FPSO生產(chǎn)水處理沉降艙改造工程方案研究

王美波

海洋石油工程股份有限公司, 天津 300451

0 前言

中國海洋石油某FPSO(Floating Production Storage and Offloading)生產(chǎn)水系統(tǒng)[1-3]設(shè)計處理能力為6.3×104m3/d,主要依靠國外進(jìn)口水力離心機(jī)進(jìn)行處理,實際處理效果并不理想。雖然在生產(chǎn)過程中對閃蒸罐、化學(xué)藥劑進(jìn)行了改造,基本達(dá)到現(xiàn)有水量的處理要求,但隨著油田不斷注水開發(fā),日產(chǎn)水量會進(jìn)一步增大,現(xiàn)有設(shè)施將很難滿足水質(zhì)的處理要求,需要對現(xiàn)有生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行改造,以滿足生產(chǎn)水水量由6.3×104m3/d調(diào)整至6.9×104m3/d的處理要求。本工程方案實施前,船東已委托專業(yè)公司進(jìn)行了多方案比選,詳細(xì)分析了諸如大型斜板除油裝置+大型氣浮選裝置+大型核桃殼過濾器三級水處理工藝、其他新型水處理工藝設(shè)備等多個方案,鑒于現(xiàn)役FPSO船體和模塊部分已無可利用新增設(shè)備的布置空間,故本工程實施方案重點圍繞對現(xiàn)有艙室的功能調(diào)整及改造展開探索,以實現(xiàn)大艙兩級沉降,經(jīng)過研究,利用FPSO現(xiàn)有的2個不合格原油艙代替污油水艙功能,將2個污油水艙和2個燃料油艙改造成兩級生產(chǎn)水沉降艙,并對2個雨水艙中增加生產(chǎn)水沉降艙浮油收集功能,以達(dá)到生產(chǎn)水處理流程緩沖和擴(kuò)容的目的。

1 FPSO改造前概況

1.1 FPSO生產(chǎn)水處理系統(tǒng)改造前概況

FPSO原油系統(tǒng)分離出的生產(chǎn)水首先進(jìn)入生產(chǎn)水閃蒸罐,再由生產(chǎn)水增壓泵增壓至下游離心機(jī)需要的壓力后,經(jīng)過濾器過濾后送至離心機(jī)處理,離心機(jī)處理后的生產(chǎn)水輸送至注水系統(tǒng)進(jìn)一步處理后達(dá)標(biāo)回注,分離出的污油回到原油系統(tǒng)處理,流程見圖1。

圖1 現(xiàn)有生產(chǎn)水處理流程

1.2 FPSO艙室改造前狀態(tài)

FPSO艙室改造前狀態(tài)見表1，相關(guān)各艙室改造前功能描述如下[4-9]:

1)污油水艙改造前功能用于收集來自船艏船艉機(jī)械處所、雨水艙、上部組塊開閉排系統(tǒng)、鍋爐的排放水和所有貨油艙及未處理燃油艙的掃艙水。污油水艙的污油水經(jīng)500 m3/h污油水泵輸送到上部模塊處理。

表1FPSO艙室改造前狀態(tài)

改造前艙室單艙容積/m3單艙尺寸/m2個污油水艙5 03215.2×10.92×30.8NO.1未處理燃油艙2 57110.4×8.19×31NO.2未處理燃油艙2 55710.4×9.1×30.75NO.1已處理燃油艙2 95410.4×10×30.75NO.2已處理燃油艙2 27410.4×7.28×312個雨水艙2 4134.8×17.29×30.82個不合格原油艙20 20940×17.29×29.8

2)未處理燃油艙及已處理燃油艙改造前功能分別是作為儲存鍋爐和主機(jī)用原油的備用,閑置未用。

3)雨水艙改造前功能是用于收集船體和上部模塊區(qū)域的雨水。收集的雨水中可能含油,含油污水在雨水艙里沉淀實現(xiàn)油水分層。雨水艙內(nèi)設(shè)有排量250 m3/h的雨水艙泵,用于雨水輸送。艙水出口設(shè)置含油分析儀,經(jīng)分析后含油雨水被送至原污油水艙,不含油雨水排海。

4)不合格原油艙用于儲存上部組塊處理不合格原油。不合格原油經(jīng)1 250 m3/h不合格原油輸送泵再輸送回上部組塊處理。

1.3 大艙改造原則

1)改造及增加結(jié)構(gòu)的施工盡量不在與貨油艙共用的艙壁上進(jìn)行[10-15]。

2)施工盡量通過現(xiàn)有開孔進(jìn)行,應(yīng)避免在甲板及艙壁此類高應(yīng)力集中區(qū)臨時施工大開孔。

3)艙室功能改造應(yīng)盡量按照原設(shè)計原則,即左右舷功能對稱,避免影響穩(wěn)性。

2 大艙改造方案

充分利用現(xiàn)有艙室(污油水艙和燃料油艙),改造成2個系列生產(chǎn)水沉降艙,以滿足油田整體開發(fā)需求,并進(jìn)一步改善生產(chǎn)水水質(zhì)。

為進(jìn)一步提高水沉降艙的出水水質(zhì),在一級水工藝艙入口管線上預(yù)留化學(xué)藥劑注入接口,用于注入絮凝劑等藥劑。

生產(chǎn)水閃蒸罐出口生產(chǎn)水首先進(jìn)入一級水工藝艙(原污油水艙改造)進(jìn)行沉降,經(jīng)一級水工藝艙沉降處理后,左右舷生產(chǎn)水經(jīng)過艙壁開孔依靠液位差溢流分別進(jìn)入二級水工藝艙(NO.2未處理燃油艙和NO.1已處理燃油艙)進(jìn)一步沉降,而后經(jīng)新增生產(chǎn)水輸送泵輸送至上部組塊現(xiàn)有生產(chǎn)水離心機(jī)進(jìn)一步處理。兩級水工藝艙收油槽收集的污油經(jīng)艙壁開孔溢流進(jìn)入雨水艙,最后與不合格原油一起經(jīng)不合格原油泵送至上部組塊原油系統(tǒng)處理。

大艙沉降分離使得離心機(jī)入口水中含油量及固體懸浮物含量降低,改善了離心機(jī)入口水質(zhì),同時運行維護(hù)工作量也隨之降低。

根據(jù)生產(chǎn)水處理能力及配產(chǎn),改造流程中二級水工藝艙(原NO.2未處理燃油艙和NO.1已處理燃油艙),各新增2臺1 440 m3/h的生產(chǎn)水增壓泵。正常工況下,左右舷平均進(jìn)水,2艙均啟動1臺新增生產(chǎn)水增壓泵;當(dāng)其中1艙進(jìn)行洗艙時,另外1艙需啟動2臺新增生產(chǎn)水增壓泵滿足最大處理量要求。另外,改造流程中生產(chǎn)水輸送泵不再使用,需取消生產(chǎn)水閃蒸罐液位信號對該生產(chǎn)水輸送泵變頻的控制,并在生產(chǎn)水閃蒸罐出口增加液位控制閥,維持罐液位,見圖2。FPSO改造后艙室功能見表2。

圖2 大艙沉降流程

表2FPSO改造后艙室功能

改造前艙室改造前功能改造后功能2個污油水艙收集各處所污油水及雨水水工藝艙,不再收集污油水NO.2未處理燃油艙儲存鍋爐用原油,閑置未用水工藝艙,艙內(nèi)新增生產(chǎn)水增壓泵NO.1已處理燃油艙儲存主機(jī)用原油,閑置未用水工藝艙,艙內(nèi)新增生產(chǎn)水增壓泵2個雨水艙收集雨水收集雨水及水工藝艙撇出的污油2個不合格原油艙儲存不合格原油儲存不合格原油,兼具原污油水艙的功能

針對改造所涉及的輪機(jī)系統(tǒng)校核與改造設(shè)計方面,具體技術(shù)方案如下:

2.1 污油水系統(tǒng)

FPSO原有左、右舷2個污油水艙位于艉部#44～#63,見圖3。改造設(shè)計后,2個污油水艙改作生產(chǎn)水一級沉淀艙,將不合格原油艙(位于船中部#84～#92)兼作污油水艙。污油水艙功能轉(zhuǎn)移至不合格原油艙,所有污油水支管、總管需進(jìn)行改造。左右舷污油水艙(改造后生產(chǎn)水一級沉淀艙)保留改造前洗艙功能。生產(chǎn)水一級沉淀艙需增加生產(chǎn)水注入管線;增加生產(chǎn)水溢流管線至二級沉淀艙;增加收油管線至雨水艙。該艙室內(nèi)相應(yīng)的溫度、液位報警設(shè)定點需修改。

2.2 已處理燃油系統(tǒng)

FPSO有2個已處理燃油艙,用于儲存主發(fā)電機(jī)組用原油。改造方案是將其中1個已處理燃油艙改造為右舷生產(chǎn)水二級沉淀艙。由于本FPSO主發(fā)電機(jī)組為原油、天然氣、柴油三燃料機(jī)組,將其中1個已處理燃油艙改造為二級沉淀艙滿足規(guī)范和使用要求。改造后,艙內(nèi)增加從生產(chǎn)水一級沉淀艙來的溢流管線;增加收油管線至雨水艙。艙內(nèi)增加2臺生產(chǎn)水提升泵,用于將生產(chǎn)水輸送至上部模塊。該艙室內(nèi)相應(yīng)的溫度、液位報警設(shè)定點需修改。

2.3 未處理燃油系統(tǒng)

FPSO有2個未處理燃油艙,用于儲存鍋爐用原油。改造方案是將其中1個未處理燃油艙改造為左舷生產(chǎn)水二級沉淀艙。

由于本FPSO鍋爐為原油、天然氣、柴油三燃料鍋爐,將其中1個未處理燃油艙改造為二級沉淀艙滿足規(guī)范和使用要求。改造后,艙內(nèi)增加從生產(chǎn)水一級沉淀艙來的溢流管線;增加收油管線至雨水艙。艙內(nèi)增加2臺生產(chǎn)水提升泵,用于將生產(chǎn)水輸送至上部模塊。該艙室內(nèi)相應(yīng)的溫度、液位報警設(shè)定點需修改。

2.4 不合格原油系統(tǒng)

擬將不合格原油艙兼作污油水艙,需將污油水總管接至不合格原油艙。由于原污油水艙在船艉部,不合格原油艙位于船中部,考慮船舶艉傾(FPSO艉傾為0.45°),所有重力排放管線傾斜度設(shè)計為1.2°,以保證污油水順利排放至不合格原油艙。

2.5 污雨水系統(tǒng)

改造后,雨水艙用于收集一、二級沉淀艙污油,同時保留容納雨水的功能。雨水艙內(nèi)的液位報警設(shè)定點需修改,當(dāng)液位高至13 m時啟動污雨水泵,將艙內(nèi)污油水排放至不合格原油艙。

2.6 惰氣系統(tǒng)

Qj=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

=6 250+625+1 562.5+625+3 125

=12 187.5m3/h<12 500m3/h

故原惰氣系統(tǒng)能力滿足要求。

式中:Qj為船體最大惰性氣體耗量,m3/h;Q1為最大卸船條件下惰氣耗量,m3/h;Q2為污油水泵工作時惰氣耗量,m3/h;Q3為不合格原油泵工作時惰氣耗量,m3/h;Q4為燃料油泵工作時惰氣耗量,m3/h;Q5為生產(chǎn)水提升泵工作時惰氣耗量,m3/h。

2.7 液壓系統(tǒng)

由于新增4臺液壓潛沒式生產(chǎn)水提升泵,需對整個液壓系統(tǒng)進(jìn)行校核和改造。

改造前貨油泵液壓系統(tǒng)共有3個液壓動力單元,每個液壓動力單元內(nèi)配置有4臺主馬達(dá),1臺輔馬達(dá),每個液壓動力單元內(nèi)的主輔馬達(dá)能獨立運行。原液壓單元是按5臺貨油泵、2臺未處理原油泵、2臺壓載泵同時工作工況配置的。2個液壓動力單元同時工作,1個液壓動力單元備用,即有4臺液壓主馬達(dá),1臺輔液壓馬達(dá)備用,見表3。

表3單個液壓動力單元能力

馬達(dá)能力/(L·min-1)壓頭/kPa主馬達(dá)5 26429 100輔馬達(dá)31329 100

改造后,新增4臺生產(chǎn)水輸送泵,2臺泵同時工作,最大液壓能力需求見表4。

表4液壓動力單元能力需求

用戶所需液壓參數(shù)能力/(L·min-1)壓頭/kPa5臺貨油泵8 40025 5002臺未處理原油泵41024 0002臺壓載泵1 71021 5002臺生產(chǎn)水輸送泵3 12025 000合計13 640

故增加2臺生產(chǎn)水輸送泵后,3個液壓動力單元需同時工作,但其中1個液壓動力單元內(nèi)仍有2臺主馬達(dá)備用。

經(jīng)過上述流程改造,在正常生產(chǎn)工況下,船體左右舷兩艙均投入運行,停留時間可達(dá)到3.5 h。在污油水艙入口水含油量300 mg/L前提下,燃油艙出水含油量可降至50～100 mg/L,水中固體懸浮物經(jīng)過大艙沉降,含量也會有所降低,經(jīng)過大艙沉降處理的生產(chǎn)水再進(jìn)入FPSO原生產(chǎn)水離心機(jī)進(jìn)行處理后,生產(chǎn)水緩沖罐出水含油達(dá)到30～45 mg/L,最終輸送至注水系統(tǒng)進(jìn)一步處理后回注。改造前艙室結(jié)構(gòu)三維示意圖見圖3。

圖3 FR44-63三維示意圖

3 艙室改造施工內(nèi)容

艙室改造施工主要內(nèi)容如下[16-18]:

1)新增管線(管線系統(tǒng))、閥組等安裝(需根據(jù)管線布置圖并結(jié)合現(xiàn)場測量進(jìn)行)。

2)液壓系統(tǒng)改造。

3)電伴熱系統(tǒng)改造。

4)中控系統(tǒng)改造。

5)電纜鋪設(shè)。

6)拆除2臺換熱器,及相應(yīng)管線、電纜等。

7)恢復(fù)涂裝、保溫等。

8)艙室改造。

9)艙室開孔。

10)梯子改造、增加檢修小平臺。

11)拆除兩臺液貨泵。

12)安裝四臺液貨泵。

13)布水器及溢流管線(管線系統(tǒng))、閥組等的安裝,(需根據(jù)管線布置圖并結(jié)合現(xiàn)場測量進(jìn)行)。

14)安裝犧牲陽極。

15)恢復(fù)涂裝等。

4 艙室改造施工注意事項

本次改造是在FPSO運行期間不停工進(jìn)行的,施工時應(yīng)注意[19-20]:

1)上部模塊的改造工作需先于艙室改造前完成。

2)左右舷改造需按照現(xiàn)場生產(chǎn)需求制定合理的施工計劃,盡量降低改造帶來的不利影響。

3)44-63肋位的艙室空間狹小,目前只有幾個現(xiàn)有開孔可以進(jìn)行施工及新增材料、設(shè)備的運輸。為了避免艙室局部強(qiáng)度受損，改造過程中應(yīng)盡量少開較大工藝開孔，且施工完畢后需做好補(bǔ)強(qiáng)。

4)艙室內(nèi)改造前必須做好清艙、測爆、通風(fēng)工作。

5)動火工作前清除附近所有可燃物品。

6)作業(yè)時必須監(jiān)控艙內(nèi)空氣含量及定期測爆。

7)艙壁焊接作業(yè)后,注意相關(guān)艙室的涂裝恢復(fù)。

8)切割作業(yè)時要有專人看火,并持滅火器、準(zhǔn)備水管。

9)施工完畢后,需完成所有腳手架的拆除及現(xiàn)場清理工作。

10)施工時注意防范高空墜落風(fēng)險。

5 結(jié)論與建議

1)通過對中國海洋石油某FPSO現(xiàn)有生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行改造升級,充分利用大艙艙容,對生產(chǎn)污水采用兩級沉降分離,有效解決了現(xiàn)有污水處理系統(tǒng)能力不足的問題,同時為渤海在役FPSO艙室功能調(diào)整以解決生產(chǎn)中遇到的難題提供了新思路。

2)對于現(xiàn)役FPSO改造方案應(yīng)充分考慮不解脫狀態(tài)下的各種風(fēng)險因素,對于防火、防爆、環(huán)境保護(hù)、人員防護(hù)需要制定嚴(yán)格的預(yù)案,并報船級社審批。

3)工程設(shè)計階段應(yīng)盡可能詳盡地對陸地預(yù)制材料進(jìn)行梳理,包括貨物運輸及裝船方案均應(yīng)咨詢專業(yè)公司完成。

4)海上現(xiàn)場作業(yè)需要嚴(yán)格按照擬定工序分步進(jìn)行,并符合中國海洋石油總公司HSE體系各項規(guī)定要求。

5)所有大艙施工作業(yè)前需由外委專業(yè)公司進(jìn)行清艙洗艙、通風(fēng)、測爆等一系列準(zhǔn)備工作,艙內(nèi)腳手架的搭設(shè)可充分借助艙內(nèi)附屬結(jié)構(gòu),嚴(yán)禁相鄰艙室間交叉熱工作業(yè)。

6)為保證工程質(zhì)量,各項檢驗工作均需按照中國海洋石油總公司檢驗操作規(guī)程執(zhí)行,HSE作業(yè)計劃書需報船東報批。