海洋石油平臺輔助氣系統設計新思路

武明(海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520)

海洋石油平臺輔助氣系統設計新思路

武明(海洋石油工程股份有限公司，山東 青島 266520)

在海洋平臺設計中，根據傳統理念設計出的空壓機排量非常大，造成高成本、高占用空間、高功耗等不利結果。本文以南海某油田輔助氣系統設計為實例，提出了新的設計理念，成功解決了這一問題，新理念為：單臺空壓機應能滿足公用氣、儀表氣和氮氣系統各連續用戶消耗量總和；對于最大間歇公用氣用戶，其消耗量可通過開啟副空壓機得到滿足；而最大間歇氮氣用戶，則由氮氣儲罐為其提供短時間的氮氣緩沖供給，供給時間應與設備被控參數調整時間一致。

空壓機排量，公用氣，氮氣，覆蓋氣消耗

在海洋平臺傳統設計中，單臺空壓機排量應滿足下游連續用戶與最大間歇用戶耗量之和[1]。若最大間歇耗量來源于氮氣用戶，由于膜制氮效率相對較低，通常在27%左右[2]，會造成很大的制氮用公用氣消耗，最終導致空壓機的排量非常大，造成高成本、高占地面積、高功耗等不利結果。

因此，為解決以上問題，需要改變設計理念。本文在南海某油田的輔助氣系統設計中提出了新的理念，并已成功應用，有效降低了投資和運行成本。

新的設計理念是：單臺空壓機排量滿足儀表氣、公用氣和氮氣系統各連續用戶消耗之和；對于最大間歇公用氣用戶，可以通過啟動副空壓機來滿足其氣量需求；對于最大間歇氮氣用戶，則通過氮氣儲罐內提供短時間的氮氣緩沖供給，供給時間應與設備被控參數的調整時間保持一致。

1 系統流程簡介

該油田平臺儀表氣、公用氣和氮氣系統共用1套空壓機組，機組由2臺空壓機組成，以1主1副的LEAD/LAG熱備用控制形式運行[3]。壓縮空氣經冷卻、過濾后進入公用氣罐。經過公用氣罐后，一部分公用氣進入儀表氣處理橇進行處理，后進入儀表氣罐儲存，減壓后進入各儀表氣用戶；另一部分公用氣經減壓后直接進入公用氣用戶；還有一部分公用氣，進入膜制氮橇，經過處理后，進入氮氣罐儲存，減壓后進入各氮氣用戶。

2 用戶消耗

2.1 儀表氣和公用氣用戶消耗

該油田平臺儀表氣系統各用戶為連續消耗用戶，所有用戶的總耗量在考慮1.1倍設計余量和干燥過程中的部分公用氣損失后，便得到儀表氣系統入口公用氣氣量[4]，其值為350Sm3/h。平臺上最大間歇公用氣用戶為鉆井模塊，其耗量為120Sm3/h。

2.2 氮氣用戶消耗

平臺氮氣連續用戶總耗量為110Sm3/h，最大間歇用戶則是生產分離器。氮氣作為覆蓋氣，其消耗量與分離器進出口凈流量有關。當分離器出口流量大于進口流量時，液位下降，壓力降低，需要吸入氮氣維持壓力穩定，待液位經調整后重新恢復到設定值后，吸氣停止，氮氣供給時間和容器液位調整時間要保持一致。結合平臺實際情況，氮氣最大間歇消耗發生在最大產液單井關閉后，生產分離器發生液位波動的時間段內。平臺最大單井產液量為2400m3/d，液位從波動到重新調節穩定的最長時間為12分鐘(0.2h)，所以氮氣需供給時間為12分鐘。由此得到液量缺失為：2400m3/d÷24h/d×0.2h=20m3

再考慮1.1倍系數，便得22m3，需要補充操作條件下等體積氮氣量，才能穩定分離器壓力。根據理想氣體狀態方程可得標態下所需氮氣體積，計算如下：(P1V1)/T1=(P0V0)/T0

式中：P1為分離器操作壓力，600kPaA；V1為分離器操作條件

下氮氣供應體積，22m3；T1為分離器操作溫度，343.15K；P0為標準狀態下大氣壓，101.325kPaA；V0為標準狀態下氮氣供應體積，Sm3；T0為標準狀態下溫度，288.75K。計算得到標態下氮氣體積V0為110Sm3，以小時流量的形式表示12分鐘的氮氣耗量，數值為550Sm3/h。

3 系統處理量的確定

氮氣連續消耗為110Sm3/h，若考慮1.1的設計余量，則所需公用氣量為450Sm3/h。最大間歇氮氣用戶，其耗量為550Sm3/h，折算成所需公用氣量為2050Sm3/h。匯總各系統氣體消耗量，結果如表1所示：

表1 各系統氣體消耗量

若按照傳統設計，單臺空壓機的排量為連續用戶與最大間歇用戶耗量之和，排量為2850Sm3/h，數值非常大。將會占用很大的空間，同時功耗和成本也很高。本項目考慮由單臺空壓機來滿足所有連續用戶消耗，即排量為800Sm3/h。對于最大間歇公用氣用戶，通過開啟副空壓機來滿足其需求。由于主副2臺空壓機是同一型號，排量同為800Sm3/h，這樣完全可以滿足了最大間歇公用氣用戶120Sm3/h的需求。對于最大間歇氮氣用戶，由于小時耗量巨大，通過空壓機連續供給不太現實，但可以通過氮氣罐提供短時間的緩沖供給(12分鐘供給110Sm3的氮氣)，完全可以滿足分離器液位調整時間段內氮氣消耗，而無需長時間持續供氣。

4 結語

本文從項目的實際情況出發，對傳統輔助氣系統設計理念進行了調整，即：根據最大間歇用戶耗氣的特點，在不影響用戶正常工作的前提下，將其消耗由空壓機負擔轉由氮氣儲罐短時間負擔，成功降低了空壓機排量，為平臺節省了空間、降低了功耗和成本。

[1]羅彭，張振鵬，張曉敏，等.海洋石油平臺公用/儀表氣系統工藝設計研究[J].石油和化工設備，2013，16(8)：43-46.

[2]盧廷輝.膜制氮裝置在石油開發中的應用[J].石油機械,2000，28(8)：37-39.

[3]李霄,周險鋒，俞曼麗.空壓機聯控系統[J].中國海上油氣(工程)，2001,13(3)：5-8.

[4] SH/T 3020-2013 石油化工儀表供氣設計規范[S].北京：工業和信息化部，2013.