吳堯增， 王文祥， 秦小剛， 李彥昭

(中海油研究總院， 北京 100028)

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海上平臺原油發(fā)電機組燃料油處理系統(tǒng)的設(shè)計要點

吳堯增， 王文祥， 秦小剛， 李彥昭

(中海油研究總院， 北京 100028)

摘要：原油發(fā)電機組因主用燃料通常為油田自產(chǎn)原油，從而廣泛應(yīng)用于伴生氣產(chǎn)量低的油田開發(fā)。但是由于沒有經(jīng)過煉化處理且不同產(chǎn)地原油物性差異較大，原油發(fā)電機組的燃料油處理系統(tǒng)需要進行針對性的設(shè)計，以滿足機組進機指標要求。該文以中海油典型海域原油物性為例，基于規(guī)范及不同廠商燃油重質(zhì)原油的能力，對原油的主要理化特性對機組帶來的影響進行分析，并提出具體的應(yīng)對措施，為今后原油發(fā)電機組燃油處理系統(tǒng)的選擇設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：海上平臺；原油發(fā)電機組；燃料油處理系統(tǒng)；設(shè)計要點

0引言

作為海上油田工程的核心，主電站為海上油田工程正常、連續(xù)、安全地進行生產(chǎn)提供電力保證。原油發(fā)電機組因主用燃料通常為油田自產(chǎn)原油，從而廣泛應(yīng)用于伴生氣產(chǎn)量低的油田開發(fā)[1，2]。但是由于沒有經(jīng)過煉化處理，且不同產(chǎn)地原油物性差異較大，導(dǎo)致燃料油中的水分、固體顆粒、鹽分、硫分、灰分和堿金屬等元素含量較高，會出現(xiàn)低閃點或高黏度的情況，這些特點對原油發(fā)電機組的正常運行影響很大。

原油發(fā)動機的母型仍是柴油機，與柴油機不同之處主要是作為燃料油的原油處理系統(tǒng)。原油處理裝置是原油發(fā)動機裝置的核心，實際統(tǒng)計結(jié)果表明，船舶用重質(zhì)燃油發(fā)動機的機械故障要高于輕質(zhì)柴油發(fā)動機，故障率大部分集中在燃料油系統(tǒng)[3]，包括高壓油泵、油嘴、各段的輸油泵、原油的分離/凈化/過濾等部件。原油發(fā)電機組燃料油處理系統(tǒng)質(zhì)量的好壞對發(fā)動機機械故障率有重要影響。因此，需要對原油發(fā)電機組燃料油處理系統(tǒng)進行針對性的設(shè)計，以確保其滿足機組進機指標的要求。

該文以典型海域原油物性為例，基于規(guī)范及不同廠商機組燃用重質(zhì)原油的能力，分析了影響機組性能的主要因素，并提出具體的應(yīng)對措施。

1海上平臺原油發(fā)動機的燃料油要求

1.1國外對于燃料油品質(zhì)的限定條件

由于對燃料油各種用途和性能要求有很大的不同，世界各國對各種等級的燃料油制定了通用的質(zhì)量規(guī)定，作為燃料油的生產(chǎn)和流通環(huán)節(jié)的標準[4，5]。20世紀70年代英國標準協(xié)會(BSI)、美國材料試驗協(xié)會(ASTM)和日本工業(yè)標準調(diào)查會(JIS)等針對陸用發(fā)動機制定了相關(guān)燃料油標準，船用發(fā)動機亦沿用這些標準。隨著石油煉制加工技術(shù)的發(fā)展及船用發(fā)動機燃用劣質(zhì)油能力的提升，20世紀80年代國際內(nèi)燃機協(xié)會(CIMAC)率先提出針對船用發(fā)動機的燃料油標準，國際標準化組織(ISO)在此基礎(chǔ)上制定了燃料油的國際通用標準。船用燃料油標準與早期制定的陸用燃料油標準的主要區(qū)別在于船用燃料油不再將燃料油黏度作為唯一可靠的質(zhì)量指標，而是包含了密度、傾點、殘?zhí)俊⒒曳?、含硫量、含釩量等多項參數(shù)的質(zhì)量要求，得到世界各國的普遍認同，有效地控制了船用燃料油的質(zhì)量。

船用燃料油按照石油煉制加工方式的不同分為船用餾分燃料油(DM)和船用殘渣燃料油(RM)，其中船用餾分燃料油包括船用汽油(MGO)和船用柴油(MDO)，市場上的船用重質(zhì)燃料油(HFO)就是指船用殘渣燃料油。海上平臺原油發(fā)電機組正常運行時采用經(jīng)過處理的油田自產(chǎn)原油作為燃料，可參照船用重質(zhì)燃料油標準，但又有所區(qū)別。表1給出了CIMAC對船用發(fā)動機殘渣燃料油品質(zhì)的限定條件，主要限定了燃料油的物性及雜質(zhì)含量。從表1中可以看出，CIMAC將殘渣燃料油共分為13種，分別給出了每種規(guī)格具體的技術(shù)指標要求。

表1　CIMAC對船用發(fā)動機殘渣燃料油品質(zhì)的限定條件

1.2國內(nèi)對于燃料油品質(zhì)的限定條件

我國于2012年修改采用國際標準化組織(ISO)的標準ISO 8217：2010《船用燃料油規(guī)格》，制定了船用燃料油標準GB/T 17411-2002《船用燃料油》。表2給出了ISO 8217:2010《船用燃料油規(guī)格》對于燃料油品質(zhì)的限定要求，從表2中可以看出，相較CIMAC早期標準，ISO 8217:2010《船用燃料油規(guī)格》增加了對于油品中酸性(KOH)組分的限定條件。同時，油品所含芳香烴殘?zhí)康暮渴怯绊懓l(fā)動機著火性能的主要因素，該標準還引入CCAI(Calculated Carbon Aromaticity Index)參數(shù)限制油品所含芳香烴殘?zhí)康暮俊?/p>

表2　ISO 8217對船用發(fā)動機殘渣燃料油品質(zhì)的限定條件

我國制定的GB/T 17411-2002《船用燃料油》相較ISO 8217:2010《船用燃料油規(guī)格》主要區(qū)別在于，對于殘渣燃料油中硫含量明確限定為不大于3.5%。

1.3實際廠商對原油發(fā)動機燃料油品質(zhì)的限定條件

雖然國內(nèi)外標準化組織對發(fā)動機燃料油品質(zhì)做出了限制，但是不同廠商針對各自機型的特點也有相應(yīng)的燃料油標準。

(1) 不同廠商對燃料油品質(zhì)的基本限定條件

以燃用原油為例，不同廠商對燃料油的基本限定條件見表3。對比不同廠商與CIMAC對于燃料油的限定值可以看出，不同廠商對其生產(chǎn)原油發(fā)動機的燃料油品質(zhì)有不同的限定要求，但大都限定在CIMAC統(tǒng)一標準范圍內(nèi)。只是各個廠商生產(chǎn)的原油發(fā)動機可以適應(yīng)更重的重油(參照15℃時密度最大限定值)，且對燃料油中的灰分有更高的要求。

表3　不同廠商與CIMAC對于燃料油基本限定條件的對比

(2) 同一廠商不同機型燃料油品質(zhì)的限定條件

以MAK廠商為例，不同機型原油發(fā)動機對燃料油的限定條件見表4。從表4中可以看出，不同機型的產(chǎn)品適用不同規(guī)格的燃料油品質(zhì)，因此，設(shè)計時還要根據(jù)不同廠商不同機型原油發(fā)動機產(chǎn)品的實際特點，分析目標油田所產(chǎn)原油作為機組燃料油的適應(yīng)性。

表4　MAK廠商不同機型產(chǎn)品對燃料油品質(zhì)的限定條件

注：表4中X表示可用，(X)表示在適宜的燃料處理系統(tǒng)下可用，*表示不可用，O表示須與廠商咨詢落實可用性。

2原油品質(zhì)對燃料油處理系統(tǒng)的影響

2.1海上平臺燃料油處理基本流程

燃油處理系統(tǒng)是原油發(fā)動機裝置的核心，原油發(fā)電機組正常運行時采用油田自產(chǎn)的原油作為燃料。油井產(chǎn)出液經(jīng)油氣分離、過濾、脫水、脫鹽等處理，并經(jīng)過專門設(shè)計的燃油處理系統(tǒng)處理后，需要能滿足原油發(fā)電機組進機指標的要求(其黏度、溫度范圍一般是10 mm2/s ～14 mm2/s，120℃～130℃左右)。

海上平臺常見的燃油處理系統(tǒng)如圖1所示，具體可分為兩個完全獨立的系統(tǒng)：一個是原油系統(tǒng)；另一個是柴油系統(tǒng)，主要由原油分離模塊、增壓模塊、原油供油模塊、柴油供油模塊以及原油沉淀柜、原油日用油柜、柴油日用油柜等組成。通常的處理流程是由分離模塊中的泵組將沉淀柜中原油送入離心分油機，加熱并去除水分、鹽分和機械雜質(zhì)后，送至日用原油柜儲存。增壓模塊從原油日用油柜吸油將其增壓并再加熱，原油供油模塊將原油壓力再提高，溫度進一步加熱，從而達到噴油嘴要求的黏度。通常在原油供油模塊設(shè)有黏度計，在線檢測燃油黏度并通過相應(yīng)的溫度控制隨時進行黏度調(diào)節(jié)。柴油供油模塊從柴油日用油柜吸油，其供油一路經(jīng)常閉截止閥供入發(fā)動機作調(diào)試等特定應(yīng)用；另一路在原油供油模塊的三通閥(自動控制)處供入其混合罐，之后再供入發(fā)動機燃用，混合罐除有燃料混合作用外，還具有整個增壓模塊系統(tǒng)中的透氣功能。

圖1　典型海上平臺燃料油處理流程

原油分離模塊由離心分油機、過濾器、加熱器和輸油泵等組成，主要功能是將原油沉淀柜供出原油經(jīng)分離處理后達到發(fā)動機進口對水分、鹽分和機械雜質(zhì)等的限定要求。增壓、供油模塊由增壓泵、除氣罐、加熱器、過濾器和黏度計等部件組成，主要功用是對燃油加溫降黏，從而解決燃油供油系統(tǒng)輸油泵的經(jīng)濟泵送黏度和實現(xiàn)發(fā)動機噴油嘴的良好霧化黏度。

2.2原油品質(zhì)對燃料油處理系統(tǒng)的影響

密度和黏度是衡量重質(zhì)燃料油最為重要的兩個指標，二者不僅影響燃料油的燃燒特性，同時影響原油發(fā)電機組的運行狀況。原油的密度會影響離心式分油機的分離作用，常規(guī)分油機可實現(xiàn)原油密度小于991 kg/m3時，脫除95%～98%的雜質(zhì)。原油的黏度不僅影響噴油油束的霧化質(zhì)量，同時影響油品的輸送性能，燃料油中雜質(zhì)對原油發(fā)電機組的正常運行也有影響。硫、釩及鈉在高溫(430℃以上)時融熔會產(chǎn)生高溫腐蝕，影響機組中接觸高溫燃燒氣體的部件(如排氣閥、活塞頂部及增壓器的燃氣渦輪等)。同時硫在低溫(130℃以下)時形成硫酸，產(chǎn)生低溫腐蝕，影響機組中與燃燒氣體相接觸的部件或裝置(排氣閥桿下部、增壓器透平殼體內(nèi)部及排氣煙道等)。雜質(zhì)元素的存在也會增加發(fā)動機零件的磨損，最終表現(xiàn)為機組的綜合磨損。此外原油中的瀝青和殘?zhí)紝?、煙氣等造成嚴重污染?/p>

海上平臺原油發(fā)電機組用原油因油藏不同，不同海域的原油品質(zhì)常有較大差異，原油品質(zhì)差主要體現(xiàn)在高黏度、高膠質(zhì)、高鹽分及高酸值上。設(shè)計時要根據(jù)不同廠商實際產(chǎn)品的特點，重點關(guān)注對機組選型設(shè)計有重大影響的因素[3]。

(1) 高黏度問題

渤海個別油田的原油黏度高達1 600 mm2/s(50℃)，屬特高黏原油。結(jié)合表2可知，目前原油發(fā)動機重質(zhì)燃油的黏度通常都限定在700 mm2/s(50℃)。若直接燃用此類特高黏原油，需重點考慮發(fā)動機噴油嘴的供油黏度問題。例如，用700 mm2/s(50℃)左右的高黏度原油時，相應(yīng)的加熱溫度約在125℃～130℃，而燃用1 600 mm2/s(50℃)的特高黏度原油，如果噴油嘴仍保持在10 mm2/s ～14 mm2/s，其加熱溫度將高達155℃～160℃。進噴油嘴的燃油溫度主要受限于密封圈等材質(zhì)的可承受能力，目前較常規(guī)應(yīng)用的材質(zhì)水平可達到約為150℃?；谶@一情況，選型時要重點考慮發(fā)動機噴油嘴供油溫度的可承受水平。

(2) 高膠質(zhì)問題

膠質(zhì)類似于瀝青，均為碳元素組分，但比瀝青的分子量低。膠質(zhì)在70℃～80℃便開始部分氧化而分解為瀝青，溫度越高分解程度越高，但受氧化條件限制不會100%氧化分解為瀝青(準確值要有專門油樣化驗確認)。膠質(zhì)(氧化分解部分)加上瀝青燃燒后最終產(chǎn)物都以殘?zhí)夹问酱嬖?，因此，要考慮發(fā)動機對其燃料殘?zhí)贾档目沙惺苣芰Α?/p>

膠質(zhì)對原油處理裝置中離心分油機也有較大影響，某些分油機產(chǎn)品只能承受一定限度的膠質(zhì)含量(例如5%以下)。

(3) 高鹽分問題

鹽分是以鈉含量作為限定的。鹽分溶解于水(原油中含水量)，為此經(jīng)離心分油機除水后(離心分油機處理后原油的最小含水量有時可達0.05%)，其鹽分將降至較低水平，若鹽分含量仍不滿足限定要求，可再人為地加水除鹽。

(4) 高酸性問題

渤海個別油田原油的酸性(KOH)高達5 mg/g，一些原油發(fā)動機燃油的限定值為3 mg/g。酸值絕大部分結(jié)合在油分中，少量溶解于水中。酸值結(jié)合在油、水中的準確比例，要由不含水的油品化驗給出。酸值超標將對發(fā)動機缸套、噴油設(shè)備以及排煙管線等產(chǎn)生高溫和低溫腐蝕。由于酸值絕大部分結(jié)合在油中，目前基于物理原理(相密度差)進行的原油分離處理技術(shù)，是不能分離的。在高酸值情況下，只能根據(jù)發(fā)動機抗高溫及低溫腐蝕的能力進行優(yōu)選。

3典型海上平臺的燃料油處理系統(tǒng)

表5給出了典型海上平臺原油發(fā)電機組用原油的組分和參數(shù)，從表5中可以看出，渤海A油田的原油為典型的高黏度重質(zhì)原油，南海B油田的原油為低閃點輕質(zhì)原油。

表5　典型海域的原油品質(zhì)

3.1高黏度重質(zhì)原油的燃料油處理系統(tǒng)

(1) 高黏度重質(zhì)原油的物性特點

如表5所示，渤海A油田原油的主要組分和參數(shù)均符合規(guī)范及廠商要求，但是鈉含量(300 mg/kg)高于規(guī)范及廠商要求(100 mg/kg)，此外原油的黏度及密度均接近規(guī)范及廠商要求上限。

(2) 高黏度重質(zhì)原油的處理方案

由于多數(shù)中速往復(fù)機的噴油嘴供油黏度一般為10 mm2/s ～14 mm2/s，因此燃用重質(zhì)燃料油時須對原油加溫降黏，從而解決燃料油供油系統(tǒng)輸油泵的經(jīng)濟泵送黏度和實現(xiàn)發(fā)動機噴油嘴的良好霧化黏度。設(shè)計時要根據(jù)廠商提供的具體機型、噴油嘴供油黏度，結(jié)合實際原油的黏度—溫度曲線圖，確定相應(yīng)的加熱溫度。通常對于大多數(shù)原油發(fā)動機，采用一段加熱即可滿足機組進機的黏度要求，但是對于高粘度重質(zhì)原油一段加熱難度較大，且不夠靈活，需考慮采用兩段加熱措施。對于超標的鈉含量可采用離心分油機除水后降至較低水平，若鹽分含量仍不滿足限定要求，可再人為地加水除鹽。

(3) 高黏度重質(zhì)原油的處理結(jié)果

圖2為渤海A油田高黏度重質(zhì)原油處理流程，渤海A油田項目將增壓供油模塊分作增壓和供油兩個獨立模塊，原油的加熱降黏也分兩段完成。在增壓模塊中將原油由95℃(原油日用油罐溫度)加熱至105℃(相應(yīng)的黏度約為24 mm2/s)，在供油模塊中原油由105℃再繼續(xù)加熱至125℃～130℃供至發(fā)動機噴油嘴，對應(yīng)的原油黏度為10 mm2/s ～14 mm2/s，滿足機組進機黏度指標要求。同時由于高黏度燃料油的使用，燃油預(yù)熱溫度大大提高。為避免在使用高黏度重質(zhì)原油時因預(yù)熱溫度過高而汽化，采用一種加壓式燃油系統(tǒng)。模塊中的增壓泵和除氣罐等裝置則對系統(tǒng)加壓，以防止燃油系統(tǒng)在高預(yù)熱溫度時發(fā)生汽化和空泡現(xiàn)象。

圖2　渤海A油田高黏度重質(zhì)原油處理流程

3.2低閃點輕質(zhì)原油的燃料油處理系統(tǒng)

(1) 低閃點輕質(zhì)原油的物性特點

如表5所示，南海B油田的原油組分和參數(shù)除閃點(37℃)低于規(guī)范及廠商要求閃點(60℃)外，其余組分均符合要求。由于原油是由輕質(zhì)油和重質(zhì)油組成，低閃點輕質(zhì)原油所含輕質(zhì)油料的沸點比柴油低得多，因而極易蒸發(fā)而成為可燃蒸汽，有導(dǎo)致燃燒、爆炸的可能。若發(fā)動機所用燃料采用外拉其它油田的原油，則相應(yīng)增加運輸成本。因此，低閃點輕質(zhì)原油同樣是影響燃油處理系統(tǒng)的重要因素。

(2) 低閃點輕質(zhì)原油的處理方案

國內(nèi)外第三方檢驗機構(gòu)(船級社)已頒布的規(guī)范中均有針對發(fā)電機組所用燃油閃點進行規(guī)定的要求[6]。如中國船級社(CCS)、挪威船級社(DNV)及海上操作安全辦公室(COOOSO)等從安全操作的角度出發(fā)規(guī)定：一般情況下平臺上使用的燃料閃點(閉杯)應(yīng)不小于60℃，如有專門措施，其燃油的貯藏或使用處所環(huán)境溫度能限制在低于該燃油閃點10℃以下范圍內(nèi)時，可允許使用閃點低于60℃但不低于43℃的燃油。同時CCS和DNV都認為應(yīng)以原油發(fā)動機廠商和平臺設(shè)計方的方案和文件為主進行評議和審核。同時兩家船級社目前都沒有為低閃點原油發(fā)電系統(tǒng)進行評審和認證的經(jīng)驗及案例。

同時，就低閃點原油用于機組燃料油發(fā)電的適用性問題咨詢了主要原油發(fā)動機廠商。MAN公司認為從理論上講原油閃點低于60℃對于機組正常運行沒有影響。MAK公司提出對于低閃點原油，可以采用抽風系統(tǒng)、氣體探測等措施保障安全。WARTSILA公司提出類似MAK公司的解決方案，同時對主機房內(nèi)的燃油管線也全部采用雙壁管設(shè)計，管壁間設(shè)抽風及出口燃氣監(jiān)測，但是相關(guān)廠商均缺乏低閃點原油發(fā)電的實際應(yīng)用案例和業(yè)績，且沒有取得第三方認證的經(jīng)驗。

綜上所述，采用低閃點原油作為燃料油在實際運行過程中將存在較大的安全隱患。比較好的做法是通過一定的處理手段提高原油的閃點，使之符合安全操作要求和規(guī)范規(guī)定，才能從根本上解決問題。提高原油閃點的方法有閃蒸去輕組分和分餾去輕組分[7]，鑒于海上平臺的空間及重量限制，通常采用真空閃蒸去除輕組分。

(3) 低閃點輕質(zhì)原油的處理結(jié)果

真空原油閃蒸系統(tǒng)通常由脫氣塔系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、原油進出輸送系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、冷凝回收系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成[8]，原油經(jīng)閃蒸脫除輕烴組分后，可使原油閃點提高。南海B油田項目采用真空閃蒸系統(tǒng)提高原油閃點，表6為南海B油田低閃點輕質(zhì)原油閃蒸前后油品品質(zhì)，閃蒸處理前原油閉杯閃點為37℃，經(jīng)閃蒸處理后原油閉杯閃點為76℃，符合規(guī)范及廠商要求(60℃)，可作為主電站燃料油使用。

表6　南海B油田低閃點輕質(zhì)原油閃蒸前后油品品質(zhì)

4海上平臺燃料油處理系統(tǒng)設(shè)計要點

綜上所述，對于海上平臺原油發(fā)電機組的燃料油處理系統(tǒng)需要關(guān)注以下設(shè)計要點[3]：

(1)對擬燃用原油的物性參數(shù)和組分化驗和測定

對擬燃用的原油物性參數(shù)和組分等要力求準確地化驗和測定，如幾口生產(chǎn)油井，對有代表性的油井油樣都要測定，對其混合油參數(shù)和組分等要做出化驗或科學(xué)的推斷。

(2)同原油發(fā)動機限定的燃料條件作對比

同原油發(fā)動機限定的燃料條件作對比，找出差距或存在的主要問題。

(3)了解廠商燃用重質(zhì)原油的能力

要針對上述已找出存在的主要問題，有針對性地了解廠商的相關(guān)技術(shù)能力。對初選原油機廠商作油樣化驗確認，同時確認清楚廠商的原油機產(chǎn)品是否具備在工程上的應(yīng)用業(yè)績，是否具有國際船級社的產(chǎn)品認可證書等。

5結(jié)語

由于作為海上平臺原油發(fā)電機組燃料油的原油品質(zhì)差異較大，設(shè)計出適用于海上平臺原油發(fā)電機組的燃料油處理系統(tǒng)成為海上平臺原油發(fā)動機選型是否成功的關(guān)鍵。設(shè)計人員要根據(jù)不同油田原油特性并結(jié)合不同原油發(fā)動機廠商限定的燃料條件，有針對性地設(shè)計燃料油處理系統(tǒng)，以確保滿足機組進機指標的要求。

參考文獻

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Key Points of the Design for Crude Oil Generator Fuel Oil Treatment System on Offshore Platform

WU Yao-zeng， WANG Wen-xiang， QIN Xiao-gang， LI Yan-zhao

(China National Offshore Oil Corporation Research Institute，Beijing 100028，China)

Abstract：Due to using the self-produced crude oil as the main fuel, crude oil generators have been widely used in oilfield development with low gas production. However, without the refining treatment and the large difference of crude oil physical properties from different producing areas, the crude oil generators fuel treatment system must be targeted to the design to meet the requirements of unit indices. Based on the specification and capacity of different crude oil generator manufacturers, taking nature of the crude oil of the CNOOC offshore Oil Field for example, the negative impact of the main crude oil physical and chemical characteristics on the generators is analyzed and the concrete measures are put forward, which provides the reference for the design for crude oil generator fuel treatment system.

Keywords：offshore platform； crude oil generators； fuel oil treatment system； design points

中圖分類號:TE54

文獻標識碼：A

文章編號：1001-4500(2016)02-0021-09

作者簡介：吳堯增(1981-)，男，工程師。

基金項目：工信部高技術(shù)船舶科研項目(工信部聯(lián)裝[2013]411號)。

收稿日期：2016-01-28