FPSO貨油艙流程優(yōu)化改造及效果分析

楊 利

(中海石油(中國(guó))有限公司曹妃甸作業(yè)公司，天津 300459)

FPSO(Floating Production Storage and Offloading)浮式生產(chǎn)儲(chǔ)存卸貨裝置，它集生產(chǎn)處理、儲(chǔ)存外輸及生活、動(dòng)力供應(yīng)于一體[1]，把來自油井的油氣水等混合液經(jīng)過加工處理成為合格的原油或天然氣，成品原油儲(chǔ)存在貨油艙，到一定儲(chǔ)量時(shí)經(jīng)過外輸系統(tǒng)輸送到穿梭油輪。FPSO的原油處理流程分為兩個(gè)系列，油井產(chǎn)出液通過海底管線輸送到FPSO經(jīng)過換熱器進(jìn)行熱量交換，再通過一級(jí)分離器、二級(jí)分離器及電脫水器進(jìn)行油水分離，處理合格的原油經(jīng)海水換熱器冷卻后進(jìn)入到貨油艙儲(chǔ)存，流程簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 FPSO原油處理流程總圖

經(jīng)生產(chǎn)模塊處理后的合格原油從流程甲板通過主甲板注入總管分配到貨油艙，通過調(diào)整壓載水及與貨油泵相連的轉(zhuǎn)駁總管來完成轉(zhuǎn)駁功能，從而調(diào)整貨油艙的裝載，實(shí)現(xiàn)貨油的存儲(chǔ)功能。除了貨油艙外，一般FPSO還會(huì)設(shè)立污油水艙和工藝流程艙以及其他輔助艙室，污油水艙的作用將生產(chǎn)流程中產(chǎn)生的污油水通過沉降和加熱，起到再次分離的作用；工藝流程艙是為了接收生產(chǎn)水處理流程處理合格的生產(chǎn)水[2]。但由于十多年的生產(chǎn)，造成了貨油艙內(nèi)污油的積累并且難以有效處理，部分貨油艙用作存儲(chǔ)污油如5P/S、6P/S(P和S分別代表左和右，與船體左右舷相對(duì)應(yīng))，此外生產(chǎn)流程中產(chǎn)生的污油水均存儲(chǔ)在污油水艙中，艙室大體分布如圖2所示。

圖2 FPSO貨油艙及污油水艙分布圖

通過圖2可知，改造前FPSO的貨油艙僅有1P/S，2P/S、3P/S和4P，每個(gè)貨油艙的艙容量為13125 m3，由于要滿足生產(chǎn)需求，F(xiàn)PSO的多個(gè)艙室功能發(fā)生改變，在現(xiàn)有流程下，導(dǎo)致原油下艙后，在各艙內(nèi)倒轉(zhuǎn)，減少了沉降時(shí)間，增加外輸含水控制難度，同時(shí)貨油泵的頻繁啟停，既會(huì)增加貨油泵的損耗，也增加了主機(jī)原油消耗和廢氣的排放。由于近些年來環(huán)保形勢(shì)日益嚴(yán)峻，為響應(yīng)國(guó)家政策號(hào)召，F(xiàn)PSO生產(chǎn)水要實(shí)現(xiàn)零排放，而就上述艙室工況而言，無(wú)法實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)水的零排放，需要對(duì)現(xiàn)有流程和艙室功能進(jìn)行優(yōu)化改造。

1 存在問題分析

目前生產(chǎn)兩系列原油裝載流程圖如圖3所示。

圖3 改造前原油裝載流程簡(jiǎn)圖

通過流程圖分析可知，目前原油的裝載方式主要有兩種，一種是生產(chǎn)兩個(gè)系列原油混摻后進(jìn)入到裝載主管線然后再分配到各艙室，第二種是保持一個(gè)系列處理合格的原油進(jìn)入4P貨油艙，另一個(gè)系列的原油進(jìn)入到主裝載管線進(jìn)入到各個(gè)艙室。倒艙主管線用于污油水的倒轉(zhuǎn)，不參與貨油倒轉(zhuǎn)。生產(chǎn)兩系列原油物性存在差異，如下兩系列原油物性參數(shù)表1[3]所示。

表1 兩系列原油物性參數(shù)表

為滿足特定生產(chǎn)需求，需要將兩系列原油分開進(jìn)艙存儲(chǔ)，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致原油頻繁倒艙，貨油泵長(zhǎng)時(shí)間在線運(yùn)轉(zhuǎn)，原油在貨油艙中分離效果較差等問題，同時(shí)也會(huì)增加主機(jī)原油消耗，造成廢氣的產(chǎn)生。并且就目前艙室功能的分布，沒有工藝流程艙，需要優(yōu)化艙室功能，給出接收工藝流程中的生產(chǎn)水進(jìn)艙緩沖空間，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)FPSO生產(chǎn)水的零排放。具體問題見如下分析：

(1)生產(chǎn)兩系列的原油需要分別裝載時(shí)，需要一個(gè)中間艙4P進(jìn)行過渡，弱化了4P貨油艙的功能，且原油下艙后，在各艙內(nèi)倒轉(zhuǎn)，減少了沉降時(shí)間，增加外輸含水控制難度。

鑒于油田原油的品質(zhì)，外輸要求含水率控制在0.5%以下。統(tǒng)計(jì)2015年3月至2016年12月本油田共88船次，其中含水率結(jié)果在0.5%～1.0%之間的有7次；在0.3%～0.5%區(qū)間的有66次，小于等于0.3%的15次。如圖4所示。

圖4 2015.3-2016.12原油外輸含水統(tǒng)計(jì)圖

多年來的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2.5天產(chǎn)出原油12210 m3，裝滿一個(gè)貨油艙，油溫70度，沉降3天，或3天以上，可出明水20m3左右。這就使得艙內(nèi)原油含水降低20/12210≈0.16%。工藝流程處理后的進(jìn)艙原油含水離心結(jié)果在0.3%左右，再此基礎(chǔ)上再減掉0.16%，理論上艙內(nèi)原油含水可達(dá)到0.14%左右。但是由于原油下艙后在各艙室內(nèi)倒轉(zhuǎn)，縮短了原油在貨油艙內(nèi)的沉降時(shí)間，導(dǎo)致外輸原油含水率偏高。

(2)4P貨油艙的貨油泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，增加了泵的損耗，同時(shí)增加了主機(jī)原油消耗，造成資源浪費(fèi)，也增加了廢氣的排放。

FPSO的動(dòng)力由五臺(tái)燃油發(fā)電機(jī)提供，而使用的燃料油就是油田自產(chǎn)的原油，由于兩系列原油油品有差異，如表1所示，主機(jī)燃料油要求閃點(diǎn)高于60℃，酸值越低越好，二系列的原油酸值高且閃點(diǎn)低不能達(dá)到主機(jī)燃油的要求，因此選擇一系列的原油作為主機(jī)燃油使用

生燃油艙是主機(jī)燃油的存儲(chǔ)艙，一系列的原油要進(jìn)入生燃油艙，需要將二系列原油轉(zhuǎn)入4P貨油艙，將一系列原油轉(zhuǎn)到裝載主管線，再分配至生燃油艙。目前每天消耗一系列原油150 m3左右，供應(yīng)主機(jī)燃料的生燃油艙艙容1758 m3。為保障燃料原油的品質(zhì)，每次將生燃油艙加滿，需要1300 m3/次，大約需要29 h。往生燃油艙加油過程中，二系列直接進(jìn)4左，大約4495 m3。將4左油轉(zhuǎn)出需要8.5 h。7天加注一次原油，4左的泵就要運(yùn)轉(zhuǎn)8.5 h。每臺(tái)貨油泵運(yùn)行至少需要一臺(tái)電動(dòng)液壓泵(0.73 MW/臺(tái))驅(qū)動(dòng)，若再考慮需要同時(shí)調(diào)整船舶壓載啟動(dòng)壓載泵，則要啟動(dòng)兩臺(tái)電動(dòng)液壓泵，其所需功率為0.73 MW/臺(tái)×2 = 1.46 MW，相當(dāng)于目前一臺(tái)主機(jī)功率的25%，進(jìn)而增加了主機(jī)原油的消耗，同時(shí)增加了廢氣的排放量。

(3)實(shí)現(xiàn)FPSO生產(chǎn)水的零排放，需要將4P貨油艙將改造成為接收生產(chǎn)水的工藝流程艙，就目前裝載流程下無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

為滿足環(huán)保要求，F(xiàn)PSO需要實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)水的零排放，通過研究發(fā)現(xiàn)目前單獨(dú)將4S污油水艙當(dāng)作生產(chǎn)工藝艙室不能滿足條件，綜合考慮需要將4P貨油艙改造成工藝流程艙，與4S污油水艙共同作為生產(chǎn)水接收艙室，滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)水進(jìn)艙需求，當(dāng)4P/S艙室進(jìn)行特檢作業(yè)或其他進(jìn)艙內(nèi)完成的作業(yè)時(shí)，不會(huì)影響油田正常生產(chǎn)。正常工況下，生產(chǎn)處理流程產(chǎn)生的生產(chǎn)水通過水處理系統(tǒng)處理后，一部分通過注水泵注入到平臺(tái)的回注井內(nèi)，另一部分進(jìn)入到4S污油水艙內(nèi)，通過調(diào)節(jié)下艙水量，維持生產(chǎn)水系統(tǒng)的穩(wěn)定，進(jìn)入艙內(nèi)的生產(chǎn)水再通過艙內(nèi)泵打回到生產(chǎn)流程處理，流程簡(jiǎn)圖如圖5。

圖5 FPSO生產(chǎn)水處理流程簡(jiǎn)圖

2 流程優(yōu)化改造

為滿足安全環(huán)保生產(chǎn)需求，并針對(duì)目前裝載流程存在的問題，對(duì)現(xiàn)有流程進(jìn)行改造，優(yōu)化原油進(jìn)艙裝載方式，在保持原裝載方式的基礎(chǔ)上，增加管線，閥門等，實(shí)現(xiàn)更靈活的裝載方式，同時(shí)將4P貨油艙獨(dú)立出來作為工藝流程艙接收生產(chǎn)水。改造方式即把原來接在倒艙主管線上的彎頭短節(jié)拆掉，加裝盲板盲死，重新制作新短節(jié)，連接到裝載主管線上，裝載主管線上再新裝一個(gè)隔離閥和一個(gè)短節(jié)，再加一段新的裝載管線，改造流程圖如圖6所示。與此同時(shí)將4P貨油艙和4S污油水艙獨(dú)立出來，改造成為生產(chǎn)工藝流程艙，改造后的艙室功能分布圖如圖7所示。

圖6 改造后貨油艙裝載流程圖

圖7 現(xiàn)階段FPSO貨油艙及污油水艙分布圖

3 實(shí)施效果分析

通過對(duì)貨油艙室流程及功能的改造，在降低外輸原油含水率、優(yōu)化艙室功能以及節(jié)能減排降耗方面都取得了良好的效果。

3.1 降低外輸原油含水率

通過統(tǒng)計(jì)流程改造前后的外輸原油含水率數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2015年3月至2016年12月油田共88船次，其中含水結(jié)果在0.5%～1.0%之間的有7次；在0.3%～0.5%區(qū)間的有66次，小于等于0.3%的15次；改造后2017年4月-2019年1月油田共外輸88次，其中含水結(jié)果在0.5%～1.0%之間4次，0.3%～0.5%之間16次，0.3%以下為68次，數(shù)據(jù)對(duì)比如圖8所示。

圖8 改造前后外輸原油含水率統(tǒng)計(jì)對(duì)比圖

通過以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，流程改造完成后，外輸原油含水率較之改造前進(jìn)一步降低。改造后原油在盡可能短的時(shí)間內(nèi)裝滿艙，在外輸前有充足的時(shí)間進(jìn)行沉降分離，再通過艙底泵將底部明水轉(zhuǎn)至污油水艙或生產(chǎn)流程，降低了外輸原油的含水率。

3.2 優(yōu)化艙室功能，減少污油存量

改造后實(shí)現(xiàn)了以下裝載方式：一系列可以單獨(dú)直接裝載進(jìn)貨油艙5P/S、或6P/S；二系列可以單獨(dú)直接裝載到貨油艙3P/S、2P/S、1P/S；或一、二系列的原油同時(shí)進(jìn)裝載主管線，再分配進(jìn)各艙室；一二系列的原油均可單獨(dú)直接進(jìn)入到生燃油艙，無(wú)需任何限制。改造后使得原油裝載方式靈活多樣，同時(shí)在應(yīng)對(duì)原油含水超標(biāo)時(shí)也可以靈活選擇任意一個(gè)艙室。

完成此改造的同時(shí)，也完成了4P左貨油艙功能改造，轉(zhuǎn)為生產(chǎn)工藝流程艙。正常生產(chǎn)時(shí)，流程調(diào)節(jié)產(chǎn)生的生產(chǎn)水首先進(jìn)入4S右艙，4P左艙作為4S的應(yīng)急備用艙。生產(chǎn)水在4S艙沉降后，通過低位泵打回流程處理，液位接近艙底或者水質(zhì)變差時(shí)停泵，將底部的生產(chǎn)水通過4P/S艙室底部的聯(lián)通閥導(dǎo)入到4P艙進(jìn)一步的沉降，而4S艙繼續(xù)接收下艙生產(chǎn)水。

而且在4P艙改為工藝流程艙后，其使用率極低，為充分發(fā)揮其功能，將污油艙內(nèi)存儲(chǔ)污油分批次轉(zhuǎn)入到4P艙中充分沉降，再利用4S艙內(nèi)接收的生產(chǎn)水，通過底部聯(lián)通閥導(dǎo)入到4P艙底部，保持上部污油在55℃左右，使4P內(nèi)存儲(chǔ)的污油有足夠的時(shí)間、適宜的溫度進(jìn)行分離，靜置分離出的含水較低的原油，通過4P的撇油槽內(nèi)的高位泵轉(zhuǎn)移到其他艙室。圖9是4P/S艙室內(nèi)的結(jié)構(gòu)圖，圖中顯示了4P左艙內(nèi)有撇油裝置和高位泵，可以將分離出含水達(dá)到1%以下的污油回收轉(zhuǎn)運(yùn)到其他艙室，從而減少了污油的存量。

圖9 4P/S艙室內(nèi)部流程簡(jiǎn)圖

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，自艙室流程功能改造完成后，2018年4月-2019年1月FPSO通過利用4P艙的功能，艙內(nèi)污油存儲(chǔ)量從31227 m3下降至27110 m3，減少污油量4117 m3，降幅達(dá)13.2%。如圖10所示。

圖10 2018年4月-2019年1月污油存量對(duì)比圖

通過上圖說明，再利用4P艙室的撇油功能后，艙內(nèi)積累的污油含水率得到有效控制，存儲(chǔ)量明顯下降。

3.3 節(jié)能減排降耗

經(jīng)過改造生產(chǎn)一系列原油可以直接轉(zhuǎn)入到生燃油艙供主機(jī)消耗，避免了周期性啟動(dòng)4P貨油泵的情況出現(xiàn)，根據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算每次生產(chǎn)一系列往生燃油艙加油期間都會(huì)導(dǎo)致兩臺(tái)電動(dòng)液壓泵上線8.5 h，消耗原油19桶，造成了資源浪費(fèi)的同時(shí)，增加了廢氣的排放。按照每周往生燃油艙加一次油，一年共計(jì)加油52次。改造后每年可節(jié)約原油988桶，折合人民幣約41.7萬(wàn)元，節(jié)約電量約645 MW時(shí)，減少電動(dòng)液壓泵在線時(shí)間約884 h。4P貨油艙改為工藝流程艙后， FPSO實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)水零排海，每年可減少排放232萬(wàn)m3，對(duì)保護(hù)海洋環(huán)境有重要意義。

圖11 改造后每年節(jié)約各項(xiàng)指標(biāo)柱狀圖

通過圖11可知，在完成艙室流程及功能的改造后，F(xiàn)PSO在節(jié)能減排降耗方面取得了顯著的效果。

4 結(jié)論

隨著油田的開發(fā)，需要不斷對(duì)FPSO貨油艙室的流程進(jìn)行優(yōu)化改造，以滿足生產(chǎn)需求。通過改造切實(shí)取得了良好的效果，達(dá)到了多重的目的，為類似FPSO的貨油艙室功能性改造提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)通過流程改造，增加了原油在艙內(nèi)靜置的時(shí)間，使下艙原油有足夠的時(shí)間依靠油水密度差靜置分離，降低了艙內(nèi)原油的含水率，有效降低了外輸原油的含水率。

(2)改造完成后，優(yōu)化了艙室的功能，使得原油的裝載方式更加靈活多樣，并且不再依賴4P貨油艙作為中間的過渡艙室。將4P貨油艙和4S污油水艙改造成為工藝流程艙，實(shí)現(xiàn)了艙室功能的轉(zhuǎn)化。

(3)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排降耗的目的，改造完成后，減少了貨油泵的頻繁起停，減少了主機(jī)原油的消耗，進(jìn)而減少了廢氣的排放，同時(shí)減少了貨油泵因經(jīng)常啟停而造成的損耗。4P/S艙室改造成為工藝流程艙，在不影響原油裝載的情況下，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)水的零排放，對(duì)保護(hù)海洋環(huán)境具有重要的意義。

(4)充分利用4P艙優(yōu)化改造后的功能，對(duì)生產(chǎn)流程產(chǎn)生的污油起到了很好的沉降分離作用，有效的降低了污油的含水率，達(dá)到了污油水減量的目的。