原則

設備配置選型是在節(jié)約成本基礎上實現(xiàn)設備用途最大化以達到設備運行要求為目的。同時，設備配置要防止可燃和有毒流體的意外泄露導致火災、爆炸、中毒、污染等事故產(chǎn)生。系統(tǒng)要能夠適應諸如溫度、濕度、腐蝕以及風、浪、流引起的震動等海洋的外部環(huán)境和所運送流體的內(nèi)部環(huán)境，設備的強度和密封性設計要足以容納所運送的流體，設備的安裝堅固、可靠，無附加應力，設備安全、環(huán)保，便于操作和保養(yǎng)。

2.2三相分離器

重力沉降式三相分離器內(nèi)部包括入口分流區(qū)、集液區(qū)、重力沉降區(qū)、除霧器區(qū)4個部分。圖1是三相分離器的結(jié)構(gòu)示意圖，采出液首先進入入口分流區(qū)，氣液的預分離在采出液的液流動量發(fā)生改變情況下完成。預分離后，液體進入集液區(qū)、沉降區(qū)，油聚集到上層，水沉降到底層。通過集液區(qū)后，上部分的油液溢過堰板，然后進入油室，由液位控制閥控制其排出、控制油室的油位，下部分的水經(jīng)排水閥排出分離器。預分離后的氣體在重力沉降區(qū)內(nèi)去除較大的液滴，在除霧器內(nèi)去除較小液滴，液位控制閥控制氣的排出，保證了內(nèi)部壓力[4]。三相分離器設計需要考慮液滴的沉降、液滴的大小、停留的時間3方面內(nèi)容。

圖1　臥式三相分離器結(jié)構(gòu)示意

2.3以三相分離器為例基于模糊層次分析法的設備選型優(yōu)化

針對目標平臺，在滿足運行能力的基礎上對三相分離器的設備選型，可選用的三相分離器型號及技術(shù)參數(shù)如表1。

表1　可選的三相分離器方案

1)建立遞階層次模型。

根據(jù)生產(chǎn)平臺油氣水處理系統(tǒng)設備配置原則，三相分離器設備選型的準則有油出口含水率(B1)，水出口含油率(B2)，操作壓力(B3)，操作溫度(B4)，沉降分離時間(B5)等，由于氣出口含油率基本相同，并且都符合設計要求，不作為目標層因素。方案層中可選的設備型號有XSL-I型、WS型、HBP型、HXS型、HPT型、BSSWS型。如圖2。

圖2　三相分離器的選型遞階層次模型

2)確定優(yōu)先關(guān)系矩陣。

油出口含水率、水出口含油率為第一階次因素，其次是設計溫度，然后是設計壓力，將沉降分離時間作為最后考慮因素。從而得到的優(yōu)先關(guān)系的矩陣依次如表2～3。

B2-Ci、B3-Ci、B4-Ci、B5-Ci的優(yōu)先關(guān)系矩陣確定的方式以及矩陣形式同B1-Ci的優(yōu)先關(guān)系矩陣相同，此處限于篇幅限制不再一一列出。

表2　A-Bi優(yōu)先關(guān)系矩陣

表3　B1-Ci優(yōu)先關(guān)系矩陣

3)優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)化為模糊一致矩陣 。

按照式(2)～(3)將A-Bi優(yōu)先關(guān)系矩陣轉(zhuǎn)成模糊一致矩陣RA-Bi(如表4)。

表4　A-Bi模糊一致矩陣

根據(jù)式(4)，求得準則層中各因素Bi對A的指標權(quán)重為：

WA-Bi={0.26,0.26,0.2,0.2,0.12}

計算方案層各因素Ci對準則層及綜合指標權(quán)重，如表5。其中程序計算得出的三相分離器配置排序已在表格最后一列用序號標出。

根據(jù)表5中計算結(jié)果，通過綜合給定各個型號油氣水三相分離器配置準則(油出口含水率、水出口含油率、操作壓力、操作溫度、沉降分離時間)的權(quán)重，可以得出長慶油田公司HXS型油氣水三相分離器為最佳配置選擇。

表5　各層次指標權(quán)重及綜合指標權(quán)重

3　結(jié)論

1)為了提高半潛式生產(chǎn)平臺油氣水處理系統(tǒng)的效率，本文采用模糊層次分析法對其配置選型進行研究。

2)以油氣水處理系統(tǒng)中的三相分離器為例，建立其選型評價模型，并通過MATLAB編程計算得出了最優(yōu)的選型結(jié)果。

3)油氣水處理系統(tǒng)是生產(chǎn)平臺的核心部分，同時也是整個油田生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過對油氣水處理系統(tǒng)進行優(yōu)化，可以在節(jié)約成本的基礎上，充分發(fā)揮設備性能，從而提高整個平臺的作業(yè)效率及油田的綜合效益。

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[2]姚敏，黃燕君.模糊決策方法研究[J].系統(tǒng)工程理論與實踐，1999(11)：61-64，70.

[3]陸耀軍，潘玉琦，薛敦松，等.重力式油水分離設備整流構(gòu)件的模擬實驗優(yōu)選研究[J].石油學報，1996，12(1)：97-101.

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Configuration Selection Research of Oil and Gas Treating Facilities on Deepwater Semi-submersible Production Platform

WU Lei，XIAO Wensheng，LIU Qi，GU Xiangyu

(CollegeofMechanicalandElectronicEngineering，ChinaUniversityofPetroleum，Qingdao266580，China)

In order to do study on the configuration selection problem of oil and gas water treatment system on production platform，choosing the environment condition of 16-2 Liu-hua oilfield in the deep waters of the South China Sea as the environmental conditions of target assignment sea area.For oil and gas water treatment system in target platform，choosing three-phase separator as the research object，to establish analysis model based on fuzzy analytic hierarchy process which meets the performance requirements of three-phase separator and obtained the optimal configuration options by the MATLAB.Applying this method can give full play to the equipment performance based on saving the actual production cost，so as to improve the working efficiency of the whole platform and oilfield comprehensive benefits.

semisubmersible production platform；three phase separator；fuzzy analytic hierarchy process as environmental conditions of the target assignment

1001-3482(2016)09-0067-04

2016-03-08

工信部高技術(shù)船舶科研項目“深海半潛式生產(chǎn)平臺總體設計關(guān)鍵技術(shù)研究”

吳磊(1988-)，男，河南睢縣人，博士研究生，主要從事石油機械、海洋石油裝備等方面的理論與應用研究，E-mail：wuleiupc@163.com。

TE952

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.015