氮氣密封系統在BZ26-3平臺設計中的應用

單玉琴，王蓉

（中海油工程設計有限公司，天津 300452）

0 引言

目前，保護海洋環境已越發受到重視，為節能減排，海上生產油氣平臺常常充分利用生產水，將其處理達標后進行回注，既減少污水排放，保護海洋環境，也增加地層壓力，繼續開發油田。在油田注水開發過程中，對注入水的水質有明確而嚴格的質量要求。水中含氧量高會加速氧化對管線及設備的腐蝕，同時還為腐生菌的繁殖提供了條件。腐蝕反應物和腐生菌都會造成油層堵塞，從而增大管線、設備的維護及水質處理的成本及維護量。實現溶解氧達標可通過化學除氧和隔氧兩個途徑來完成。由于化學除氧需增加相應的設備及藥劑，成本較高，操作也不方便，目前海上平臺常利用本平臺的天然氣對污水處理系統及注水系統中的容器及設備等進行隔氧密封，不僅節約了成本，也減少了海上操作人員的維護工作。

但是對于空間有限、設備相對集中的海上生產平臺，使用天然氣密封在節約資源、環境污染及安全生產方面還有待進一步改進。

1 氮氣隔氧密封及制氮機

1.1 氮氣隔氧密封的優點

海上生產平臺空間小，設備布置緊湊，采用天然氣密封，其氣體的危險性會對其它設備產生影響，并帶來一定的安全隱患。因此，技術人員認為使用氮氣代替天然氣進行隔氧密封具有如下優點：1）減少危險區域，降低設備防爆費用；2）減少噴淋區域，使整個平臺所需的消防水量減少，從而降低消防泵的排量；3）對于需要使用氮氣的設備或工況可由統一氮氣源提供，節約成本?？傊?，氮氣隔氧密封不僅從根本上解決了天然氣密封所帶來的安全隱患問題，使總體布置不受制約，更為靈活，也統一平臺氮氣用戶氣源，減少成本。

平臺遠離陸地，空間有限，氮氣的來源不能像陸地油田一樣可以使用化工廠提供的液氮或氮瓶，故考慮使用制氮機進行就地制取，方便可靠。國內的制氮機技術始于20 世紀80 年代初，多用于金屬熱處理、食品工業、電子工業、石油天然氣等。目前海上平臺已有不少使用先例，但常用于吹掃等工況。

1.2 制氮機的使用特點

1）低成本，制氮機是以壓縮空氣為原料，實現空氣中的氮、氧分離來制取氮氣，其耗電率比其它系統低，原料清潔并取之不竭；2）結構簡單，成橇供應，海上安裝方便；3）性能可靠，維修方便。

1.3 制氮技術

目前制氮技術主要分為分子篩制氮法和膜分離制氮法。

1）分子篩是種人工合成的沸石，具有高效、高選擇性吸附性能。分子篩法正是利用氧和氮的核四極矩的不同，對氮進行選擇性吸附。在加壓時，分子篩對氮的吸附容量增加，減壓時，對氮的吸附容量減少，從而形成了加壓吸附、減壓解吸的過程，即所謂變壓吸附。減壓時，解析出的氮氣即是已濃集的氮氣?？諝庥蓧嚎s機加壓、冷卻，再經過油水分離，一般要將水露點降至低于環境溫度10℃之后，在一定壓力下進入分子篩吸附床。氮氣由吸附床吸附，氧氣留在不吸附相。高濃度的氮氣在操作壓力下將趕走氧氣，進入氮氣儲罐。分子篩法可連續得到純度為99%的氮氣。分子篩制氮技術基本流程如圖1 所示。

2）膜分離制氮法主要原理是空氣中氮氣和氧氣在驅動力——膜（高分子材料）兩側壓差作用下，由于它們在膜中溶解度和擴散系數的不同，導致滲透速率較快的水蒸汽、氧等氣體優先透過膜，成為富氧氣體；滲透率較慢的氮氣在滯留側富集，成為干燥的富氮氣體。在配置催化脫氧系統的同時，可得到純度為99%的氮氣。膜分離原理如圖2 所示。

圖1 分子篩法制氮技術基本流程圖

圖2 膜分離原理圖

2 制氮機在BZ26-3 平臺上的應用

BZ26-3 WHPA 平臺是一座集井口、原油及生產污水處理、天然氣壓縮、原油外輸、注水、供熱及生活等設施為一體的6 腿井口平臺。平臺總體布局既要是工藝流程合理順暢，又要滿足操作維修及安全方面的空間要求。在設計中，由于設備較多、空間緊張，而天然氣密封使得危險區域較大，不能將危險區與非危險區進行有效分隔，帶來安全隱患。這是該平臺較為突出的問題，因此設計人員決定采用氮氣隔氧密封。

采用何種制氮機需要根據BZ26-3 平臺實際需求進行選擇。雖然膜分離制氮法是目前較為先進、在油氣行業也有較好應用的方法，但是其制氮受溫度影響較大，需要控制在一定的溫度下才有一定的純度、產氣量及回收率。由高分子材料制成頭發粗細的纖維膜，需考慮入口氣源保持高清潔度及溫度、壓力等參數的穩定，常需要配置一套專業壓縮系統。這對于平臺空間、設備穩定性及現場操作都提出了較高要求。并且高分子材料等關鍵設備使得膜制氮法制氮機整體成本較高。而分子篩法只對氣源的清潔度有一定要求，操作等方面相對簡單，在國內技術也較為成熟技術，成本相對較低。因此，現試采用分子篩法對BZ26-3 平臺進行統一制氮。

BZ26-3 平臺使用氮氣的用戶有柴油吹掃、氣浮及生產水處理系統、注水系統的儲罐及容器的隔氧密封，這些用戶使用量及所需壓力都不相同，因此，較好的辦法是在制氮機后設置一個氮氣緩沖罐?？紤]到氣浮和吹掃時的操作壓力為0.6 MPa，而用于密封的壓力較低但可以通過降壓獲得，故氮氣緩沖罐的操作壓力可以定為0.6～0.7 MPa。

BZ26-3 平臺上設施全面，設有公用氣及儀表氣系統，該系統包括空氣壓縮機、冷卻器、空氣過濾器及空氣儲罐等。儀表氣必須是無油干燥的空氣，主要供給儀表和閥件，由于儀表氣具有較高的清潔度，考慮加以利用。引一路儀表氣進入制氮機作為空氣源，只需再經一級用來保證氣源質量的簡單過濾，直接進入制氮機的空氣吸附器即可進行制氮。這樣，相對于傳統的制氮機，可省略空壓機、冷卻器及空氣過濾器等組件，進一步節省了空間。

制氮機后的氮氣儲罐尺寸應滿足下游用戶使用，同時又不會使公用氣及儀表氣系統的壓縮機頻繁啟動。對于上述用戶，柴油吹掃為間歇工況，氣浮及隔氧密封為連續工況。因此，設計時應主要考慮連續用戶的使用情況，即隔氧密封和氣浮工況時的氮氣用量。對于隔氧用戶來說，幾個隔氧罐同時出現堵塞工況的可能性是很小的，可忽略不計。在設計時，我們不能只是將這些極端工況下的用量簡單相加，而是應取罐體積最大，罐內液位波動最大的隔氧密封罐來進行計算。通過比較，BZ26-3 平臺中注水緩沖罐罐體積最大、此罐中的水除了作為注水緩沖外，還需定時對上游流程中的濾器進行反沖洗，因此其液位波動也最大。經計算，對于最大液位波動時，注水緩沖罐需要的氮氣為50.3 m3/h，加上連續運行的氣浮用量6 m3/h，再考慮1.2 的系數，氮氣發生器實際能力應為70 m3/h。那么前面的空氣用量可近似認為需要為100 m3/h，即儀表氣應提供空氣氣源100 m3/h。

對于氮氣緩沖罐，可以利用公式V1=101.3·t·υ1/（P1-P2）進行計算。其中：V1為氮氣緩沖罐容積，m3；t 為儲存時間，min；υ1為在1 個標準大氣壓、15.56℃條件下的耗氣量，m3/min；P1為氮氣緩沖罐上背壓閥的壓力設計值，kPa；P2為系統的最小操作壓力，kPa。

本項目取緩沖時間10 min，計算得氮氣儲罐為15 m3。當用戶用量進行大范圍波動時，制氮機只需要約13 min就可把氮氣緩沖罐補滿，可以滿足BZ26-3 平臺氮氣用戶使用情況同時也不會造成空壓機的頻繁啟停。

通過以上參數的確定，并與廠家溝通，制氮機只需占地1.5 m×1.5 m，加上氮氣緩沖罐，其總占地也只為4 m×3 m，在空間緊張的BZ26-3 平臺上是可以布置下的。因此，可以采用分子篩法制氮機進行制氮。

3 結論

通過以上的對比分析和計算，制氮密封根本上解決了傳統天然氣密封而對BZ26-3 平臺造成平臺設備布局困難、提高平臺危險因素的難題。同時在設計時考慮采用平臺儀表氣系統制氮，更好地利用了平臺資源，也進一步解決了使用制氮機遇到的空間問題，對于平臺危險區域劃分、減少防爆設備，及節省其它設備及成本等都起到了積極的作用。

［1］海洋石油工程設計指南編委會.海洋石油工程設計概論與工藝設計［M］.北京：石油工業出版社，2007.

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［2］汪治平.膜制氮技術及在油氣田的應用［J］.天然氣工業，2007，27（12）：141-143.

［3］黃遠其.使用氮氣對注水儲罐封頂密閉的探討［J］.油田地面工程，1997（10）：70-73.