节能型浮式生产储油装置惰气系统

杜 佳

(中海油研究总院 工程研究设计院，北京 100028)

0 概述

FPSO(浮式生产储油装置)不但是集油气处理、生活、发电为一体的海上油气开采装置，由于其巨大的储油功能，同时也相当于一座海上油库。一旦货油舱因意外发生溢油、燃烧甚至爆炸，其后果不仅仅是巨大的财产损失，人的生命安全、海洋环境都将遭到严重威胁和破坏。随着对安全性要求越来越高以及环境保护意识的不断增强，相关规范针对船舶的安全设施的配置要求也越来越严格。以国际海事组织(IMO)的《国际海上人命安全公约》(SOLAS 公约)为例，1974 年版本中规定，对于载运闪点不超过60℃同时其雷特蒸汽压低于大气压、载重量为100000 t 及以上的油船，应安装固定式惰气系统。以后，SOLAS 公约经过修订，对载重量的要求修改为20000 t［1］。而在2013 年1 月07 日至13 日于伦敦举行的IMO 消防分委会(FP)第56 次会议上，拟将必须配置惰气系统的油船载重量级别再次降低到8000 t 级［2］。由此可见，惰气系统在油船安全方面的重要地位。

FPSO 自20 世纪70 年代中期开始在欧洲出现，因其相对于某类特定油田开发生产所具有的独特优势，发展迅速。截至2007 年底，世界范围内已有一百多套FPSO，目前海油总正在运行的FPSO 也已有17 条。随着技术的不断发展及现场操作经验的积累，这些FPSO 上的惰气系统的配置形式也在不断变化改进。

1 FPSO 惰气系统配置现状及分析

1．1 惰气发生装置能力配置的变化

惰气系统主要功能是，保持液货舱内大气含氧量不超过8%(以体积计)并保持正压，使得正常作业时空气不能进入液货舱;降低每一液货舱的含氧量，使空液货舱惰化［3－4］。按照以上功能要求，对于FPSO 来说，无论是FPSO 正常生产时的原油储存，或是原油外输作业以及原油洗舱作业，都需要惰气系统的安全保护。

FPSO 的惰气最大需求量是在原油外输工况，惰气系统设计能力应是外输速率的1．25 倍［3－4］。在日常作业工况下，惰气需求量很小，除了工艺设备和工艺舱有一定数量的惰气需求之外，余下的就是货油舱的补气了。由于一般的惰气发生装置可在其额定能力的25% ～100%范围内调节，因此只需1 台惰气发生装置，就可以满足不同工况下的惰气用户需求。较早期的FPSO 惰气系统，绝大多数是按这种设计思路配置的。

随着全世界油轮安全事故的不断增多，人们对惰气发生装置这类安全保障设施的认识和重视程度不断提高。为确保惰气系统运行的可靠性，2 套惰气发生装置的配置方式开始出现。对于FPSO 来说，外输工况与正常生产工况所需气量悬殊，2 套惰气系统有主辅之分。主惰气系统用于外输工况或倒舱、洗舱作业，设计能力应能满足这些工况下用气量需求;辅惰气系统主要用于正常生产工况，设计能力一般是主系统的1/5 －1/4。服务于渤海海域的“渤海世纪号”以及南海海域的“南海奋进号”等都采用了这种配置方式［5］。

实际上，由于油田正常生产时，货油舱液位一直处于上升过程，为维持舱内压力稳定，舱内惰气随液位的升高在连续排放，根本无需补气。而工艺系统设备的安全覆盖气源，可由FPSO 上氮气系统提供，也不需要惰气的补充。也就是说，为正常生产时补气需要而设置的辅助惰气系统，在生产中并无实际用途。主辅配置方式的惰气系统运行几年后，现场反馈的情况也印证了上述分析。因此，近年建造的FPSO 对惰气系统能力配置又进行了改进，从“海洋石油115 号”开始，将2 套惰气系统的能力统一，即每台惰气发生装置的设计能力均可满足惰气最大需求量。

1．2 惰气发生装置配置型式的变化

根据惰气产生的方式不同，惰气系统可分为烟气式惰性气体系统(烟气模式)、惰气系统发生装置系统(燃烧模式)及将烟气模式与燃烧模式集成为一体的多功能惰气系统［6］。在多功能模式下，烟气模式、燃烧模式可各自独立运行，燃烧模式还可以作为烟气模式的补充，即当烟气含氧量超过5%的标准要求时［7］，燃烧模式启用，将烟气二次燃烧以降低烟气中的含氧量。

在1 主1 辅惰气系统配置方式下，主惰气系统多为多功能模式，辅助惰气系统选择燃烧柴油模式。如果选择2 套能力相同的惰气系统，依据不同的项目条件，在模式选择上也有不同。不同模式组合方式的优缺点分析见表1。

表1 惰气系统配置技术分析

无论采用何种惰气系统型式，为保证惰气系统运行的可靠性，可满足惰气最大需求量的燃烧柴油模式的惰气发生装置，是FPSO 必不可少的配置。因此，惰气系统也是FPSO 上除电站、热站外的另一个主要能耗用户。

2 对传统设计烟气利用效果的技术分析

2．1 烟气利用的可行性分析

FPSO 上热站系统负荷，除货油舱等的保温负荷外，还有上部设施中工艺处理流程的加热负荷及船体中工艺舱等的保温、加热负荷，这样，热站规模往往较大。热炉燃烧较为充分，烟气含氧量一般低于5%，烟气经必要的除尘、脱硫等处理后可直接作为惰气系统气源，这就为惰气系统采用热炉烟气作为气源提供了基本条件。表2 列出了分别服务于渤海海域、南海海域的几条FPSO 的热站配置规模。

2．2 烟气利用的可靠性分析

FPSO 的热负荷不但受作业海域、冬夏季节的影响较大，与生产作业工况也有很大关联。以南海海域的某FPSO 项目为例，表3 列举了典型年份的热负荷。

表中数据显示，工艺热负荷在最大年份达到FPSO 夏季总负荷的58%，冬季总负荷的34%，随油田开采年份不同，这部分热负荷逐渐减少到对总负荷的影响可忽略不计。热负荷的变化直接影响到热介质加热炉烟气产生的烟气量。以某厂家10000 kW 热介质加热炉为例，表4 列出了上述项目分别以油田伴生气、原油及柴油作燃料时，烟气分析结果。

表2 FPSO 热站配置

表3 FPSO 典型年份热负荷

表4 10000 kW 热介质加热炉烟气分析

当燃料组分一定时，热炉烟气的含氧量可以通过改变燃烧器结构以及调节风油比等方式进行控制，热炉负荷率的变化，对烟气中含氧量影响不大。但热炉负荷率的改变，直接影响到烟气量的大小。因此，烟气模式的惰气系统能否稳定可靠地运行，更多地取决于热站系统能否维持足够稳定的负荷率，为惰气系统提供足够的烟气量。

2．3 以往设计的弊端

以往的FPSO 惰气系统设计中，大多也考虑了对热炉烟气的利用，但实际应用效果却往往并不理想，没有达到节能的设计要求，其主要原因有如下几方面:

(1)FPSO 热负荷工况较为复杂。上部设施中工艺处理流程的负荷随生产年份变化较大;季节不同，船舱保温加热负荷差别较大。特别是在南海海域，环境温度较高，而原油进舱温度可达到70 ～80℃甚至更高，这样船体保温加热负荷的理论计算值会与实际需要的加热负荷有所差别。另外，FPSO外输工况是惰气需求量最大工况，但这时船舱保温加热负荷又是最低需求。几种因素综合在一起，导致热站实际负荷率的下降，外输时，会出现热站烟气量供应不充足的情况。

(2)目前较常用的多功能模式的惰气系统原理参见图1 所示，当热炉烟气含氧量合格时，烟气由风机抽出，经预水洗塔冷却并除湿后，由风机打入惰气总管进入各货油舱。当含氧分析仪检测到烟气含氧量超标时，由其发出信号启动柴油系统，在柴油辅助下，烟气经多功能惰气发生装置充分燃烧脱氧惰化后进入惰气总管。这套系统虽然同样利用热炉烟气作为惰气气源，并具有补燃功能，但其作用主要是当烟气组分中含氧量超标，可补充燃烧以降低含氧量。由于这种工况一般只是在热油锅炉本身或整个排烟系统出现故障等意外情况下才会出现，对于烟气量不足的工况，作用有限。

图1 多功能模式惰气系统示意图

图2 节能型惰气系统示意图

3 节能型FPSO 惰气系统

3．1 充分利用烟气资源的节能设计

节能型惰气系统如图2 所示，可以很好地解决当烟气量不足时，如何最大限度进行利用的问题。图中分别设置了1 套烟气模式、1 套柴油模式惰气系统，2 套系统完全独立，即与不同模式相匹配，分别由各自的惰气总管进入货油舱等惰气用户。

当烟气量充足时，烟气模式系统运行。热炉烟气由风机抽出，进入洗涤塔进行冷却脱硫和除尘;干净烟气经除湿后通过烟气模式总管进入各用户舱。这时，柴油模式处于关闭状态。

由于有2 套惰气总管，两个系统也可以同时向用户舱供惰气。烟气和燃烧模式系统设计有一个公共控制系统，当烟气模式总管上主甲板压力低时，通过压力变送器PT25，控制系统得到烟气排量不足的信号，并将信号传送至燃烧模式系统启动柴油输送泵、鼓风机，同时根据烟气模式总管上主甲板供气压力，控制模块可自动选择燃烧模式供气量，供气范围是额定能力的25% ～100%，但只能分档选择25%、50%、75%或100%;此时，烟气模式产生的惰气和柴油模式产生的惰气可以通过各自的总管向油舱供气。柴油模式惰气也可以通过总管之间的联通管线(图中未示出)，与烟气模式惰气一并由一路总管向油舱供气。如果出现烟气模式气量与燃烧模式气量大于惰气用量情况时，在烟气模式系统的甲板水封前设有调节阀PV23，通过调整控制阀CV22 开度，旁通多余的烟气。

当货油舱需要同时外输和洗舱作业时，柴油模式和烟气模式分别同时运行。由烟气模式为油舱提供外输时所需要的惰气，同时由柴油模式为洗舱室提供比较干净的惰气，两套系统独立运行，分别由各自的总管进入相应的用户，避免干扰。

3．2 节能设计优势

与以往FPSO 惰气系统比较，上述设计具有以下优势:

(1)采用1 台烟气模式、1 台柴油模式，将烟气作为基本气源。1 台设计能力为8000 m3/h 的惰气发生装置，采用烟气模式可节约柴油耗量约450 t/年(按年生产时率330 天，约10 天外输一次的外输频率计)，即每年节约燃料操作费用约400 多万元人民币。

(2)设置2 套惰气总管，FPSO 外输作业与洗舱作业可同时进行。

(3)尽可能充分地利用烟气，可以最大程度实现节能。

4 结束语

2 套完全独立的惰气系统配置方式，要增加1套惰气总管包括管路上甲板水封、压力真空关断阀以及所有阀门等安全、控制设施等。据估算，整个系统的初始投资增加约400 ～500 万元人民币。但是，即使按每次外输仅有约50%的烟气可以利用计，每年惰气系统节约的燃料操作费用也可达200 多万元人民币。也就是说，即使不考虑采用2 套惰气总管可提高生产时率而带来的经济效益，这笔初期设备投资，只需系统运行约2 ～3 年即可收回成本。

因此，充分利用烟气资源，是节约惰气系统能源消耗、降低排放污染的有效途径。

［1］《国际海上人命安全公约》(SOLAS 公约)(修订版)．1988．

［2］中国船级社网站． IMO 消防分委会(FP)第56 次会议要点快报［EB］．(2013 －1 －18)www．ccs．org．cn．

［3］国际海事组织(IMO)．国际消防安全系统规则［S］．2001．12．5．

［4］油船惰性气体系统技术条件:CB1196 －86［S］．

［5］金晓剑． FPSO 最佳实践与推荐做法［M］． 东营:中国石油大学出版社，2012．

［6］中国船舶工业总公司． 船舶设计实用手册(轮机分册)［M］．北京:国防工业出版社，1999．

［7］国际安全生产监督管理总局． 浮式生产储油装置(FPSO)安全规则［S］．2010．6．