海洋石油平臺(tái)儀表氣系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

張?zhí)K飛，陳文峰，楊宇航，史勛漢，陳 賓

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

伴隨著自動(dòng)控制技術(shù)在海洋油氣平臺(tái)的應(yīng)用，海洋平臺(tái)的自動(dòng)化程度也越來越高[1]。自動(dòng)控制需要通過各種控制儀表來完成，為了給這些操作儀表提供穩(wěn)定、可靠的動(dòng)力源，海洋石油平臺(tái)一般都設(shè)置有儀表氣系統(tǒng)。

2 工藝系統(tǒng)介紹

海洋石油平臺(tái)儀表氣系統(tǒng)通常由入口空氣過濾器、壓縮機(jī)、后冷卻器和干燥器組成[2]。具體流程如圖1所示。

空氣首先經(jīng)過入口過濾器進(jìn)入到壓縮機(jī)，經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮后的氣體通過后冷卻器冷卻，冷卻后的空氣經(jīng)過油氣過濾器分離油滴后，進(jìn)入到空氣緩沖罐。設(shè)置空氣緩沖罐的目的是為了減少空壓機(jī)氣流的脈動(dòng)效應(yīng)[2]。壓縮空氣經(jīng)過緩沖罐穩(wěn)壓以后，經(jīng)過前過濾器、干燥器、后過濾器，最終進(jìn)入到儀表風(fēng)儲(chǔ)罐，供各儀表氣用戶使用。

圖1 儀表氣系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of instrument air system

3 儀表氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

海洋石油平臺(tái)儀表氣系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備為空氣壓縮機(jī)和空氣干燥器，這兩個(gè)設(shè)備的選型對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要，選擇合適的壓縮機(jī)和干燥器，可以節(jié)約成本和占地，從而降低整個(gè)項(xiàng)目的投資。

(1)空壓機(jī)選型原則

不同種類的空壓機(jī)具有各自的特性和使用范圍。目前使用較廣泛的壓縮機(jī)主要有如下三種類型：螺桿式空壓機(jī)、活塞式空壓機(jī)和離心式空壓機(jī)[3]。

活塞式壓縮機(jī)具有適應(yīng)流量范圍大，排出壓力高的特點(diǎn)，但由于體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多，維修工作量大，所以，活塞式壓縮機(jī)主要應(yīng)用在中、小容量的場(chǎng)合。

螺桿式壓縮機(jī)具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件少、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，并且可以通過對(duì)轉(zhuǎn)子型線的不斷改進(jìn)而增加壓縮機(jī)使用的靈活性，螺桿壓縮機(jī)在中、小容量壓縮機(jī)應(yīng)用范圍內(nèi)的優(yōu)越性日益明顯。

由于離心式空壓機(jī)具有轉(zhuǎn)速高、容量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、尺寸小、經(jīng)久耐用、操作維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn)，一般應(yīng)用于大型的空壓站[3]。

考慮到海洋石油平臺(tái)油氣處理設(shè)施較少，所需儀表氣量較小，同時(shí)需求的壓力較低，因此，螺桿式壓縮機(jī)在海上油氣平臺(tái)應(yīng)該最廣泛。

海洋石油平臺(tái)遠(yuǎn)離陸地，如設(shè)備出現(xiàn)故障，維修及更換都需要較長的時(shí)間，對(duì)于儀表氣空壓機(jī)需要根據(jù)下列原則進(jìn)行選擇：

①當(dāng)其中一臺(tái)機(jī)組檢修時(shí)，除去通過調(diào)配措施可減小供氣能力外，其余機(jī)組應(yīng)保證正常生產(chǎn)的需氣量；

②對(duì)于通過棧橋連接的多個(gè)平臺(tái)，如各個(gè)平臺(tái)的壓縮機(jī)管網(wǎng)相互連通，備用容量可以統(tǒng)一考慮；

③根據(jù)需求，可以設(shè)置移動(dòng)式空氣壓縮站。

因此，海洋石油平臺(tái)壓縮機(jī)的配置主要有三種形式：一用一備模式、兩用一備模式、LEAD/LAG 模式。同時(shí)考慮海上石油平臺(tái)空間有限，空壓機(jī)數(shù)量的設(shè)置不宜大于3臺(tái)，空壓機(jī)型號(hào)宜采用同一型號(hào)。對(duì)于海洋石油平臺(tái)使用的空壓機(jī)，工作壓力一般小于1.6 MPa，在正常負(fù)荷下情況下，供氣壓力波動(dòng)幅度不宜超過0.05 MPa。

(2)干燥器選型原則

空氣經(jīng)過壓縮后會(huì)產(chǎn)生一定量的游離水，為了滿足控制儀表的要求，需要對(duì)壓縮空氣進(jìn)行干燥。目前使用的干燥方法有冷凍法和吸附法，由于吸附法較冷凍法可以產(chǎn)生更高的露點(diǎn)降，所以，海洋石油平臺(tái)主要采用吸附式干燥裝置。

吸附式干燥裝置的原理是物理吸附，主要是利用固體吸附劑(活性氧化鋁、硅膠、分子篩)顆粒表面的空隙吸附壓縮空氣中的水分子。吸附干燥具有產(chǎn)生高露點(diǎn)降的特征，采用吸附干燥方法可以使壓縮空氣露點(diǎn)降到-20 ℃以下?？諝鈮嚎s系統(tǒng)的吸附干燥裝置一般設(shè)置兩套，其中一套干燥，另外一套再生。干燥器的再生主要有微熱再生、無熱再生和有熱再生三種形式，它們主要是依據(jù)是否需要外加熱源進(jìn)行區(qū)分的。采用不同的再生方式，需要提供的再生氣耗量不同。就微熱再生而言，其干燥裝置需增加10%～15%的再生耗氣量；對(duì)于無熱再生裝置，則應(yīng)增加20%左右的再生耗氣量；而采用有熱再生裝置，一般再生耗氣量只需10%以下[4]。

目前，海洋石油平臺(tái)壓縮空氣吸附式干燥裝置基本采用無熱再生方法，再生是吸附的逆過程，二者使用的原理是一致的，根據(jù)吸附劑對(duì)水分子的吸附能力與空氣中水蒸氣分壓成比例的原理進(jìn)行操作。當(dāng)壓縮空氣中水蒸氣分壓較低時(shí)，吸附劑對(duì)水的吸附難度增加，吸附容量變小，而當(dāng)壓縮空氣中水蒸氣分壓較高時(shí)吸附劑對(duì)水的吸附難度減小，吸附容量大[5]。根據(jù)吸附劑這種特殊的性質(zhì)，通過改變干燥裝置的運(yùn)行條件，使其在高壓或低溫下吸附，而在低壓或高溫下解析，最終實(shí)現(xiàn)干燥裝置進(jìn)行交替的吸附和再生。

4 儀表氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力的確定

以某平臺(tái)實(shí)際數(shù)據(jù)為例，結(jié)合海上石油平臺(tái)空壓站設(shè)計(jì)原則，計(jì)算整個(gè)儀表氣系統(tǒng)的處理能力。

(1)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)輸入

某中心平臺(tái)各個(gè)用戶的儀表氣用量如表1。

表1 某中心平臺(tái)各個(gè)用戶儀表氣用量統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of instrument gas consumption for users of a central platform

(2)設(shè)計(jì)能力計(jì)算

根據(jù)海洋石油平臺(tái)通用的計(jì)算原則，儀表氣用量為所有連續(xù)用戶之和再加上最大間歇用戶的用氣量即為整個(gè)平臺(tái)的儀表氣用量，具體計(jì)算如下：

Q=(Q1+∑Q0)×(1+φ1+φ2+φ3+φ4)

式中：Q——設(shè)計(jì)能力，m3/h；Q1——最大間歇用戶，m3/h；Q0——連續(xù)用戶，m3/h；φ1——管道漏損系數(shù)，0.1；φ2——用氣設(shè)備磨損增耗系數(shù)，0.1；φ3——未預(yù)見的消耗系數(shù)，0.1；φ4——再生消耗系數(shù)，0.2。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，則平臺(tái)儀表氣的設(shè)計(jì)能力應(yīng)為：

Q=(220+65+45)×(1+0.1+0.1+0.1+0.2)=495 m3/h

5 結(jié)論

文章從現(xiàn)有海洋石油平臺(tái)儀表氣系統(tǒng)入手，結(jié)合多個(gè)海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)介紹了儀表氣系統(tǒng)空壓機(jī)和干燥器選型需要注意的問題，同時(shí)結(jié)合海洋石油平臺(tái)生產(chǎn)實(shí)例給出了儀表氣系統(tǒng)能力的計(jì)算方法，對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)人員更好地設(shè)計(jì)海洋石油平臺(tái)儀表氣系統(tǒng)具有一定的實(shí)際意義。