海洋平臺制氮系統(tǒng)節(jié)能降耗改造升級方案與實施

郭紀強，王愛民，鐘凱誠

中海石油（中國）有限公司天津分公司 天津 300450

0 引 言

海上某油田依托平臺公用氣系統(tǒng)為生產(chǎn)流程持續(xù)輸送純凈氮氣。該油田制氮系統(tǒng)將濃度高于97%的氮氣輸送至氮氣儲存罐，通過氮氣罐緩存穩(wěn)壓后輸送至現(xiàn)場各氮氣用戶，以保證生產(chǎn)流程的穩(wěn)定。但在注滿氮氣儲氣罐后仍有同等的耗氣量產(chǎn)生，制氮系統(tǒng)一直消耗大量公用氣，使公用氣系統(tǒng)的負荷加重，導致空氣壓縮機頻繁加載，造成空壓機長時間加載運轉(zhuǎn)，容易引起空壓機排氣高溫報警關停，影響公用氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時降低機組的使用壽命。

通過對制氮機工作原理及所需供給的用戶進行分析研究，在不影響油田正常生產(chǎn)的基礎上，對制氮系統(tǒng)進行節(jié)能降耗改造升級。通過在膜分離系統(tǒng)前增加氣動閥，實現(xiàn)根據(jù)氮氣罐壓力的高低進行開關，進而控制用于制氮的公用氣的通斷。通過本次改造升級能夠有效避免空壓機長時間滿負荷運轉(zhuǎn)，降低制氮系統(tǒng)耗能，同時降低制氮系統(tǒng)對公用氣的消耗，大大提高了平臺公用氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 制氮系統(tǒng)簡介

膜分離制氮系統(tǒng)的主要作用是生產(chǎn)合格氮氣，并提供給油田生產(chǎn)系統(tǒng)中的生產(chǎn)水斜板、脫氧劑罐、注水緩沖罐等設備以作為覆蓋氣使用。用于制氮氣的壓縮空氣由公用氣系統(tǒng)提供，氮氣系統(tǒng)的主要氮氣發(fā)生設備是氮橇和氮氣罐［1］。

膜制氮系統(tǒng)工作原理：經(jīng)空氣壓縮機壓縮的公用氣進入氮氣發(fā)生橇后，先經(jīng)過兩級濾器的過濾，再在干燥塔及精過濾器中將所含的水、雜質(zhì)、液滴等一并除去。制氮加熱器用于預熱潔凈空氣，并保證膜制氮的最適合溫度，從而提高膜床的工作效率。預熱后的空氣在膜管中進行空氣分離制氮。橇出口有氮氣濃度及水露點檢測設備，檢測合格后的氮氣進入氮氣罐中。整套膜制氮系統(tǒng)由空壓機系統(tǒng)、壓縮空氣凈化過濾系統(tǒng)、膜分離系統(tǒng)、控制儀表閥門系統(tǒng)4 部分組成。

1.1 空壓機系統(tǒng)

由空壓機提供壓縮空氣，空壓機的排氣壓力為1.17 MPa（表壓），壓縮空氣有效供氣量為327 Sm3/h，空壓機為制氮及油田其他用戶提供持續(xù)穩(wěn)定的空氣。

1.2 壓縮空氣凈化干燥系統(tǒng)

壓縮空氣凈化干燥系統(tǒng)設計有2 套，一用一備。從空壓機出來的壓縮空氣經(jīng)過初級過濾器、精密過濾器、無熱再生干燥機、粉塵過濾器等空氣凈化設備除去壓縮空氣中的油、水、塵，使空氣露點≤-40 ℃、油含量≤0.01 mg/m3、含塵濾徑≤0.01 μm，凈化后的空氣進入電加熱器控溫，最后進入膜制氮機組。

初級過濾器可去除1 μm以上的顆粒、水霧和油霧，使油霧含油量≤0.5 mg/L （w/w），從而有效阻擋空壓機后管道中的污染物。

精密過濾器可去除空氣中0.01 μm以上的顆粒雜質(zhì)、水霧和油霧，使油霧含油量≤0.01 mg/L （w/w），從而有效阻擋進入吸干機的污染物。

無熱再生式干燥塔有左右兩塔，正常運行時，一塔處于干燥過程，另一塔處于再生過程。干燥塔內(nèi)裝有干燥劑，依靠干燥劑的吸水性將通過干燥塔的氣體中的水分吸附，以達到干燥空氣的目的，這一過程稱為干燥過程。壓力突然下降的干燥空氣，經(jīng)加熱膨脹后，在與吸附水分飽和的吸附劑接觸時，吸附劑中的水分向再生空氣轉(zhuǎn)移，這一過程稱為再生過程。無熱再生干燥塔內(nèi)裝活性氧化鋁能使壓縮空氣露點達到-40 ℃以下，在出口管線上設置露點儀，確保空氣干燥，降低膜組吸水負荷，最終提高制氮膜組壽命及產(chǎn)能［2］。

1.3 膜分離制氮系統(tǒng)

經(jīng)過凈化干燥的潔凈壓縮空氣進入膜分離系統(tǒng)，即SA1508型膜制氮機組，通過中空纖維膜由高壓內(nèi)側(cè)纖維壁向低壓外側(cè)滲出。滲透速率大的“快氣”（主要是H2O、CO2、H2）由膜組件一側(cè)的開口排出；滲透速率小的“慢氣”（主要為N2）被富集在高壓內(nèi)側(cè)，由膜組件的另一端排出，從而實現(xiàn)氧與氮的分離。連續(xù)送入原料空氣以生產(chǎn)純度≥97%的氮氣，產(chǎn)量為100 Sm3/h，氮氣輸出壓力為1.1 MPa，氮氣露點≤-40 ℃，產(chǎn)出的氮氣經(jīng)儀表檢測系統(tǒng)后輸入至氮氣緩沖罐。

1.4 氣動切斷閥

氣動切斷閥作為氣動單元組合儀表中的執(zhí)行機構，是生產(chǎn)過程中自動控制系統(tǒng)的重要組成部分，它根據(jù)調(diào)節(jié)儀表傳來的信號切斷或開啟閥門，可滿足使用要求，具有結構簡單、使用可靠、維修方便等優(yōu)點。

采用丹麥ESG公司產(chǎn)品，其獨特的結構設計和調(diào)節(jié)能力與西門子程序控制器發(fā)出的信號遙相呼應，應用自如。氣動切斷閥具有可靠性，在無熱再生壓縮空氣干燥器上應用，可免維護2年。

2 節(jié)能降耗改造方案的實施

本次制氮系統(tǒng)節(jié)能降耗改造升級在膜分離系統(tǒng)前增加氣動切斷閥，能夠根據(jù)氮氣罐壓力的高低進行開關動作，進而控制用于制氮的公用氣的通斷。現(xiàn)場將氮氣儲氣罐的壓力數(shù)據(jù)傳到制氮機控制柜，本地控制柜內(nèi)設定壓力值高點，當?shù)獨饩彌_罐壓力達到設定值時，膜前閥門自動關閉，系統(tǒng)停止制氮；反之，當?shù)獨饩彌_罐壓力低至設定值時，膜前氣動閥自動打開，系統(tǒng)開始制氮。

在改造過程中，要油田正常穩(wěn)定生產(chǎn)，需根據(jù)現(xiàn)場實際情況制定制氮機改造計劃，準備相應物料及施工步驟推演。實施改造前，詳細分析作業(yè)過程中可能發(fā)生的突發(fā)狀況，明確在制氮機改造過程中不會對生產(chǎn)流程的穩(wěn)定運行造成影響。

2.1 流程安全隔離

制氮機停止運行后，檢查氮氣罐壓力是否出現(xiàn)突降趨勢，如變化緩慢，則對氮氣用戶逐步隔離并監(jiān)控相關設施運行狀況是否出現(xiàn)異常；確認前2 個步驟無異常情況，且設施運轉(zhuǎn)正常，氮氣罐壓力變化不大；此時氮氣罐壓力能保證流程使用，且氮氣管線各處不存在滲漏點；計算制氮機停止工作時氮氣用戶的耗氣量及時長；確認制氮機停機，保證氮氣罐壓力對用戶供應時長，在此階段完成氮氣主管線的加裝閥門工作。為了避免出現(xiàn)應急情況，拆卸制氮機主管線后，臨時安裝一根6.67 cm的軟管，以保證應急情況下制氮機隨時可用。

2.2 流程優(yōu)化

保證生產(chǎn)流程穩(wěn)定運行后，對膜分離系統(tǒng)入口氮氣主管線進行拆卸、切割，然后焊接組對法蘭，管線回裝，并安裝氣動蝶閥，注意管線接口的密封處理。

2.3 控制附件安裝

氮氣儲氣罐上新增壓力變送器，鋪設電纜至制氮機控制柜，將壓力信號引入制氮機PLC；對新增氣動蝶閥安裝氣壓管線及控制繼電器。在氣動蝶閥前主氮氣罐鋪設電伴熱，以避免出現(xiàn)因氣體不流通、冬季氮氣溫度低而導致的報警。

2.4 PLC程序修改

按照設計要求，對PLC程序進行修改，如圖1 所示。壓力高于設定值時，自動將膜前蝶閥關閉，停止制氮；壓力低于設定值時，膜前氣動蝶閥自動打開，開始制氮。將新增壓力變送器的信號線接到備用通道上，并設定手動模式，以實現(xiàn)閥門的手動開關［3］。

圖1 PLC中新增氣動閥控制程序Fig.1 Pneumatic valve control program in PLC

2.5 HMI組態(tài)修改

修改人機交互（Human–Machine Interaction，HMI）畫面，新增4 個變量，分別是氮氣壓力、壓力修整及加、卸載值，如圖2 所示。

圖2 HMI畫面組態(tài)修改Fig.2 Modification of HMI screen configuration

2.6 調(diào)試

離線測試確認無誤后再進行下裝調(diào)試，注意不能影響機組正常程序運行。測試過程中，注意檢查機組其他程序是否受干擾，并密切關注氮氣濃度及氮氣罐壓力。根據(jù)生產(chǎn)對氮氣壓力的需求，逐步摸索合理的壓力設定值，最終壓力加載設定值為750 kPa，卸載設定值為850 kPa，當?shù)獨夤迚毫Ω哂?50 kPa時，氣動蝶閥關閉，系統(tǒng)停止制氮；壓力低于750 kPa時，氣動蝶閥打開，系統(tǒng)開始制氮。此設定值不僅能夠保證生產(chǎn)流程的穩(wěn)定性，并且能夠有效降低制氮系統(tǒng)的能耗。

2.7 運行測試

在調(diào)試階段，測試各個控制點能準確反饋信號與執(zhí)行信號，確認各項功能正常后，開始正常系統(tǒng)操作運行測試。首先通知中控對制氮機系統(tǒng)進行運行測試，測試過程中，中控值守人員注意觀察氮氣罐的壓力變化，如出現(xiàn)突發(fā)情況，及時與現(xiàn)場人員聯(lián)系進行緊急處理，保證生產(chǎn)流程安全穩(wěn)定運行。

現(xiàn)場操作人員確認制氮機流程正常后啟動機組，觀察各項控制系統(tǒng)是否正常，檢查通過制氮機膜組后氮氣濃度是否高于97%、壓力控制閥是否打開、膜前溫度及加熱器是否正常、機組控制盤氮氣壓力是否升高。壓力達到850 kPa后，確認膜前氣動蝶閥是否按照系統(tǒng)控制限值關閉；壓力低于750 kPa時，確認膜前氣動蝶閥能否自動打開。機組正常運行若干周期后，檢查制氮機運行是否正常，確認各項功能正常后，機組開始正常運行。

3 效果評價

通過對比改造前后制氮系統(tǒng)空壓機加卸載時間，如圖3 所示，改造后，空壓機處在能耗高的加載時間段明顯縮短，制氮系統(tǒng)運行能耗明顯降低。

圖3 改造前與改造后空壓機加卸載時間統(tǒng)計Fig.3 Statistics of loading and unloading time of air compressors before and after transformation

通過本次節(jié)能降耗改造升級，有效避免了空壓機長時間滿負荷運轉(zhuǎn)，降低了制氮系統(tǒng)的耗能和制氮系統(tǒng)對公用氣的消耗，切實提高了平臺公用氣系統(tǒng)運行穩(wěn)定性。