FPSO自動(dòng)化清艙集成系統(tǒng)構(gòu)建

(南海西部石油油田服務(wù)(深圳)有限公司，廣東 深圳 518000)

FPSO等海上設(shè)施在生產(chǎn)、運(yùn)輸或原油存儲(chǔ)過程中會(huì)逐步沉積產(chǎn)生含油污泥，特別是在貨油艙、生產(chǎn)水艙、污油艙等艙底的含油污泥更為頑固。傳統(tǒng)的清艙工作一般采用人工清艙方式。由于艙底溫度高，環(huán)境惡劣，鏟挖和輸送難度較大，效率非常低，約為7 m3/d。完整清洗1個(gè)艙室的污油泥處理量約為200 m3，至少需要30 d才能完成。這對(duì)于床位非常緊張的FPSO而言時(shí)間過長(zhǎng)，影響較大。因此，提出構(gòu)建FPSO自動(dòng)化清艙集成系統(tǒng)，通過更加安全、高效、經(jīng)濟(jì)的方式解決艙底污油泥清洗和處理問題。

受到FPSO對(duì)空間、質(zhì)量、時(shí)效等各方面的限制，F(xiàn)PSO自動(dòng)化清艙集成系統(tǒng)的構(gòu)建要求占地面積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單、能耗低、效率高并且安全防爆，重點(diǎn)要完成油泥抽吸和泵送子系統(tǒng)和油泥減量化及資源回收子系統(tǒng)的構(gòu)建。

1 整體系統(tǒng)構(gòu)建

FPSO自動(dòng)化清艙集成系統(tǒng)采用移動(dòng)式設(shè)計(jì)，主要分為4個(gè)子系統(tǒng)。

1)油泥沖洗和擾動(dòng)子系統(tǒng)。通過施加3～20 MPa的高壓水進(jìn)行沖洗，兼顧清洗和擾動(dòng)油泥，將場(chǎng)地固化的油泥沖散，變成具有一定流動(dòng)性的油、泥、水多相流，便于油泥泵的抽吸和泵送。

2)油泥抽吸和泵送子系統(tǒng)。通過專門設(shè)計(jì)的移動(dòng)式油泥泵將沖散的油泥水混合多相流抽吸并泵送到30 m高的甲板上，進(jìn)入油泥減量化處理流程。

考慮到艙底的嚴(yán)格防爆要求，該油泥泵需采用液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，液壓?jiǎn)卧旁诩装迳?，通過高壓管線連接并驅(qū)動(dòng)油泥泵。

3)油泥輸送管線子系統(tǒng)。通過耐高溫、耐負(fù)壓、耐腐蝕、耐磨損并且具有一定柔韌性的管線輸送油泥。前端抽吸的管線選用高強(qiáng)度輕便型的鋼絲骨架PVC管，后端泵送管線選用帶螺旋鋼絲骨架的多層橡膠(聚氨酯合成橡膠、天然橡膠等)管線，以滿足油泥輸送的強(qiáng)度要求和韌性要求。

同時(shí)，考慮到不同現(xiàn)場(chǎng)的管線長(zhǎng)度要求不同，可采取預(yù)制快速接頭的方式，按5～20 m的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)單根管線，然后通過快速接頭接駁使用，靈活滿足不同現(xiàn)場(chǎng)的要求。

4)油泥減量化子系統(tǒng)。通過機(jī)械式油泥減量化設(shè)備對(duì)泵送到甲板的艙底含油污泥進(jìn)行脫水干化處理，同時(shí)通過化學(xué)藥劑的作用分離出一部分原油，實(shí)現(xiàn)資源回收利用。

整體集成化工藝線路見圖1。

圖1 移動(dòng)式的自動(dòng)化集成清艙系統(tǒng)工藝線路

2 油泥抽吸和泵送子系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 現(xiàn)狀和需求

1)泵送的物料包含油、泥和水，含固量較高，有一定粘性和腐蝕性，同時(shí)污油泥中可能存在大顆粒泥塊，流動(dòng)性較差，會(huì)造成泵內(nèi)部卡死。

2)油氣混合環(huán)境使用，高壓水槍沖洗污油泥后，會(huì)導(dǎo)致油泥中的有機(jī)氣體揮發(fā)，需嚴(yán)格防爆。

3)油泥輸送泵的操作平臺(tái)與艙底距離超過3 m，覆蓋的橫向距離超過10 m，油泥還有一定黏性，管阻較大，因此，油泥輸送泵需要具備5～8 m的自吸能力。

4)甲板距離艙底有30 m高，因此油泥泵的揚(yáng)程不能低于35 m。

5)油泥輸送泵要通過人孔進(jìn)入貨油艙內(nèi)，結(jié)構(gòu)要緊湊，外形尺寸要能通過人孔，最長(zhǎng)不能超過90 cm，最寬不能超過70 cm。同時(shí)在艙底要能夠方便移動(dòng)，因此，需要嚴(yán)格控制總體質(zhì)量。

6)油泥泵要能夠隨時(shí)反轉(zhuǎn)，以便把卡住的大塊油泥或者出口管線中的油泥排空。

2.2 油泥輸送泵選型

2.2.1 泵型比選

在陸地輸送含油污泥的工藝選型中，泵送裝置多采用螺桿泵、柱塞泵、離心泵等進(jìn)行污泥的泵送[1-3]，但是對(duì)于含油含沙量較高的艙底污油泥都無法直接滿足應(yīng)用要求。

4種類型的泵各有優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)比見表1。

比較后認(rèn)為，本項(xiàng)目適合選擇轉(zhuǎn)子泵。

2.2.2 油泥輸送泵選型參數(shù)計(jì)算

由于艙底距離甲板有30 m左右，考慮到油泥的自重及管線彎頭的沿程阻力，油泥輸送泵的揚(yáng)程設(shè)計(jì)為40 m。

為了減少甚至免除甲板上的油泥脫水干化時(shí)間，油泥泵需要盡可能抽取含泥量大、含水量低的油泥，提高脫水干化效率甚至直接裝袋。因此，油

表1 4種類型的泵優(yōu)缺點(diǎn)比較

泥輸送泵的流量按照20 m3/h進(jìn)行設(shè)計(jì)。

確定油泥輸送泵設(shè)計(jì)壓力：p0=0.4 MPa，設(shè)計(jì)流量：Q0=20 m3/h。

本項(xiàng)目中油泥輸送泵所輸送的介質(zhì)為油泥水混合物，為提高使用壽命，泵葉輪內(nèi)部選用鋼骨架，外部包覆丁腈膠。根據(jù)設(shè)計(jì)流量數(shù)據(jù)，參照轉(zhuǎn)子泵排量選型手冊(cè)，選定排量：Vg=801.5 mL/r。

根據(jù)轉(zhuǎn)子泵排量及流量，計(jì)算轉(zhuǎn)速如下。

n=Q0/Vg=415 r/min。

考慮到泵本身的機(jī)械效率，將油泥輸送泵額定轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為500 r/min，為了提高泵效率，為液壓直驅(qū)，省掉減速機(jī)，因此,油泥輸送泵實(shí)際轉(zhuǎn)速由油壓控制。

1)泵軸功率P。

P=p0×Q0=2.22 kW

2)泵運(yùn)行轉(zhuǎn)矩。

T0=p0×Vg/2π=51.4 N·m。

考慮到實(shí)際使用過程中可能泵送黏稠度非常高的油泥，因此，在轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)時(shí)，采用理論計(jì)算值的1.6倍。

2.2.3 配套液壓系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算

為了保證油泥輸送泵在艙底工作絕對(duì)安全和防爆，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將液壓?jiǎn)卧旁谥骷装迳?，通過液壓油管線連接艙底油泥輸送泵的液壓馬達(dá)上，驅(qū)動(dòng)油泥輸送泵工作。

根據(jù)油泥輸送泵的轉(zhuǎn)矩要求，選配擺線低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達(dá)，排量為80 mL/rev。馬達(dá)工作轉(zhuǎn)速為500 r/min、轉(zhuǎn)矩為90 N·m。

根據(jù)上述液壓油的排量要求，計(jì)算液壓油流量：Q1=n1×Vg1=40 L/min。

此處考慮冗余系數(shù)1.3～1.4，液壓油額定流量設(shè)計(jì)為Q1=56 L/min。

根據(jù)行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，油箱設(shè)計(jì)容量與液壓油流量一般取5倍系數(shù)，則油箱容量設(shè)計(jì)大小為280 L。

參考液壓油管選型，流量80 L/min以下選擇直徑16 mm油管即可滿足要求。

根據(jù)P=p0×Q0計(jì)算出液壓油壓力為4.58 MPa。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)油壓按2倍系數(shù)計(jì)算，最大油壓按3倍系數(shù)計(jì)算，確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)油壓為10 MPa，最大油壓14 MPa。

3 油泥減量化子系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 現(xiàn)狀和需求

海上各艙室沉積的含油污泥都屬于工業(yè)危險(xiǎn)廢物，從艙底清出后需要送到具有資質(zhì)的第三方環(huán)保公司進(jìn)行無害化處理，處理費(fèi)用約為3 000元/t以上，費(fèi)用高昂。因此，含油污泥的減量化對(duì)于減少處理費(fèi)用至關(guān)重要。采用FPSO自動(dòng)化清艙集成系統(tǒng)后，由于采用大量海水沖洗艙底的頑固油泥，因此，油泥被泵送到甲板后含水量大大增加，無法直接裝袋送環(huán)保公司，必須進(jìn)行盡量化處理。

FPSO艙底的含油污泥與普通陸地上的含油污泥有所區(qū)別，在污油泥脫水干化設(shè)備設(shè)計(jì)選型時(shí)，需要考慮以下幾個(gè)方面的因素：

1)油泥含固量高。從艙底泵送上來的污油泥含有油、泥、砂等固體的量較高，流動(dòng)性差。

2)油泥固體顆粒大。污油泥中存在大顆粒(直徑40 mm)的泥塊，分離設(shè)備要避免卡死。

3)易清洗 。由于所處理的含油污泥具有較強(qiáng)的粘性，因此油泥減量化設(shè)備需要具備易清洗的功能設(shè)計(jì)，可以自我清洗，也不易堵塞，確保設(shè)備可以長(zhǎng)期運(yùn)行。

4)設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕巧。甲板空間有限，設(shè)備結(jié)構(gòu)必須緊湊，要能夠在有限的空間內(nèi)放得下，總長(zhǎng)度不能超過4 m，總寬度不能超過2.3 m。同時(shí)要求設(shè)備輕巧，方便移動(dòng)。

5)設(shè)備振動(dòng)小、噪音低。由于設(shè)備需要放在甲板上使用，設(shè)備的振動(dòng)必須要小，噪聲要低，避免對(duì)周邊的工作環(huán)境造成影響和噪聲污染。

3.2 油泥減量化設(shè)備選型

3.2.1 脫水機(jī)機(jī)型比選

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)、性能、功能方面的要求以及對(duì)海上生產(chǎn)環(huán)境具有嚴(yán)格的環(huán)保和防爆要求，通過化學(xué)沉降分離、電加熱等技術(shù)線路的設(shè)備都有缺陷，只能通過復(fù)配藥劑+純機(jī)械脫水的方式實(shí)現(xiàn)。

在含油污泥處理工藝的研究方面，陸地石油石化企業(yè)開展過大量的研究和實(shí)踐工作。研究表明，綜合考慮運(yùn)行管理、操作難易程度和運(yùn)行效果等，疊螺機(jī)污泥脫水工藝較為適用[4]。

國(guó)內(nèi)外常用的脫水機(jī)械設(shè)備主要有：板框式壓濾機(jī)、帶式壓濾機(jī)、離心式脫水機(jī)和疊螺式脫水機(jī)等[5]。通過對(duì)4類設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)和典型適用范圍比較可知，對(duì)于泥雜含量較高的含油污泥，板框式和帶式壓濾機(jī)都容易堵塞，且密封性較差，有異味，操作維護(hù)復(fù)雜；離心式設(shè)備重量過大。疊螺式脫水機(jī)集污泥濃縮和脫水于一體，具有出泥含水率低、占地面積小、易分離、不堵塞，可以實(shí)現(xiàn)自清洗，簡(jiǎn)化污泥處理工藝流程， 降低地面工程建設(shè)投資及運(yùn)行成本， 是含油污泥進(jìn)行脫水的較好選擇。目前已在齊魯石化、中海油海上平臺(tái)、大慶油田、勝利油田等國(guó)內(nèi)石油石化行業(yè)得到了初步應(yīng)用[6-11]。為此，在FPSO自動(dòng)化清艙集成系統(tǒng)的構(gòu)建中，選用疊螺式油泥脫水機(jī)進(jìn)行油泥減量化處理。

3.2.2 絮凝藥劑試驗(yàn)

疊螺式含油污泥脫水機(jī)只能處理絮凝后的油泥。因此在進(jìn)入疊螺機(jī)之前油泥的加藥絮凝工藝至關(guān)重要，直接影響后續(xù)的脫水干化效果。

艙底污油泥與普通的污泥或水處理污泥不同，水包油、油包水、泥雜多、成分復(fù)雜等多種綜合性問題都使得簡(jiǎn)單添加絮凝劑無法達(dá)到絮凝效果。同時(shí)，艙底污油泥屬于長(zhǎng)期沉積的老化含油污泥，其中有多種化學(xué)藥劑、蠟等成分，因此，傳統(tǒng)的單一絮凝劑無法適用。

若采用傳統(tǒng)的絮凝方式，絮凝效果難以達(dá)到疊螺機(jī)的預(yù)處理要求。在污泥絮凝領(lǐng)域較為適用的是陽離子有機(jī)絮凝劑：PAM聚丙烯酰胺。但FPSO艙底污油泥僅僅通過添加PAM無法達(dá)到絮凝效果。

在海洋石油111FPSO上對(duì)貨油艙的艙底污油泥進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)添加各類藥劑絮凝試驗(yàn)，結(jié)果見表2。

通過絮凝試驗(yàn)確定了適用于艙底含油污泥絮凝的藥劑組合，即純堿+PAC+專用破乳劑+PAM。同時(shí)藥劑添加順序?yàn)橄燃蛹儔A調(diào)節(jié)pH值，再加PAC調(diào)質(zhì)，然后加專用破乳劑破解水包油和油包水的難題，最后添加PAM達(dá)到良好的絮凝效果。

表2 各類藥劑絮凝效果

4 試用效果

該系統(tǒng)在海洋石油111FPSO的貨油艙清洗工作中進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用。

傳統(tǒng)模式下人工清理油泥的效率為7 m3/h。清洗1個(gè)污油艙，以200 m3油泥計(jì)，需要10個(gè)人工作30 d。采用FPSO自動(dòng)化清艙集成系統(tǒng)后，處理200 m3油泥只需要3 d，每天只需要5人工作，比傳統(tǒng)人工方式減少50%人工量，效率提高10倍。

同時(shí)FPSO自動(dòng)化清艙集成系統(tǒng)的減量化效果良好，脫水干化后的泥餅含水率達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)論

1)采用轉(zhuǎn)子泵作為FPSO艙底含油污泥的抽吸和泵送穩(wěn)定可靠，自吸能力達(dá)到5～8 m，泵送揚(yáng)程達(dá)到40 m，流量達(dá)到20 m3/h，直徑40 mm以下的固相油泥均可通過。

2)采用純堿+PAC+專用破乳劑+PAM的藥劑組合，艙底含油污泥的絮凝效果良好，可以達(dá)到后續(xù)機(jī)械脫水的預(yù)處理要求。

3)采用疊螺式含油污泥脫水機(jī)可以對(duì)艙底含油污泥進(jìn)行脫水干化，脫水后的含水率達(dá)到50%，減量化效果顯著。

4)FPSO自動(dòng)化清艙集成系統(tǒng)的構(gòu)建符合海上清艙作業(yè)的安全性和技術(shù)性要求，大幅提高了工作效率，降低了作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，降本增效的效果非常顯著，值得推廣應(yīng)用。