浮式生产储油轮锅炉及惰气系统整合利用

马杰（中海石油（中国）有限公司曹妃甸作业公司）

1 现状

针对深入的海上油气田开发，浮式生产储油轮（下称FPSO）已被广泛应用，尤其对于远海油田，其为经济和安全的首选方案。FPSO上最重要的一个功能为存储已处理合格的原油。为避免混合性爆炸气体的舱室内的聚集，原油存储舱室内需进行惰性气体覆盖。惰气发生装置随即成为FPSO上不可或缺的设备[1]。

惰气发生系统主要利用柴油作为原料，通过柴油泵打入燃烧室内，与空气混合燃烧，所产生的气体通过风机加压，文丘里管冷却后进入各舱室内进行惰气覆盖。

此文旨在开发一种惰气替代及输送的方式，替代柴油燃烧工艺，并保证此系统运行的稳定性和安全性，以适应海上油田生产存储需要的同时，减少柴油消耗及温室系统排放量[2]。

2 研究方案

针对覆盖气所需要的惰性气体，海上生产模块有多个设备可以产生类似气体，如发电动机系统（为油田提供电力）、热介质锅炉系统（为油田提供热能）等。但其系统均相对独立，为能有效利用电站或热站所产生的惰性气体（以下以热介质锅炉尾气引入为方向），必须将两个系统进行有效连接，其中需要解决的问题主要有：工艺对接，引入惰性气体至相关气体增压设备；排气方式变化不能影响热介质锅炉运行；出口含氧必须控制在下舱要求的低于5%的要求；热介质锅炉不同季节的负荷变化带来的尾气量变化；锅炉不稳定燃烧时产生的CO等可燃气体；一旦尾气增压系统停运，锅炉尾气排放需要及时切换至其他通路。

3 开发方案

3.1 工艺系统

连接锅炉至文丘里冷却器[3]（可利用原惰气系统辅助冷却器，需核算换热量是否满足）工艺管路。改在完成后，锅炉产生尾气，进入冷却器冷却，通过增压风机增压后进入大舱做为覆盖气。增加两路电动控制阀用于在热介质锅炉尾气流程下游发生故障时进行阀门切换，以保证锅炉尾气可以顺利排放至大气，稳定锅炉运行。具体工艺如图1。

3.2 控制系统

为保证锅炉产生尾气量达标，需在锅炉尾气出口增加含氧分析仪，对尾气含氧量进行实时动态检测。并将信号引入锅炉燃烧控制系统，做为辅助参数参与锅炉燃料及空气混燃比计算，在保证锅炉出口含氧量达标的同时，亦能最大限度提高锅炉燃烧效率，节省燃料。

图1 浮式生产储油平台锅炉工艺流程

为解决惰气系统风机排量（原惰气系统辅助设备）与锅炉尾气产生量（不一致的问题，需要对惰气增压系统进行排量控制，以达到两个系统之间的匹配。可行的方式有节流及调速两种方式。为减少投资，可采用节流方式对风机进行限流。通过风机前后截止阀开度控制，达到调节流量的目的。该技术方案实施后，可一定程度稳定锅炉燃烧，避免了锅炉燃烧状态受到影响而导致的O2和CO含量变化。但其会有如下问题：风机长期欠载运行，扇叶散热欠佳，温度升高、振动增加，极易造成风机轴承损坏；节流阀后工艺真空度高，各法兰密封处存在渗漏，导致惰气O2含量高于热介质锅炉排烟O2含量[4]。采用变频调速方式可将原定频电动机更换为变频电动机，增加适应容量的变频器，并改造电气控制系统，将原Y-Δ启动（或工频直起）[5]、定频运行方式改为变频启动和运行方式[5]。使电动机频率可在30～50 Hz调节，从而达到调节流量范围，满足工艺需求的目的。采用此方式可以完全解决两个系统之间的匹配问题，且对设备运行效率，可靠性均带来优势。

3.3 保护系统

考虑到增压风机入口负压较高可能对炉膛内压力产生的影响，针对锅炉膛压不足，火焰状态不稳的情况，在排烟口处可加入耐高温、微压型变送器，信号接入中控系统，实时监控报警，保证锅炉膛压。

为加强对变频增加风机的实时监控，在电动机侧和风机侧分别引入振动和温度传感器，与电动机控制回路连锁，在高振和高温情况下关停风机，并与就地控制系统或集散控制系统连锁报警，并提示操作员。

其次，为保证系统运行安全，针对锅炉可能不充分燃烧导致尾气中出现的CH4/CO，在文丘里冷却器后，接入实时气体采样分析系统，可对CH4/CO/O2实时采样分析[6]，接入中控应急关断系统报警，并连锁惰气系统停机。

4 结论

此类型的惰气系统供气方式，已在中海石油（中国）有限公司HYSY112浮式生产储油装置应用，运行稳定，依据经验，每外输1 m3原油，可节省柴油消耗0.000 2 m3，减少CO2排放0.000 6 t，对于年产千万吨的大型油田，每年可节省柴油费用1.6亿，温室气体排放6×104t。每年节省柴油300 m3，减少作业成本约360万元/a，减少CO2气体排放900 t/a，经济价值客观，环保价值巨大。且此方案可适用于所有海上具有生产及储油功能的油气田，惰气的引入可以选择各种类型的内燃设备，只需要对引入系统的背压、供气量、含氧量进行监控和调节，实施后可大幅节省柴油消耗，并为蓝色地球做出贡献。