FPSO自動化清艙集成系統構建

(南海西部石油油田服務(深圳)有限公司，廣東 深圳 518000)

FPSO等海上設施在生產、運輸或原油存儲過程中會逐步沉積產生含油污泥，特別是在貨油艙、生產水艙、污油艙等艙底的含油污泥更為頑固。傳統的清艙工作一般采用人工清艙方式。由于艙底溫度高，環境惡劣，鏟挖和輸送難度較大，效率非常低，約為7 m3/d。完整清洗1個艙室的污油泥處理量約為200 m3，至少需要30 d才能完成。這對于床位非常緊張的FPSO而言時間過長，影響較大。因此，提出構建FPSO自動化清艙集成系統，通過更加安全、高效、經濟的方式解決艙底污油泥清洗和處理問題。

受到FPSO對空間、質量、時效等各方面的限制，FPSO自動化清艙集成系統的構建要求占地面積小、重量輕、操作簡單、能耗低、效率高并且安全防爆，重點要完成油泥抽吸和泵送子系統和油泥減量化及資源回收子系統的構建。

1 整體系統構建

FPSO自動化清艙集成系統采用移動式設計，主要分為4個子系統。

1)油泥沖洗和擾動子系統。通過施加3～20 MPa的高壓水進行沖洗，兼顧清洗和擾動油泥，將場地固化的油泥沖散，變成具有一定流動性的油、泥、水多相流，便于油泥泵的抽吸和泵送。

2)油泥抽吸和泵送子系統。通過專門設計的移動式油泥泵將沖散的油泥水混合多相流抽吸并泵送到30 m高的甲板上，進入油泥減量化處理流程。

考慮到艙底的嚴格防爆要求，該油泥泵需采用液壓驅動設計，液壓單元放在甲板上，通過高壓管線連接并驅動油泥泵。

3)油泥輸送管線子系統。通過耐高溫、耐負壓、耐腐蝕、耐磨損并且具有一定柔韌性的管線輸送油泥。前端抽吸的管線選用高強度輕便型的鋼絲骨架PVC管，后端泵送管線選用帶螺旋鋼絲骨架的多層橡膠(聚氨酯合成橡膠、天然橡膠等)管線，以滿足油泥輸送的強度要求和韌性要求。

同時，考慮到不同現場的管線長度要求不同，可采取預制快速接頭的方式，按5～20 m的長度設計單根管線，然后通過快速接頭接駁使用，靈活滿足不同現場的要求。

4)油泥減量化子系統。通過機械式油泥減量化設備對泵送到甲板的艙底含油污泥進行脫水干化處理，同時通過化學藥劑的作用分離出一部分原油，實現資源回收利用。

整體集成化工藝線路見圖1。

圖1 移動式的自動化集成清艙系統工藝線路

2 油泥抽吸和泵送子系統的構建

2.1 現狀和需求

1)泵送的物料包含油、泥和水，含固量較高，有一定粘性和腐蝕性，同時污油泥中可能存在大顆粒泥塊，流動性較差，會造成泵內部卡死。

2)油氣混合環境使用，高壓水槍沖洗污油泥后，會導致油泥中的有機氣體揮發，需嚴格防爆。

3)油泥輸送泵的操作平臺與艙底距離超過3 m，覆蓋的橫向距離超過10 m，油泥還有一定黏性，管阻較大，因此，油泥輸送泵需要具備5～8 m的自吸能力。

4)甲板距離艙底有30 m高，因此油泥泵的揚程不能低于35 m。

5)油泥輸送泵要通過人孔進入貨油艙內，結構要緊湊，外形尺寸要能通過人孔，最長不能超過90 cm，最寬不能超過70 cm。同時在艙底要能夠方便移動，因此，需要嚴格控制總體質量。

6)油泥泵要能夠隨時反轉，以便把卡住的大塊油泥或者出口管線中的油泥排空。

2.2 油泥輸送泵選型

2.2.1 泵型比選

在陸地輸送含油污泥的工藝選型中，泵送裝置多采用螺桿泵、柱塞泵、離心泵等進行污泥的泵送[1-3]，但是對于含油含沙量較高的艙底污油泥都無法直接滿足應用要求。

4種類型的泵各有優缺點，對比見表1。

比較后認為，本項目適合選擇轉子泵。

2.2.2 油泥輸送泵選型參數計算

由于艙底距離甲板有30 m左右，考慮到油泥的自重及管線彎頭的沿程阻力，油泥輸送泵的揚程設計為40 m。

為了減少甚至免除甲板上的油泥脫水干化時間，油泥泵需要盡可能抽取含泥量大、含水量低的油泥，提高脫水干化效率甚至直接裝袋。因此，油

表1 4種類型的泵優缺點比較

泥輸送泵的流量按照20 m3/h進行設計。

確定油泥輸送泵設計壓力：p0=0.4 MPa，設計流量：Q0=20 m3/h。

本項目中油泥輸送泵所輸送的介質為油泥水混合物，為提高使用壽命，泵葉輪內部選用鋼骨架，外部包覆丁腈膠。根據設計流量數據，參照轉子泵排量選型手冊，選定排量：Vg=801.5 mL/r。

根據轉子泵排量及流量，計算轉速如下。

n=Q0/Vg=415 r/min。

考慮到泵本身的機械效率，將油泥輸送泵額定轉速設計為500 r/min，為了提高泵效率，為液壓直驅，省掉減速機，因此,油泥輸送泵實際轉速由油壓控制。

1)泵軸功率P。

P=p0×Q0=2.22 kW

2)泵運行轉矩。

T0=p0×Vg/2π=51.4 N·m。

考慮到實際使用過程中可能泵送黏稠度非常高的油泥，因此，在轉矩設計時，采用理論計算值的1.6倍。

2.2.3 配套液壓系統參數計算

為了保證油泥輸送泵在艙底工作絕對安全和防爆，采用液壓馬達驅動。本系統設計將液壓單元放在主甲板上，通過液壓油管線連接艙底油泥輸送泵的液壓馬達上，驅動油泥輸送泵工作。

根據油泥輸送泵的轉矩要求，選配擺線低速大轉矩液壓馬達，排量為80 mL/rev。馬達工作轉速為500 r/min、轉矩為90 N·m。

根據上述液壓油的排量要求，計算液壓油流量：Q1=n1×Vg1=40 L/min。

此處考慮冗余系數1.3～1.4，液壓油額定流量設計為Q1=56 L/min。

根據行業經驗，油箱設計容量與液壓油流量一般取5倍系數，則油箱容量設計大小為280 L。

參考液壓油管選型，流量80 L/min以下選擇直徑16 mm油管即可滿足要求。

根據P=p0×Q0計算出液壓油壓力為4.58 MPa。

根據經驗，系統設計油壓按2倍系數計算，最大油壓按3倍系數計算，確定系統設計油壓為10 MPa，最大油壓14 MPa。

3 油泥減量化子系統的構建

3.1 現狀和需求

海上各艙室沉積的含油污泥都屬于工業危險廢物，從艙底清出后需要送到具有資質的第三方環保公司進行無害化處理，處理費用約為3 000元/t以上，費用高昂。因此，含油污泥的減量化對于減少處理費用至關重要。采用FPSO自動化清艙集成系統后，由于采用大量海水沖洗艙底的頑固油泥，因此，油泥被泵送到甲板后含水量大大增加，無法直接裝袋送環保公司，必須進行盡量化處理。

FPSO艙底的含油污泥與普通陸地上的含油污泥有所區別，在污油泥脫水干化設備設計選型時，需要考慮以下幾個方面的因素：

1)油泥含固量高。從艙底泵送上來的污油泥含有油、泥、砂等固體的量較高，流動性差。

2)油泥固體顆粒大。污油泥中存在大顆粒(直徑40 mm)的泥塊，分離設備要避免卡死。

3)易清洗 。由于所處理的含油污泥具有較強的粘性，因此油泥減量化設備需要具備易清洗的功能設計，可以自我清洗，也不易堵塞，確保設備可以長期運行。

4)設備結構緊湊、質量輕巧。甲板空間有限，設備結構必須緊湊，要能夠在有限的空間內放得下，總長度不能超過4 m，總寬度不能超過2.3 m。同時要求設備輕巧，方便移動。

5)設備振動小、噪音低。由于設備需要放在甲板上使用，設備的振動必須要小，噪聲要低，避免對周邊的工作環境造成影響和噪聲污染。

3.2 油泥減量化設備選型

3.2.1 脫水機機型比選

根據上述結構、性能、功能方面的要求以及對海上生產環境具有嚴格的環保和防爆要求，通過化學沉降分離、電加熱等技術線路的設備都有缺陷，只能通過復配藥劑+純機械脫水的方式實現。

在含油污泥處理工藝的研究方面，陸地石油石化企業開展過大量的研究和實踐工作。研究表明，綜合考慮運行管理、操作難易程度和運行效果等，疊螺機污泥脫水工藝較為適用[4]。

國內外常用的脫水機械設備主要有：板框式壓濾機、帶式壓濾機、離心式脫水機和疊螺式脫水機等[5]。通過對4類設備的優缺點和典型適用范圍比較可知，對于泥雜含量較高的含油污泥，板框式和帶式壓濾機都容易堵塞，且密封性較差，有異味，操作維護復雜；離心式設備重量過大。疊螺式脫水機集污泥濃縮和脫水于一體，具有出泥含水率低、占地面積小、易分離、不堵塞，可以實現自清洗，簡化污泥處理工藝流程， 降低地面工程建設投資及運行成本， 是含油污泥進行脫水的較好選擇。目前已在齊魯石化、中海油海上平臺、大慶油田、勝利油田等國內石油石化行業得到了初步應用[6-11]。為此，在FPSO自動化清艙集成系統的構建中，選用疊螺式油泥脫水機進行油泥減量化處理。

3.2.2 絮凝藥劑試驗

疊螺式含油污泥脫水機只能處理絮凝后的油泥。因此在進入疊螺機之前油泥的加藥絮凝工藝至關重要，直接影響后續的脫水干化效果。

艙底污油泥與普通的污泥或水處理污泥不同，水包油、油包水、泥雜多、成分復雜等多種綜合性問題都使得簡單添加絮凝劑無法達到絮凝效果。同時，艙底污油泥屬于長期沉積的老化含油污泥，其中有多種化學藥劑、蠟等成分，因此，傳統的單一絮凝劑無法適用。

若采用傳統的絮凝方式，絮凝效果難以達到疊螺機的預處理要求。在污泥絮凝領域較為適用的是陽離子有機絮凝劑：PAM聚丙烯酰胺。但FPSO艙底污油泥僅僅通過添加PAM無法達到絮凝效果。

在海洋石油111FPSO上對貨油艙的艙底污油泥進行現場添加各類藥劑絮凝試驗，結果見表2。

通過絮凝試驗確定了適用于艙底含油污泥絮凝的藥劑組合，即純堿+PAC+專用破乳劑+PAM。同時藥劑添加順序為先加純堿調節pH值，再加PAC調質，然后加專用破乳劑破解水包油和油包水的難題，最后添加PAM達到良好的絮凝效果。

表2 各類藥劑絮凝效果

4 試用效果

該系統在海洋石油111FPSO的貨油艙清洗工作中進行了試點應用。

傳統模式下人工清理油泥的效率為7 m3/h。清洗1個污油艙，以200 m3油泥計，需要10個人工作30 d。采用FPSO自動化清艙集成系統后，處理200 m3油泥只需要3 d，每天只需要5人工作，比傳統人工方式減少50%人工量，效率提高10倍。

同時FPSO自動化清艙集成系統的減量化效果良好，脫水干化后的泥餅含水率達到預期效果。

5 結論

1)采用轉子泵作為FPSO艙底含油污泥的抽吸和泵送穩定可靠，自吸能力達到5～8 m，泵送揚程達到40 m，流量達到20 m3/h，直徑40 mm以下的固相油泥均可通過。

2)采用純堿+PAC+專用破乳劑+PAM的藥劑組合，艙底含油污泥的絮凝效果良好，可以達到后續機械脫水的預處理要求。

3)采用疊螺式含油污泥脫水機可以對艙底含油污泥進行脫水干化，脫水后的含水率達到50%，減量化效果顯著。

4)FPSO自動化清艙集成系統的構建符合海上清艙作業的安全性和技術性要求，大幅提高了工作效率，降低了作業風險，降本增效的效果非常顯著，值得推廣應用。