杜 佳

(中海油研究總院 工程研究設(shè)計(jì)院，北京 100028)

0 概述

FPSO(浮式生產(chǎn)儲油裝置)不但是集油氣處理、生活、發(fā)電為一體的海上油氣開采裝置，由于其巨大的儲油功能，同時也相當(dāng)于一座海上油庫。一旦貨油艙因意外發(fā)生溢油、燃燒甚至爆炸，其后果不僅僅是巨大的財產(chǎn)損失，人的生命安全、海洋環(huán)境都將遭到嚴(yán)重威脅和破壞。隨著對安全性要求越來越高以及環(huán)境保護(hù)意識的不斷增強(qiáng)，相關(guān)規(guī)范針對船舶的安全設(shè)施的配置要求也越來越嚴(yán)格。以國際海事組織(IMO)的《國際海上人命安全公約》(SOLAS 公約)為例，1974 年版本中規(guī)定，對于載運(yùn)閃點(diǎn)不超過60℃同時其雷特蒸汽壓低于大氣壓、載重量為100000 t 及以上的油船，應(yīng)安裝固定式惰氣系統(tǒng)。以后，SOLAS 公約經(jīng)過修訂，對載重量的要求修改為20000 t［1］。而在2013 年1 月07 日至13 日于倫敦舉行的IMO 消防分委會(FP)第56 次會議上，擬將必須配置惰氣系統(tǒng)的油船載重量級別再次降低到8000 t 級［2］。由此可見，惰氣系統(tǒng)在油船安全方面的重要地位。

FPSO 自20 世紀(jì)70 年代中期開始在歐洲出現(xiàn)，因其相對于某類特定油田開發(fā)生產(chǎn)所具有的獨(dú)特優(yōu)勢，發(fā)展迅速。截至2007 年底，世界范圍內(nèi)已有一百多套FPSO，目前海油總正在運(yùn)行的FPSO 也已有17 條。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展及現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)的積累，這些FPSO 上的惰氣系統(tǒng)的配置形式也在不斷變化改進(jìn)。

1 FPSO 惰氣系統(tǒng)配置現(xiàn)狀及分析

1．1 惰氣發(fā)生裝置能力配置的變化

惰氣系統(tǒng)主要功能是，保持液貨艙內(nèi)大氣含氧量不超過8%(以體積計(jì))并保持正壓，使得正常作業(yè)時空氣不能進(jìn)入液貨艙;降低每一液貨艙的含氧量，使空液貨艙惰化［3－4］。按照以上功能要求，對于FPSO 來說，無論是FPSO 正常生產(chǎn)時的原油儲存，或是原油外輸作業(yè)以及原油洗艙作業(yè)，都需要惰氣系統(tǒng)的安全保護(hù)。

FPSO 的惰氣最大需求量是在原油外輸工況，惰氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力應(yīng)是外輸速率的1．25 倍［3－4］。在日常作業(yè)工況下，惰氣需求量很小，除了工藝設(shè)備和工藝艙有一定數(shù)量的惰氣需求之外，余下的就是貨油艙的補(bǔ)氣了。由于一般的惰氣發(fā)生裝置可在其額定能力的25% ～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此只需1 臺惰氣發(fā)生裝置，就可以滿足不同工況下的惰氣用戶需求。較早期的FPSO 惰氣系統(tǒng)，絕大多數(shù)是按這種設(shè)計(jì)思路配置的。

隨著全世界油輪安全事故的不斷增多，人們對惰氣發(fā)生裝置這類安全保障設(shè)施的認(rèn)識和重視程度不斷提高。為確保惰氣系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，2 套惰氣發(fā)生裝置的配置方式開始出現(xiàn)。對于FPSO 來說，外輸工況與正常生產(chǎn)工況所需氣量懸殊，2 套惰氣系統(tǒng)有主輔之分。主惰氣系統(tǒng)用于外輸工況或倒艙、洗艙作業(yè)，設(shè)計(jì)能力應(yīng)能滿足這些工況下用氣量需求;輔惰氣系統(tǒng)主要用于正常生產(chǎn)工況，設(shè)計(jì)能力一般是主系統(tǒng)的1/5 －1/4。服務(wù)于渤海海域的“渤海世紀(jì)號”以及南海海域的“南海奮進(jìn)號”等都采用了這種配置方式［5］。

實(shí)際上，由于油田正常生產(chǎn)時，貨油艙液位一直處于上升過程，為維持艙內(nèi)壓力穩(wěn)定，艙內(nèi)惰氣隨液位的升高在連續(xù)排放，根本無需補(bǔ)氣。而工藝系統(tǒng)設(shè)備的安全覆蓋氣源，可由FPSO 上氮?dú)庀到y(tǒng)提供，也不需要惰氣的補(bǔ)充。也就是說，為正常生產(chǎn)時補(bǔ)氣需要而設(shè)置的輔助惰氣系統(tǒng)，在生產(chǎn)中并無實(shí)際用途。主輔配置方式的惰氣系統(tǒng)運(yùn)行幾年后，現(xiàn)場反饋的情況也印證了上述分析。因此，近年建造的FPSO 對惰氣系統(tǒng)能力配置又進(jìn)行了改進(jìn)，從“海洋石油115 號”開始，將2 套惰氣系統(tǒng)的能力統(tǒng)一，即每臺惰氣發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)能力均可滿足惰氣最大需求量。

1．2 惰氣發(fā)生裝置配置型式的變化

根據(jù)惰氣產(chǎn)生的方式不同，惰氣系統(tǒng)可分為煙氣式惰性氣體系統(tǒng)(煙氣模式)、惰氣系統(tǒng)發(fā)生裝置系統(tǒng)(燃燒模式)及將煙氣模式與燃燒模式集成為一體的多功能惰氣系統(tǒng)［6］。在多功能模式下，煙氣模式、燃燒模式可各自獨(dú)立運(yùn)行，燃燒模式還可以作為煙氣模式的補(bǔ)充，即當(dāng)煙氣含氧量超過5%的標(biāo)準(zhǔn)要求時［7］，燃燒模式啟用，將煙氣二次燃燒以降低煙氣中的含氧量。

在1 主1 輔惰氣系統(tǒng)配置方式下，主惰氣系統(tǒng)多為多功能模式，輔助惰氣系統(tǒng)選擇燃燒柴油模式。如果選擇2 套能力相同的惰氣系統(tǒng)，依據(jù)不同的項(xiàng)目條件，在模式選擇上也有不同。不同模式組合方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析見表1。

表1 惰氣系統(tǒng)配置技術(shù)分析

無論采用何種惰氣系統(tǒng)型式，為保證惰氣系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，可滿足惰氣最大需求量的燃燒柴油模式的惰氣發(fā)生裝置，是FPSO 必不可少的配置。因此，惰氣系統(tǒng)也是FPSO 上除電站、熱站外的另一個主要能耗用戶。

2 對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)煙氣利用效果的技術(shù)分析

2．1 煙氣利用的可行性分析

FPSO 上熱站系統(tǒng)負(fù)荷，除貨油艙等的保溫負(fù)荷外，還有上部設(shè)施中工藝處理流程的加熱負(fù)荷及船體中工藝艙等的保溫、加熱負(fù)荷，這樣，熱站規(guī)模往往較大。熱爐燃燒較為充分，煙氣含氧量一般低于5%，煙氣經(jīng)必要的除塵、脫硫等處理后可直接作為惰氣系統(tǒng)氣源，這就為惰氣系統(tǒng)采用熱爐煙氣作為氣源提供了基本條件。表2 列出了分別服務(wù)于渤海海域、南海海域的幾條FPSO 的熱站配置規(guī)模。

2．2 煙氣利用的可靠性分析

FPSO 的熱負(fù)荷不但受作業(yè)海域、冬夏季節(jié)的影響較大，與生產(chǎn)作業(yè)工況也有很大關(guān)聯(lián)。以南海海域的某FPSO 項(xiàng)目為例，表3 列舉了典型年份的熱負(fù)荷。

表中數(shù)據(jù)顯示，工藝熱負(fù)荷在最大年份達(dá)到FPSO 夏季總負(fù)荷的58%，冬季總負(fù)荷的34%，隨油田開采年份不同，這部分熱負(fù)荷逐漸減少到對總負(fù)荷的影響可忽略不計(jì)。熱負(fù)荷的變化直接影響到熱介質(zhì)加熱爐煙氣產(chǎn)生的煙氣量。以某廠家10000 kW 熱介質(zhì)加熱爐為例，表4 列出了上述項(xiàng)目分別以油田伴生氣、原油及柴油作燃料時，煙氣分析結(jié)果。

表2 FPSO 熱站配置

表3 FPSO 典型年份熱負(fù)荷

表4 10000 kW 熱介質(zhì)加熱爐煙氣分析

當(dāng)燃料組分一定時，熱爐煙氣的含氧量可以通過改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)以及調(diào)節(jié)風(fēng)油比等方式進(jìn)行控制，熱爐負(fù)荷率的變化，對煙氣中含氧量影響不大。但熱爐負(fù)荷率的改變，直接影響到煙氣量的大小。因此，煙氣模式的惰氣系統(tǒng)能否穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，更多地取決于熱站系統(tǒng)能否維持足夠穩(wěn)定的負(fù)荷率，為惰氣系統(tǒng)提供足夠的煙氣量。

2．3 以往設(shè)計(jì)的弊端

以往的FPSO 惰氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，大多也考慮了對熱爐煙氣的利用，但實(shí)際應(yīng)用效果卻往往并不理想，沒有達(dá)到節(jié)能的設(shè)計(jì)要求，其主要原因有如下幾方面:

(1)FPSO 熱負(fù)荷工況較為復(fù)雜。上部設(shè)施中工藝處理流程的負(fù)荷隨生產(chǎn)年份變化較大;季節(jié)不同，船艙保溫加熱負(fù)荷差別較大。特別是在南海海域，環(huán)境溫度較高，而原油進(jìn)艙溫度可達(dá)到70 ～80℃甚至更高，這樣船體保溫加熱負(fù)荷的理論計(jì)算值會與實(shí)際需要的加熱負(fù)荷有所差別。另外，F(xiàn)PSO外輸工況是惰氣需求量最大工況，但這時船艙保溫加熱負(fù)荷又是最低需求。幾種因素綜合在一起，導(dǎo)致熱站實(shí)際負(fù)荷率的下降，外輸時，會出現(xiàn)熱站煙氣量供應(yīng)不充足的情況。

(2)目前較常用的多功能模式的惰氣系統(tǒng)原理參見圖1 所示，當(dāng)熱爐煙氣含氧量合格時，煙氣由風(fēng)機(jī)抽出，經(jīng)預(yù)水洗塔冷卻并除濕后，由風(fēng)機(jī)打入惰氣總管進(jìn)入各貨油艙。當(dāng)含氧分析儀檢測到煙氣含氧量超標(biāo)時，由其發(fā)出信號啟動柴油系統(tǒng)，在柴油輔助下，煙氣經(jīng)多功能惰氣發(fā)生裝置充分燃燒脫氧惰化后進(jìn)入惰氣總管。這套系統(tǒng)雖然同樣利用熱爐煙氣作為惰氣氣源，并具有補(bǔ)燃功能，但其作用主要是當(dāng)煙氣組分中含氧量超標(biāo)，可補(bǔ)充燃燒以降低含氧量。由于這種工況一般只是在熱油鍋爐本身或整個排煙系統(tǒng)出現(xiàn)故障等意外情況下才會出現(xiàn)，對于煙氣量不足的工況，作用有限。

圖1 多功能模式惰氣系統(tǒng)示意圖

圖2 節(jié)能型惰氣系統(tǒng)示意圖

3 節(jié)能型FPSO 惰氣系統(tǒng)

3．1 充分利用煙氣資源的節(jié)能設(shè)計(jì)

節(jié)能型惰氣系統(tǒng)如圖2 所示，可以很好地解決當(dāng)煙氣量不足時，如何最大限度進(jìn)行利用的問題。圖中分別設(shè)置了1 套煙氣模式、1 套柴油模式惰氣系統(tǒng)，2 套系統(tǒng)完全獨(dú)立，即與不同模式相匹配，分別由各自的惰氣總管進(jìn)入貨油艙等惰氣用戶。

當(dāng)煙氣量充足時，煙氣模式系統(tǒng)運(yùn)行。熱爐煙氣由風(fēng)機(jī)抽出，進(jìn)入洗滌塔進(jìn)行冷卻脫硫和除塵;干凈煙氣經(jīng)除濕后通過煙氣模式總管進(jìn)入各用戶艙。這時，柴油模式處于關(guān)閉狀態(tài)。

由于有2 套惰氣總管，兩個系統(tǒng)也可以同時向用戶艙供惰氣。煙氣和燃燒模式系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一個公共控制系統(tǒng)，當(dāng)煙氣模式總管上主甲板壓力低時，通過壓力變送器PT25，控制系統(tǒng)得到煙氣排量不足的信號，并將信號傳送至燃燒模式系統(tǒng)啟動柴油輸送泵、鼓風(fēng)機(jī)，同時根據(jù)煙氣模式總管上主甲板供氣壓力，控制模塊可自動選擇燃燒模式供氣量，供氣范圍是額定能力的25% ～100%，但只能分檔選擇25%、50%、75%或100%;此時，煙氣模式產(chǎn)生的惰氣和柴油模式產(chǎn)生的惰氣可以通過各自的總管向油艙供氣。柴油模式惰氣也可以通過總管之間的聯(lián)通管線(圖中未示出)，與煙氣模式惰氣一并由一路總管向油艙供氣。如果出現(xiàn)煙氣模式氣量與燃燒模式氣量大于惰氣用量情況時，在煙氣模式系統(tǒng)的甲板水封前設(shè)有調(diào)節(jié)閥PV23，通過調(diào)整控制閥CV22 開度，旁通多余的煙氣。

當(dāng)貨油艙需要同時外輸和洗艙作業(yè)時，柴油模式和煙氣模式分別同時運(yùn)行。由煙氣模式為油艙提供外輸時所需要的惰氣，同時由柴油模式為洗艙室提供比較干凈的惰氣，兩套系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，分別由各自的總管進(jìn)入相應(yīng)的用戶，避免干擾。

3．2 節(jié)能設(shè)計(jì)優(yōu)勢

與以往FPSO 惰氣系統(tǒng)比較，上述設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)勢:

(1)采用1 臺煙氣模式、1 臺柴油模式，將煙氣作為基本氣源。1 臺設(shè)計(jì)能力為8000 m3/h 的惰氣發(fā)生裝置，采用煙氣模式可節(jié)約柴油耗量約450 t/年(按年生產(chǎn)時率330 天，約10 天外輸一次的外輸頻率計(jì))，即每年節(jié)約燃料操作費(fèi)用約400 多萬元人民幣。

(2)設(shè)置2 套惰氣總管，F(xiàn)PSO 外輸作業(yè)與洗艙作業(yè)可同時進(jìn)行。

(3)盡可能充分地利用煙氣，可以最大程度實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

4 結(jié)束語

2 套完全獨(dú)立的惰氣系統(tǒng)配置方式，要增加1套惰氣總管包括管路上甲板水封、壓力真空關(guān)斷閥以及所有閥門等安全、控制設(shè)施等。據(jù)估算，整個系統(tǒng)的初始投資增加約400 ～500 萬元人民幣。但是，即使按每次外輸僅有約50%的煙氣可以利用計(jì)，每年惰氣系統(tǒng)節(jié)約的燃料操作費(fèi)用也可達(dá)200 多萬元人民幣。也就是說，即使不考慮采用2 套惰氣總管可提高生產(chǎn)時率而帶來的經(jīng)濟(jì)效益，這筆初期設(shè)備投資，只需系統(tǒng)運(yùn)行約2 ～3 年即可收回成本。

因此，充分利用煙氣資源，是節(jié)約惰氣系統(tǒng)能源消耗、降低排放污染的有效途徑。

［1］《國際海上人命安全公約》(SOLAS 公約)(修訂版)．1988．

［2］中國船級社網(wǎng)站． IMO 消防分委會(FP)第56 次會議要點(diǎn)快報［EB］．(2013 －1 －18)www．ccs．org．cn．

［3］國際海事組織(IMO)．國際消防安全系統(tǒng)規(guī)則［S］．2001．12．5．

［4］油船惰性氣體系統(tǒng)技術(shù)條件:CB1196 －86［S］．

［5］金曉劍． FPSO 最佳實(shí)踐與推薦做法［M］． 東營:中國石油大學(xué)出版社，2012．

［6］中國船舶工業(yè)總公司． 船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(輪機(jī)分冊)［M］．北京:國防工業(yè)出版社，1999．

［7］國際安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局． 浮式生產(chǎn)儲油裝置(FPSO)安全規(guī)則［S］．2010．6．