一種深水半潛式儲卸油平臺惰氣系統(tǒng)應(yīng)用

呂作成，唐 勇，李 杰，鹿棟梁

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300450）

0 引言

近年來隨著我國對深海油氣資源的持續(xù)開發(fā)，浮式生產(chǎn)儲卸裝置（FPSO）和浮式生產(chǎn)儲卸平臺的排水量、油氣處理能力、儲油能力不斷提升，10 萬t 級以上的浮式儲卸油設(shè)備數(shù)量正日益增多[1-2]，如何保障原油在深海環(huán)境下存儲和外輸時的安全逐漸成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)，惰氣系統(tǒng)作為其中一項(xiàng)重要的安全保護(hù)設(shè)施，具有產(chǎn)氣量大、易維護(hù)、價(jià)格低等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于油船、液化天然氣船、液化化學(xué)氣船等船艙的惰化中，但同時惰氣系統(tǒng)也表現(xiàn)出許多不足。通過調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，目前惰氣系統(tǒng)主要以燃燒柴油和空氣或者引用鍋爐產(chǎn)生的廢氣來獲取惰氣，模式有直燃式、煙氣式和補(bǔ)燃式3種，并且利用甲板水密封和止回閥防止艙室內(nèi)的氣體回流，從安全、環(huán)保和應(yīng)用的角度分析惰氣系統(tǒng)存在著對環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)高、系統(tǒng)穩(wěn)定性不足，經(jīng)濟(jì)性較差以及設(shè)備配置不夠合理等問題[3-8]。

針對上述問題，本文以南海某萬噸級半潛式儲卸油生產(chǎn)平臺的惰氣系統(tǒng)為例，分兩步介紹了該平臺的惰氣系統(tǒng)，第一步計(jì)算出凝析油外輸時所需的最大惰氣量，確定惰氣發(fā)生器的最大產(chǎn)氣速率，闡述了惰氣發(fā)生器選型理論依據(jù)，第二步介紹平臺惰氣系統(tǒng)的組成部分、應(yīng)用過程、設(shè)備用途以及提升改進(jìn)的地方，期望為后續(xù)其他深水平臺惰氣系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 半潛平臺

氣田位于南海北部區(qū)域，水深約為1 220～1 560 m，南北寬約為30.4 km，東西長約為49.4 km，采用半潛式生產(chǎn)儲卸平臺對該氣田生產(chǎn)的油氣水三相進(jìn)行處理。平臺由上部模塊和船體組成，上部模塊重約1.9 萬t，船體重約3.3萬t，生存工況下的排水量約為10.5萬t，上部模塊包括工藝公用設(shè)備、動力設(shè)備、中央控制室、生活樓等，船體由4個立柱和連接立柱的4個浮筒組成，立柱和浮筒內(nèi)部包括28 個壓載艙、4 個凝析油艙、2 個柴油艙、3個乙二醇艙（MEG）、2個污水艙、2個淡水艙以及其他機(jī)械電氣儀表設(shè)備間。

油氣水三相自水下管匯進(jìn)入平臺后，首先經(jīng)過段塞流捕集器對氣液兩相進(jìn)行分離，分離出來的天然氣經(jīng)過濕氣壓縮機(jī)增壓后在依次進(jìn)行天然氣脫水、烴露點(diǎn)控制和干氣增壓，最終進(jìn)入平臺的外輸海底管道。分離出的液相經(jīng)過三級油水分離穩(wěn)定后，將含水率合格的凝析油儲存于船體立柱的凝析油艙內(nèi)，后續(xù)通過凝析油外輸系統(tǒng)定期外輸。油水分離器分離出的閃蒸氣經(jīng)過閃蒸氣壓縮機(jī)增壓后作為平臺的燃料氣，分離出來的富乙二醇進(jìn)入回收系統(tǒng)對其進(jìn)行脫水，將含水率合格的乙二醇存儲于MEG艙，然后再通過臍帶纜回注到水下生產(chǎn)系統(tǒng)。

該平臺需惰化的艙室包括凝析油艙和污水艙，4 個凝析油艙分別位于平臺的4個立柱中，2個污水艙各位于1#、2#立柱中，并且每個凝析油艙、污水艙對應(yīng)配置一個凝析油泵和污水泵，相同艙室、泵之間的參數(shù)完全一致。當(dāng)凝析油艙內(nèi)液位達(dá)到規(guī)定液位后，凝析油經(jīng)凝析油泵增壓通過外輸計(jì)量撬、外輸軟管被輸送至外輸油輪上，由于在凝析油外輸過程中有含油污水產(chǎn)生，因此還需要啟用一臺污水泵將產(chǎn)生的污水輸送至上部模塊的閉排罐中，圖1所示為凝析油外輸示意圖。

圖1 凝析油外輸示意圖

2 惰氣發(fā)生器最大產(chǎn)氣速率確定

根據(jù)國際海事組織相關(guān)安全規(guī)定：對于載運(yùn)閃點(diǎn)不超過60 ℃，載重量超過2 萬t 的油船必須安裝固定式惰氣系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)向貨艙的最大惰氣輸送速率應(yīng)至少為貨艙最大外輸速率的1.25倍[9-11]。該平臺在凝析油外輸時惰氣需求量最大，需惰化的艙室為凝析油艙和污水艙，貨艙最大外輸速率為凝析油最大外輸速率與含油污水最大外輸速率之和。

2.1 凝析油最大外輸速率計(jì)算

凝析油最大外輸速率指4 臺凝析油泵同時運(yùn)行時每小時允許通過外輸計(jì)量撬的最大凝析油流量。根據(jù)廠家資料凝析油泵的出口流量主要與其液壓油壓力和凝析油艙液位有關(guān)，當(dāng)凝析油泵處于最佳的液壓油壓力和凝析油液位時泵的出口流量最大，本文凝析油泵的最佳液壓油壓力取廠家建議的150 bar（1 bar=0.1MPa），在此壓力下泵具有更長的運(yùn)行壽命，在確定了泵的最佳液壓油壓力后，接下來開始計(jì)算泵的最佳凝析油液位以及最大外輸速率，由于4臺凝析油泵最大外輸速率求解過程基本相同，因此本文以1#立柱凝析油泵為例，敘述了其最大外輸速率的求解過程，表1所示為#1立柱凝析油外輸時相關(guān)數(shù)據(jù)。

表1 #1立柱凝析油外輸時相關(guān)數(shù)據(jù)

根據(jù)離心泵進(jìn)出口流體能量方程[12]，推導(dǎo)出泵揚(yáng)程H的計(jì)算公式，如式（1）所示：

式中：g為重力加速度，m2/s；Ps、Pd分別為泵入口和泵出口壓力，Pa；cs、cd分別為泵入口和泵出口流速，m/s；zs、zd分別為泵入口和泵出口高度，m。

其中泵進(jìn)、出口截面上的動能差、高度差相差很小，式（1）可化簡為：

由表1相關(guān)數(shù)據(jù)和式（2）計(jì)算出1#凝析油泵在不同凝析油液位下的揚(yáng)程，然后根據(jù)圖2～3 泵揚(yáng)程與泵出口流量的關(guān)系曲線圖確定出凝析油泵在不同揚(yáng)程下對應(yīng)的流體流量，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 #1立柱凝析油泵計(jì)算結(jié)果

同理可求出其他3 臺泵在表1 所示液位下的出口流量，進(jìn)而得到4臺凝析油泵在表1所示液位下的凝析油總流量Q總，如表2 所示。由于外輸計(jì)量撬允許通過的最大流量為2 000 m3/h，因此當(dāng)液位為27.6 m、液壓油壓力為150 bar時凝析油外輸速率最大，為1 922 m3/h。

2.2 污水最大外輸速率計(jì)算

由上文可知在凝析油外輸過程中會有一臺污水泵參與運(yùn)行，本文污水泵的最大外輸速率取污水泵的設(shè)計(jì)排量，根據(jù)圖4～5 污水泵的關(guān)系曲線圖可確定出污水泵的設(shè)計(jì)排量為150 m3/h。

圖4 污水泵出口流量—進(jìn)出口壓差關(guān)系曲線

2.3 貨艙最大外輸速率計(jì)算

圖5 污水泵出口流量—揚(yáng)程關(guān)系曲線

綜上所述凝析油最大外輸速率為1 922 m3/h，含油污水最大外輸速率為150 m3/h，則貨艙的最大外輸速率為2 072 m3/h，計(jì)算出惰氣發(fā)生器在標(biāo)況條件下的最大產(chǎn)氣量應(yīng)至少為Q惰標(biāo)=2 590 m3/h，換算為實(shí)際運(yùn)行工況條件下Q惰（102.46 kPa，28.5 ℃）=2 829 sm3/h，因此該平臺配備的惰氣發(fā)生器（3 000 sm3/h）能夠滿足凝析油外輸時的用氣需求。

3 惰氣系統(tǒng)介紹及其應(yīng)用

該平臺惰氣系統(tǒng)用于凝析油艙和污水艙的惰化，使用工況有凝析油外輸、倒艙和艙室維護(hù)，其惰氣系統(tǒng)主要由惰氣發(fā)生裝置和惰氣分布管匯組成，如圖6～7所示。惰氣發(fā)生裝置包括惰氣發(fā)生器、甲板水密封、真空斷路器，惰氣發(fā)生器用于產(chǎn)生惰氣，其工作模式分為燃油模式和燃?xì)饽Ｊ?，可制備出含氧量?%～5%，溫度為28℃左右的惰性氣體，甲板水密封與真空斷路器是為了防止艙室內(nèi)的氣體回流至惰氣發(fā)生器，避免惰氣在安全區(qū)內(nèi)發(fā)生泄漏。惰氣分布管匯上配備了真空透氣閥、高低速透氣閥、風(fēng)機(jī)、CO2滅火裝置以及氧氣分析儀，其中真空透氣閥是為了避免艙內(nèi)壓力為負(fù)壓，設(shè)定值為-1 kPa，高低速透氣閥是防止艙室內(nèi)壓力過高，設(shè)定值分別為16 kPa、5 kPa，當(dāng)艙室內(nèi)壓力高于16 kPa 時高速透氣閥會自動開啟，低于16 kPa 時會自動關(guān)閉，本平臺凝析油艙和污水艙要求的運(yùn)行壓力為5～13 kPa，當(dāng)艙內(nèi)壓力高于13 kPa 低于16 kPa 時低速透氣閥會開啟，使艙內(nèi)壓力降至要求的壓力范圍內(nèi)，風(fēng)機(jī)的作用是當(dāng)艙室需要維護(hù)時將艙內(nèi)的惰氣用空氣置換出去，使艙內(nèi)的含氧量恢復(fù)至正常的大氣水平，CO2滅火裝置是預(yù)防凝析油艙、污水艙發(fā)生火災(zāi)所必需的消防設(shè)備，氧氣分析儀則是監(jiān)測惰氣發(fā)生器產(chǎn)生惰氣的含氧量是否合格，如果惰氣含氧量大于5%，惰氣去往凝析油艙、污水艙的閥門會被強(qiáng)制關(guān)閉，直到惰氣氧含量恢復(fù)至5%以下才能重新開啟。

圖6 惰氣發(fā)生裝置（IGG）

圖7 惰氣系統(tǒng)分布管匯

在凝析油準(zhǔn)備外輸時，啟動惰氣發(fā)生器制備出合格的惰氣，經(jīng)甲板水密封進(jìn)入到惰氣分布管匯中，打開惰氣去往凝析油艙、污水艙的閥門，當(dāng)凝析油開始外輸時惰氣發(fā)生器根據(jù)艙內(nèi)實(shí)際壓力自動調(diào)節(jié)去往惰氣分布管匯的氣體流量，使艙內(nèi)壓力始終維持在正常范圍內(nèi)，保障凝析油的順利外輸，凝析油外輸作業(yè)結(jié)束后，關(guān)閉惰氣去往艙室的閥門，停止惰氣發(fā)生器。

針對惰氣系統(tǒng)存在的不足，該平臺惰氣系統(tǒng)主要在以下方面進(jìn)行了提升與改進(jìn)：（1）采用更加先進(jìn)的控制系統(tǒng)，簡化了惰性系統(tǒng)的操作步驟，增強(qiáng)了人機(jī)交互功能使操作人員更易明白系統(tǒng)故障的原因，提高處理問題的效率；（2）在惰氣發(fā)生裝置中加入了真空斷路器，進(jìn)一步降低艙室內(nèi)氣體回流至惰氣發(fā)生器的風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的安全性；（3）該惰氣系統(tǒng)配備了2臺直燃式的惰氣發(fā)生器（一主一備），發(fā)生器之間風(fēng)機(jī)、柴油泵均可互用，提升了系統(tǒng)使用時的穩(wěn)定性；（4）惰氣發(fā)生器日常運(yùn)行以燃?xì)饽Ｊ綖橹?，燃油模式為備用，燃?xì)鈦碓从谟蜌夥蛛x過程中產(chǎn)生的閃蒸氣，此舉減少了柴油的使用量，既節(jié)約了成本又降低了對海洋環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)；（5）由于惰氣系統(tǒng)主要在凝析油外輸、洗艙或倒艙時使用，其他設(shè)備用氣量很少，為此取消了輔助惰氣系統(tǒng)，工藝設(shè)備覆蓋氣和艙室內(nèi)補(bǔ)氣改由氮?dú)庀到y(tǒng)提供，對設(shè)備配置進(jìn)行了優(yōu)化。

4 結(jié)束語

（1）該半潛平臺需惰化的艙室為4 個凝析油艙和2個污水艙，通過計(jì)算該半潛平臺凝析油最大外輸速率為1 922 m3/h，污水最大外輸速率為150 m3/h，惰氣發(fā)生器在實(shí)際運(yùn)行工況條件下最大產(chǎn)氣速率應(yīng)至少為2 829 sm3/h，證明了該平臺惰氣發(fā)生器能夠滿足凝析油外輸時用氣量需求，為發(fā)生器選型提供了理論依據(jù)。

（2）該半潛平臺惰氣系統(tǒng)由惰氣發(fā)生裝置和惰氣分布管匯組成。惰氣發(fā)生裝置包括惰氣發(fā)生器、甲板水密封、真空斷路器，惰氣分布管匯上配備了真空透氣閥、高低速透氣閥、CO2滅火裝置、風(fēng)機(jī)以及氧氣分析儀等。

（3）當(dāng)平臺凝析油準(zhǔn)備外輸時，啟動惰氣發(fā)生器制備出合格的惰氣，經(jīng)甲板水密封進(jìn)入到惰氣分布管匯中，打開惰氣去往凝析油艙和污水艙的閥門，當(dāng)凝析油開始外輸時，惰氣系統(tǒng)根據(jù)艙內(nèi)壓力自動調(diào)節(jié)去往艙室內(nèi)的惰氣流量，使艙室內(nèi)的壓力維持在5～13 kPa范圍內(nèi)，保障凝析油的順利外輸。

（4）為了彌補(bǔ)惰氣系統(tǒng)的不足，該平臺惰氣系統(tǒng)在智能化、安全性、穩(wěn)定性以及經(jīng)濟(jì)環(huán)保等方面都進(jìn)行了較大幅度的提升與改進(jìn)。