原油發電機組的設計參數對海洋平臺環境的影響

于邦廷，王文祥，楊風允，劉維濱，秦小剛，柯爾欽乎，趙河山中海油研究總院，北京100028

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原油發電機組的設計參數對海洋平臺環境的影響

于邦廷，王文祥，楊風允，劉維濱，秦小剛，柯爾欽乎，趙河山
中海油研究總院，北京100028

摘要：海上平臺原油發電機組的煙氣排放對平臺環境質量造成嚴重的影響，原油發電機組的設計參數是控制海上平臺煙氣有害物質數量及其分布的決定要素。結合工程實例，探討了原油發電機組的煙管布置方案、燃油處理流程、燃油品質以及機組運行負荷率等對平臺環境質量的影響。研究結果表明，機組排煙管的布置要充分考慮區域風向，在分析主次風向對煙氣擴散潛在影響的基礎上，通過適當增加排煙高度或者增加煙管伸出舷外的距離可改善煙氣擴散對平臺環境的影響；根據油田原油的物性特點，確定適宜的燃油處理流程，減少燃油含水率，保證燃油進機的質量要求，這不僅能夠提高原油發動機運行的可靠性，而且對機組煙氣的排放也有顯著的改善作用；根據平臺實際的電負荷需求，通過采用調整機組運行的組數等辦法來使原油發電機組在較高的負荷率下運行，這對于降低煙氣中的固體顆粒物含量是有利的。

關鍵詞：平臺環境質量；原油發電機組；煙氣排放；設計參數

針對目前海上平臺尾氣排放存在的問題，本文分析了原油發電機組設計參數對平臺環境的影響，并提出了相應的解決措施，以期為類似的工程開發案例提供借鑒。

1　平臺原油發電機組煙氣處理

目前國內在海上平臺或FPSO（浮式生產儲卸油裝置）上安裝、使用原油發電機組已較多［1］，總裝機容量已經超過400 MW。機組基本采用本油田自產的原油作為燃料，燃料油品質差異較大，有高黏度、高密度的重質油，也有低閃點的輕質油。近年來隨著原油發電機組應用數量的增加，機組排放的煙氣對平臺生活設施以及現場工作環境產生了日益嚴重的影響，因此平臺機組煙氣排放問題已日益受到人們的關注［2- 5］，諸如水噴淋和靜電除塵等方法已被用于改善機組煙氣排放所產生的影響。

（1）水噴淋。除塵一般適用于原油發電機組煙管朝下排放煙氣的情況，通過在排煙管出口位置附近布置噴嘴，借助于噴嘴噴淋形成的海水水幕的重力作用，對原油發電機組運行時產生的煙氣進行沉降，從而達到去除煙氣中部分固體顆粒物的目的。水噴淋除塵法容易受到風向和風速的影響，當風速較小時海水垂直落下，煙氣隨著下降后會有部分飄散至底層甲板，從而影響底層甲板的環境。

（2）靜電除塵。常用于陸上燃煤電站的尾氣除塵，對于減少煙氣中大粒徑固體粉塵具有一定的作用，其原理是采用高壓靜電吸附技術對尾氣中的固體污染物進行凈化處理。將該技術應用于海上平臺原油發電機組的尾氣除塵，可通過在尾氣排煙管上設置高壓電極板，當含塵尾氣通過電極板間的高壓電場時，固體顆粒會附著在電場極板上，且隨著顆粒物的逐漸積聚，最終會因重力作用而落入下方的集塵斗中。通過定期清洗集塵斗和電極板，靜電除塵裝置可連續運行。目前南海某平臺首次使用靜電除塵技術，正在進行調試，初期的調試結果顯示具有一定的作用，其技術關鍵點在于根據機組不同的負荷率和煙氣流量來確定適應的電場，若能成功應用，這對于減少海上平臺原油發電機組尾氣排放中固體顆粒的含量具有重要意義。

2　機組設計參數對平臺環境的影響

根據現場使用經驗，由于采用原油作為燃料，原油發動機組煙氣排放的可見度比較高，煙氣中的NOx、固體顆粒物等對現場的工作環境造成了一定的影響。煙氣排放對平臺環境的影響除了受到平臺所處環境的風向、風力的影響外，還受到機組本身煙管的布置、燃油處理流程、燃油品質、機組運行負荷率等的影響。為了能夠解決煙氣對平臺環境的污染問題，需要全面了解控制平臺煙氣有害物質數量及其分布的要素。

2.1煙管布置的影響

平臺環境中的煙氣產生于發電機組，但煙氣的分布則受煙管的布置和風力、風向的影響較大。圖1給出了W油田的風向玫瑰圖，不同海域的風向和風速差異較大，圖1顯示主風向為NNE，次主風向為ENE。原油發電機組尾氣煙管的布置應在主風向的下風向，且排煙口應盡量布置在距離生活樓、甲板設施較遠的區域。由于生活樓以及房間的進風口一般設置在主風向處，因此排煙管出口位置也應該避開房間的進風口，且需要提前判斷煙氣擴散的主要路徑，避免煙氣被房間的通風風機吸入。但當某一海域次主風向較多時，受次風向的影響使得機組煙管布置變得困難，此時應盡量將煙管朝上排放，以降低次風向的影響。油田區域主風向對于固定平臺或者FPSO上原油發電機組煙管的布置起著主要的決定作用。

當原油發電機組布置在固定平臺頂層甲板或者FPSO主甲板時，由于機組裝機容量大，運行過程中煙氣排放量大，因此需要合理考慮煙管的布置。平臺頂層甲板除了布置有原油發電機房外，通常還會有生活樓、修井機或者模塊鉆機，因此原油發電機組排煙管的布置容易受到周邊設施的限制。

原油發電機組的煙管在穿過房間后可以垂直向上排放，也可以在房間頂部水平向一側排放。這兩種煙管布置形式均有應用案例，也各有優劣。如采用垂直排放的煙管，可將煙管的排氣口盡量超出生活樓和直升機甲板的高度，這樣可減少NOx等煙氣進入生活樓的概率。但這種布置往往會使平臺吊機的作業范圍受到限制，且垂直上升煙氣的存在影響直升機的起降。對于采用垂直排放的煙管，可通過盡量增加煙管的高度來消除對直升機的潛在影響。

圖1　W油田的風向玫瑰圖

若采用煙管水平側排，這種布置可減少對吊機作業的限制，同時也簡化了煙管的結構支撐。但采用煙管水平側排的方式也存在著煙管出口高度較低的問題，在某些特定風向的情況下，存在著機組煙氣吹向生活樓的可能，此時可通過增加煙管伸出舷外的長度來降低對周圍設施的影響。

圖2所示為南海L油田新建FPSO原油主機煙管布置的尾氣擴散分析圖，從圖中可以看到，由于FPSO可在海上隨著不同風向360°旋轉，因此通常情況下會出現主風向的風從船首吹向船尾的情況。此時原油發電機模塊若布置在靠近船尾的生活樓附近，煙管布置采用煙氣直接向上排放的方式，即采用圖2（a）中類似FPSO的這種布置方式，就會出現黑色煙塵散落在直升機甲板上的情況，造成防滑繩索被污染，嚴重時將影響直升機的起降。針對出現的這個問題，在L油田的開發過程中，煙氣排放布置采取了煙管從船舷右側伸出舷外一定距離的方式，在此基礎上，通過建立船體模型和計算，確定了機組尾氣排放的參數，分析了在主風向下不同風速對尾氣擴散的影響。從圖2（b）中可以看出，通過采取這一措施后，主風向的尾氣基本沿著右舷一側擴散，對生活樓和直升機甲板的影響可以忽略。

圖2　FPSO原油機組的煙氣擴散

2.2燃油處理流程的影響

原油發電機組的主用燃料為油田自產原油，且原油機組對燃用原油的要求較高，為了滿足原油進機的各項指標要求，需要先對燃油進行預處理。

采用常見的燃用原油處理流程，由于各油田油品性質差異較大，經過工藝分離器和電脫水器處理后的原油的含水率不一定能夠達到指標要求（含水質量分數≤0.5％），這就使得后續燃油處理流程對控制原油的進機指標十分關鍵。

圖3為Q油田某FPSO上原先采用的原油處理流程，從電脫水器上引出的一路原油直接進入了FPSO頂層甲板上的沉降罐，然后分別經過分油機、原油日用罐、增壓橇、供給橇將燃油供給原油發電機組。由于FPSO上三級分離器的處理液量較大，投產前幾年從電脫水器分離出的原油含水率較高，導致了供給原油發電機組的原油含水率較高，因而在機組運行的前幾年，其運行狀況較差，這增加了大量的維修保養工作和費用。后來經過仔細分析研究，對燃油處理流程進行了調整，如圖4所示。

圖3　油田FPSO上原先采用的原油處理流程

圖4　對圖3流程加以局部改造的流程

在FPSO艙室部分單獨隔離出一個大艙用于存儲從電脫水器中分離出的原油，并對原有的3臺分油機的工作流程進行調整，讓其中的一臺分油機從原油日用罐中取油，通過建立一個自循環實現對原油日用罐中的原油進行連續油水分離，達到了降低含水率的目的。經過這樣的流程改造后，增加了原油的沉降時間，提升了油水分離效果，進機燃油的含水率明顯降低，機組運行狀況也得到了明顯改善，機組排放的粉塵量也明顯降低。

2.3燃油品質的影響

表1對比了上述Q油田FPSO和J平臺的燃油組分，兩處原油的取樣口均為原油日用罐。由表1可知，兩處原油的密度、黏度、閃點、灰分、金屬含量等主要指標基本一致；但兩者含水率差異較大，J平臺上的原油含水率為0.19％，明顯大于FPSO上的原油含水率0.07％，雖然兩者都滿足廠家要求的進機含水率，但兩處原油發電機組尾氣排放質量差異較大。從現場兩處原油發電機組排煙質量判斷，J平臺上原油主機尾氣的可見黑煙明顯比較濃，這在一定程度上說明了燃油含水率對機組排煙的影響。建議通過合理控制燃油中的含水率來降低機組煙氣排放的粉塵量或改善機組的燃油燃燒效果。

表1　FPSO和J平臺燃油組分對比

2.4機組運行負荷率的影響

原油發電機組運行負荷率對尾氣排放的可見度和NOx的排放都有著明顯的影響。一般機組維持80％～85％的負荷率對降低機組油耗和尾氣中的煙塵含量都是有利的。圖5為J平臺原油發電機組在不同負荷率下尾氣中固體顆粒物的測量值，由此可見隨著機組負荷率的升高，機組尾氣中PM2.5和PM10顆粒物的質量濃度逐漸下降。因此對于原油發電機組可以通過適當提高機組負荷率來降低尾氣中固體顆粒的含量。

3　結論

針對目前海上平臺原油發電機組尾氣排放存在的問題，研究了海上原油發電機組設計參數對平臺環境的影響，并提出了相應措施，其主要結論如下：

（1）機組排煙管的布置要充分考慮區域風向，在分析主、次風向對煙氣擴散潛在影響的基礎上，通過適當增加排煙高度或者增加煙管伸出舷外的距離可改善煙氣擴散對平臺環境的影響。

（2）根據油田油品的物性特點，確定適宜的燃油處理流程，保證燃料油進機的質量要求，這不僅能夠提高原油發電機運行的可靠性，而且對機組煙氣的排放也有顯著的改善作用。

（3）根據平臺實際的電負荷需求，通過采用調整機組運行的組數等辦法來使原油發電機組在較高的負荷率下運行，這對于降低煙氣中的固體顆粒物的含量是有利的。

圖5　機組在不同負荷率下尾氣的含塵質量濃度

參考文獻

［1］王文祥.雙燃料往復式原油發動機用于海洋石油平臺的適應性［J］.中國海上油氣（工程），2000，12（6）：47- 50.

［2］衣華磊，周曉紅，劉飛，等.海上平臺原油發電機組布置位置影響研究［J］.石油工程建設，2012，38（2）：16- 18.

［3］賀相軍，王濤，王磊. LF13- 2油田開發項目原油主機排煙系統設計［J］.中國海洋平臺，2013，28（3）：6- 9.

［4］李東芳，許中，陳穎，等.發動機排煙對海洋平臺及周圍環境影響的數值模擬［J］.中國造船，2010，51（191）：40- 45.

［5］周偉，朱海山，張明，等.海上平臺原油發電機排煙管布置對直升機起降的影響研究［J］.中國造船，2013，54（S2）：502- 506.

Effects of Design Parameters of Crude Oil Engine Generator Set on Offshore Platform Environment

YU Bangting，WANG Wenxiang，YANG Fengyun，LIU Weibin，QIN Xiaogang，KEERQIN Hu，ZHAO Heshan
CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China

Abstract：For the issue of flue gas emission of crude oil engine generator set on offshore platform，various factors influencing flue gas emission are analyzed. The effects of the exhaust pipe layout scheme，fuel oil processing flow，fuel oil quality and generator set operating load rate on platform environment are studied. It is proposed that the unfavorable flue gas emissions can be improved by fully considering local main wind direction and increasing the height or the horizontal distance of exhaust pipe for reducing flue gas diffusion，selecting reasonable fuel oil treatment process for reducing water content in fuel oil，and adjusting the operating sets of engine generator according to practical electrical power load for ensuring higher operating load rate and reducing the dust content in the flue gas.

Keywords：environmentalquality of platform；crude oilgenerator set；flue gas emission；design parameter

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.008

基金項目：

工信部和財政部項目“海洋平臺及FPSO用大容量發電模塊研制”（工信部聯裝［2013］411號）。

作者簡介：

于邦廷（1987-），男，安徽阜陽人，工程師，2012年畢業于中國石油大學（北京），碩士，現主要從事海洋平臺機械設備選型和設計工作。Email：yubt3@cnooc.com.cn

收稿日期：2015- 12- 17