浮式生產儲油輪鍋爐及惰氣系統整合利用

馬杰（中海石油（中國）有限公司曹妃甸作業公司）

1 現狀

針對深入的海上油氣田開發，浮式生產儲油輪（下稱FPSO）已被廣泛應用，尤其對于遠海油田，其為經濟和安全的首選方案。FPSO上最重要的一個功能為存儲已處理合格的原油。為避免混合性爆炸氣體的艙室內的聚集，原油存儲艙室內需進行惰性氣體覆蓋。惰氣發生裝置隨即成為FPSO上不可或缺的設備[1]。

惰氣發生系統主要利用柴油作為原料，通過柴油泵打入燃燒室內，與空氣混合燃燒，所產生的氣體通過風機加壓，文丘里管冷卻后進入各艙室內進行惰氣覆蓋。

此文旨在開發一種惰氣替代及輸送的方式，替代柴油燃燒工藝，并保證此系統運行的穩定性和安全性，以適應海上油田生產存儲需要的同時，減少柴油消耗及溫室系統排放量[2]。

2 研究方案

針對覆蓋氣所需要的惰性氣體，海上生產模塊有多個設備可以產生類似氣體，如發電動機系統（為油田提供電力）、熱介質鍋爐系統（為油田提供熱能）等。但其系統均相對獨立，為能有效利用電站或熱站所產生的惰性氣體（以下以熱介質鍋爐尾氣引入為方向），必須將兩個系統進行有效連接，其中需要解決的問題主要有：工藝對接，引入惰性氣體至相關氣體增壓設備；排氣方式變化不能影響熱介質鍋爐運行；出口含氧必須控制在下艙要求的低于5%的要求；熱介質鍋爐不同季節的負荷變化帶來的尾氣量變化；鍋爐不穩定燃燒時產生的CO等可燃氣體；一旦尾氣增壓系統停運，鍋爐尾氣排放需要及時切換至其他通路。

3 開發方案

3.1 工藝系統

連接鍋爐至文丘里冷卻器[3]（可利用原惰氣系統輔助冷卻器，需核算換熱量是否滿足）工藝管路。改在完成后，鍋爐產生尾氣，進入冷卻器冷卻，通過增壓風機增壓后進入大艙做為覆蓋氣。增加兩路電動控制閥用于在熱介質鍋爐尾氣流程下游發生故障時進行閥門切換，以保證鍋爐尾氣可以順利排放至大氣，穩定鍋爐運行。具體工藝如圖1。

3.2 控制系統

為保證鍋爐產生尾氣量達標，需在鍋爐尾氣出口增加含氧分析儀，對尾氣含氧量進行實時動態檢測。并將信號引入鍋爐燃燒控制系統，做為輔助參數參與鍋爐燃料及空氣混燃比計算，在保證鍋爐出口含氧量達標的同時，亦能最大限度提高鍋爐燃燒效率，節省燃料。

圖1 浮式生產儲油平臺鍋爐工藝流程

為解決惰氣系統風機排量（原惰氣系統輔助設備）與鍋爐尾氣產生量（不一致的問題，需要對惰氣增壓系統進行排量控制，以達到兩個系統之間的匹配。可行的方式有節流及調速兩種方式。為減少投資，可采用節流方式對風機進行限流。通過風機前后截止閥開度控制，達到調節流量的目的。該技術方案實施后，可一定程度穩定鍋爐燃燒，避免了鍋爐燃燒狀態受到影響而導致的O2和CO含量變化。但其會有如下問題：風機長期欠載運行，扇葉散熱欠佳，溫度升高、振動增加，極易造成風機軸承損壞；節流閥后工藝真空度高，各法蘭密封處存在滲漏，導致惰氣O2含量高于熱介質鍋爐排煙O2含量[4]。采用變頻調速方式可將原定頻電動機更換為變頻電動機，增加適應容量的變頻器，并改造電氣控制系統，將原Y-Δ啟動（或工頻直起）[5]、定頻運行方式改為變頻啟動和運行方式[5]。使電動機頻率可在30～50 Hz調節，從而達到調節流量范圍，滿足工藝需求的目的。采用此方式可以完全解決兩個系統之間的匹配問題，且對設備運行效率，可靠性均帶來優勢。

3.3 保護系統

考慮到增壓風機入口負壓較高可能對爐膛內壓力產生的影響，針對鍋爐膛壓不足，火焰狀態不穩的情況，在排煙口處可加入耐高溫、微壓型變送器，信號接入中控系統，實時監控報警，保證鍋爐膛壓。

為加強對變頻增加風機的實時監控，在電動機側和風機側分別引入振動和溫度傳感器，與電動機控制回路連鎖，在高振和高溫情況下關停風機，并與就地控制系統或集散控制系統連鎖報警，并提示操作員。

其次，為保證系統運行安全，針對鍋爐可能不充分燃燒導致尾氣中出現的CH4/CO，在文丘里冷卻器后，接入實時氣體采樣分析系統，可對CH4/CO/O2實時采樣分析[6]，接入中控應急關斷系統報警，并連鎖惰氣系統停機。

4 結論

此類型的惰氣系統供氣方式，已在中海石油（中國）有限公司HYSY112浮式生產儲油裝置應用，運行穩定，依據經驗，每外輸1 m3原油，可節省柴油消耗0.000 2 m3，減少CO2排放0.000 6 t，對于年產千萬噸的大型油田，每年可節省柴油費用1.6億，溫室氣體排放6×104t。每年節省柴油300 m3，減少作業成本約360萬元/a，減少CO2氣體排放900 t/a，經濟價值客觀，環保價值巨大。且此方案可適用于所有海上具有生產及儲油功能的油氣田，惰氣的引入可以選擇各種類型的內燃設備，只需要對引入系統的背壓、供氣量、含氧量進行監控和調節，實施后可大幅節省柴油消耗，并為藍色地球做出貢獻。