晃動條件對海上浮式裝置上LPG回收塔設(shè)計的影響

潘大新，劉培林，陳文峰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

本文針對南海某新建FPSO，開展因風浪產(chǎn)生的晃動對LPG系統(tǒng)設(shè)計的影響研究。國內(nèi)外對塔器晃動的研究主要集中于力學(xué)方面，而塔器的傳質(zhì)性能主要受到傾斜幅度的影響，與晃動周期的關(guān)系不大，因此可將動態(tài)晃動簡化為靜態(tài)傾斜來研究，即研究傾斜工況對LPG回收系統(tǒng)的影響[1]。

1 海上L PG回收塔

該FPSO的LPG回收核心工藝流程如圖1所示。根據(jù)國標規(guī)定[2]，合格的LPG產(chǎn)品（丙烷和丁烷）應(yīng)滿足以下要求：第一，蒸氣壓≤1 380 kPa（37.8°C）；第二，C3+C4烴類組分（體積分數(shù)）≥95%；第三，C5及C5以上烴類組分（體積分數(shù)）≤3.0%。由于該FPSO經(jīng)常受到海上臺風的影響，而平時風浪也很大，因此LPG回收塔（脫乙烷塔和脫丁烷塔）必須具備一定的抗風浪能力。同時，為了滿足產(chǎn)品要求和提高收率，LPG回收塔生產(chǎn)設(shè)計也需要充分考慮海上晃動的影響[3]。設(shè)計中在工藝模擬和塔器設(shè)計等方面，對海上晃動條件的影響進行了評估，以研究解決方案。

圖1 典型脫乙烷塔和脫丁烷塔工藝流程

2 晃動對工藝模擬的影響

工藝模擬是塔器設(shè)計的基礎(chǔ)，通常使用HYSYS或者PRO II軟件進行建模[4]。與陸地設(shè)計不同的是，海上應(yīng)考慮實際晃動的影響，包括液體負荷分布不均、分布器對液相的再分配等因素，得到的建模結(jié)果才能符合實際情況。以脫乙烷塔為例，圖2是陸地典型的工藝模型，圖3是考慮海上晃動條件的工藝模型。

圖2 脫乙烷塔 （靜止塔）工藝模型

圖3 脫乙烷塔 （搖擺塔）工藝模型

從工藝建模過程來看，晃動工況下的模型更為復(fù)雜，考慮的因素更多。首先需根據(jù)實際填料分段（2段）將整塔分為上下兩段，然后每段再根據(jù)晃動影響分為液體負荷不同的左右兩部分，最后使用分布器的匯合再分配。工藝模擬結(jié)果因此與靜止塔存在差別，以該FPSO上的LPG回收系統(tǒng)為例，其結(jié)果對比見表1。

從表1結(jié)果中可以看出，相對于陸地靜止塔，海上搖擺塔的LPG產(chǎn)品收率降低，副產(chǎn)品增多，分離效率降低，而加熱和冷卻負荷增加。如果不在設(shè)計階段充分考慮晃動的影響，將會對后期的設(shè)備選型和實際生產(chǎn)帶來較大的影響。

表1 LPG回收系統(tǒng)工藝模擬結(jié)果對比

3 晃動對塔器設(shè)計的影響

考慮到受海上空間的限制，要求使用較小的塔徑；考慮到要求有抗風浪適應(yīng)能力；考慮到實際操作范圍、壓降、起泡、腐蝕和造價等綜合因素[5]，海上油氣田無一例外地都采用填料塔而不是板式塔裝置。上述做法對于LPG回收系統(tǒng)也同樣適用。由于受到浮式裝置船體的晃動，不可避免會造成液體分布的不良，因此，填料的效率較陸地同類體系低，傳質(zhì)效率要取同類體系的下限或更低，其折扣值取決于塔徑、液體噴淋密度、船體晃動和轉(zhuǎn)動幅度[6]。同時在填料類型的選擇上，應(yīng)優(yōu)先考慮高效填料，比如散堆填料IMTP、Intalox-A或規(guī)整填料Mellapak 250Y、Flexipac HC 2Y等。根據(jù)分析研究，晃動對塔器的設(shè)計還存在以下多方面的影響。

3.1 晃動對塔徑的影響

晃動對塔徑的影響見圖4和圖5。從圖中可以看出，晃動幅度越大，塔徑越小，液體不良分布越明顯。因此對于浮式裝置上的LPG回收塔，其塔徑要較陸地同體系提高。根據(jù)水力計算結(jié)果，在滿足泛點率的基礎(chǔ)上，可以考慮將塔徑增加1～2個尺寸級別。

圖4 傾斜角度對不良分布的影響

圖5 塔徑尺寸對不良分布的影響

3.2 晃動對填料床層高度的影響

晃動對填料高度H的影響見圖6和圖7。對于靜止塔，隨著填料高度的增加，液體分布沒有太大變化；而對于傾斜塔，隨著填料高度的增加，其液體不良分布越來越明顯，在惡劣海況下填料塔內(nèi)液體會產(chǎn)生流向塔壁的趨勢，因此可以通過減小填料床層高度，增加填料段數(shù)目，同時在每段之間設(shè)液體再分配器，以降低液體的不良分布。

圖6 垂直塔液體分布狀態(tài)

3.3 液相負荷的影響

液相負荷的影響見圖8。從圖中可以看出，液相負荷越小，液體不良分布越明顯。因此海上浮式裝置的LPG回收塔應(yīng)保證足夠大的噴淋密度。

3.4 晃動對塔高設(shè)計的影響

在晃動條件下，塔的高度越高，其頂部搖擺幅度越大，對氣液傳質(zhì)效率的影響也越大，同時增加了塔器本身強度和結(jié)構(gòu)支撐的要求，因此要嚴格控制塔的總高度。塔的總高度主要由填料高度、液體分布器、集油槽和塔釜高度共同決定，而填料高度是決定因素。一般填料高度由以下公式計算：

式中：Z為填料高度，m；nT為理論塔板數(shù)；HETP為等板高度，m。

理論塔板數(shù)與塔的分離要求有關(guān)，可通過計算或者敏感性模擬分析得到。受到塔高的限制，在保證分離要求的前提下，應(yīng)盡量采用最小理論塔板數(shù)。HETP與填料類型和填料廠家相關(guān)，取值應(yīng)慎重[7]。根據(jù)陸地的一些經(jīng)驗規(guī)則[8]，HETP取值一般在400～900 mm之間。而考慮到海上搖擺的工況，廠家推薦的HETP值可以達到900～1 200 mm，是陸地的1.5～2倍。

圖7 傾斜 （2°）塔液體分布狀態(tài)

圖8 液相負荷對不良分布的影響

集油槽和塔釜的高度與陸地類似，但要考慮最大晃動角度造成的液位波動高度，在液位設(shè)計高度的基礎(chǔ)上增加此波動高度，近似可表示為：

式中：Δh為液位波動高度，m；D為塔徑，m；θ為最大晃動角度，（°）。

3.5 晃動對內(nèi)件選型的影響

LPG回收塔的填料塔內(nèi)件包括液體分布器、集液升氣板、填料支撐板、限位器、除沫器。其中填料支撐板、限位器和陸地裝置是一樣的，受海上晃動影響較大的是液體分布器和集液升氣板[9]。根據(jù)海上浮式裝置的晃動特點，液體分布器應(yīng)選擇壓力式，如圖9所示，這兩種分布器采用封閉渠結(jié)構(gòu)，可以保持高液位，以降低船體運動造成的液體分布不均勻。

圖9 壓力式液體分布器的結(jié)構(gòu)示意

陸地常用的重力式液體分布器（見圖10） 對水平度極端敏感，不適合在海上浮式裝置的傳質(zhì)設(shè)備[10]上使用。根據(jù)晃動幅度和方向規(guī)律，集液升氣板結(jié)構(gòu)設(shè)計要特殊考慮，如考慮采用多折邊式向心板等，向心板傾斜角度與塔徑、船體晃動和轉(zhuǎn)動幅度相關(guān)。另外集液高度應(yīng)考慮最大晃動角度的影響。塔頂除沫器可考慮采用高效型，如圖11所示。海上浮式裝置LPG填料塔的其他塔內(nèi)件（包括填料支撐板和限位器）與陸地裝置是一樣的，可不做特殊考慮。

圖10 重力式液體分布器

圖11 高效塔頂除沫器

4 結(jié)束語

海上浮式裝置的晃動，無論是橫搖還是縱搖，都會對LPG回收塔產(chǎn)生諸多影響，設(shè)計中應(yīng)從工藝和機械等角度充分評估晃動帶來的影響，并以工藝模型為基礎(chǔ)、塔器設(shè)計為核心等進行設(shè)計優(yōu)化和調(diào)整，以保證LPG回收塔的抗風浪能力和在晃動條件下的平穩(wěn)安全生產(chǎn)。