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(中海石油(中國)有限公司天津分公司)

渤海友誼號浮式生產儲油裝置(FPSO)用于匯集、處理渤中28-1油氣田、渤中34油田群及渤中26-2油田的井產物流,處理合格的原油通過該FPSO在海上直接外輸。為防止停輸后原油在外輸漂浮軟管內凝固,原設計方案為在每次原油外輸作業(yè)結束后用70 m3的柴油對外輸漂浮軟管內原油進行吹掃、置換,年消耗柴油約2300 m3,增加成本約1000多萬元。為降低油田操作成本,實現(xiàn)節(jié)能降耗、環(huán)保的目標,充分利用現(xiàn)場設備資源,對外輸系統(tǒng)進行了適當?shù)募夹g改造,新增了氮氣發(fā)生裝置等設備,采用氮氣替代柴油進行外輸作業(yè)后軟管內存油的吹掃、置換。氮氣吹掃技術在渤海友誼號FPSO的應用,不僅大大降低了操作成本,而且提高了生產的安全性,同時也實現(xiàn)了海上油氣生產節(jié)能環(huán)保的目標。

1 技術改造

1.1 外輸作業(yè)結束后漂浮軟管工作狀態(tài)分析

FPSO上的外輸軟管通常只在外輸原油作業(yè)時才使用。輸油作業(yè)結束后渤海友誼號FPSO船尾一端的外輸管線高出海平面約10 m,提油輪一端的外輸軟管高出海面約5 m,漂浮在海面的軟管長約200 m,形成一個U字形管(圖1)。該U字形管內原油很難清除干凈,在寒冷的天氣條件(0℃)下可能結蠟,造成管線堵塞,嚴重時可影響下一船油的外輸,因此對該段軟管進行維護至關重要。

圖1 外輸作業(yè)結束后渤海友誼號FPSO漂浮軟管工作狀態(tài)

1.2 氮氣用作柴油替代介質的理論分析與試驗驗證

停輸后U字形輸油管線中存在大量原油和少量可燃氣體,一般用柴油對其進行吹掃、置換,但存在浪費資源、操作成本高等問題。氮氣是一種惰性氣體,在平常狀態(tài)下不易與其它物質發(fā)生化學反應,將氮氣用作柴油的替換介質在驅替原油過程安全風險很小,但是氮氣的流動性較原油強的多,很容易導致氣竄現(xiàn)象,影響原油的吹掃、置換效果,因此管線內必須具備足夠大的氣體流量和壓力才能保證作業(yè)效果。

管內氣體的流量和壓力需通過理論分析和現(xiàn)場模擬試驗確定。根據(jù)Orkiszew ski流型分析結論,段塞流是管中兩相流中舉升效率最高的流型[1]。為了確保用氮氣置換原油過程中管中流體流態(tài)為段塞流,根據(jù)氮氣相關性質、外輸原油特征、漂浮軟管直徑和管內滯留流體量,采用 O rkiszew ski計算方法[1-2]對吹掃、置換作業(yè)中的氮氣需求量進行了計算。計算參數(shù)取值結果見表1。

表1 用Orkiszewski方法計算吹掃、置換作業(yè)氮氣需求量所需參數(shù)取值

經過計算,氮氣流速為2000 m3/h時可滿足段塞流形成的條件。為確保應用效果,又在渤海友誼號FPSO上進行了氮氣模擬吹掃試驗:利用壓縮空氣和軟管模擬外輸軟管的狀態(tài),進行空氣吹掃管中水試驗;模擬試驗軟管內徑為152.4 mm,管兩端高度分別為10 m和5 m,水平段長度為30 m;試驗用的供氣管線內徑為25.4 mm,空氣入口壓力為0.7 M Pa,空氣流量為300 m3/h。在上述條件下,經過30 min空氣吹掃,可將軟管中水吹掃出95%。

結合理論計算與模擬試驗結果,對現(xiàn)場氮氣吹掃所使用設備和管線的參數(shù)進行了詳細核算,提出了相應的氮氣系統(tǒng)改造方案;在滿足安全要求的前提下,該方案兼顧了改造費用最低和氮氣吹掃效果較好的關系。

(1)氮氣儲存罐安裝位置與操作條件。為實現(xiàn)氮氣吹掃、置換的最佳效果(減小管輸壓降),將氮氣儲存罐設計安裝在FPSO艉部,使氮氣儲存罐的出口盡量靠近外輸漂浮軟管入口;考慮到FPSO左舷主甲板現(xiàn)場通過能力的限制,采用2個2.5 m3氮氣儲存罐,氮氣儲存罐的設計壓力為2.0MPa,正常操作壓力為1.5 M Pa、試驗壓力為1.65 M Pa。

(2)氮氣吹掃技術。該方案采用爆破式吹掃技術,可使氮氣吹掃速度達到2000 m3/h以上。

(3)安全標準。新增的氮氣裝置、管線、閥門、氮氣儲存罐及附件均符合ANSI150LB標準。

(4)氮氣系統(tǒng)功能優(yōu)化。為充分發(fā)揮氮氣發(fā)生裝置的使用功能,不僅對外輸軟管吹掃、置換采用了氮氣,而且對日常工藝系統(tǒng)(特別是工藝管線、壓力容器)也進行了氮化處理,將氮氣作為工藝管線、壓力容器的惰化介質,減少了氮氣瓶的使用量,降低了氮氣瓶在現(xiàn)場存放的風險,同時也節(jié)省了氮氣瓶的費用[3]。

2 安全可靠性分析

(1)外輸軟管原油替換速度為490 m3/h,一般3萬噸提油輪的受油速度可達到3000 m3/h,因此本置換作業(yè)對提油輪沒有任何危險。

(2)本置換作業(yè)吹掃氮氣速度達2100 m3/h(70 m3氮氣2 min吹掃完畢),3萬噸提油輪受氣能力為4000 m3/h,因此本置換作業(yè)不會影響提油輪艙室安全。

(3)渤海友誼號FPSO上氮氣發(fā)生裝置的氮氣產量為100 m3/h時,所產氮氣質量可以達到純度≥95%;在氮氣產量低于100 m3/h時,所產氮氣質量可以達到純度≥97%,因此,完全滿足氮氣吹掃外輸管線對純度的要求。

3 氮氣系統(tǒng)操作流程設計

為了提高外輸管線氮氣吹掃、置換效率,節(jié)省外輸時間,在作業(yè)前數(shù)小時提前啟動氮氣發(fā)生裝置制氮,這樣在氮氣發(fā)生裝置運轉約50 min時即可將2個氮氣儲存罐內的氮氣充壓到1.5 M Pa,且可使壓力保持在1.3～1.4 M Pa之間備用;完成原油外輸作業(yè)后,提油輪在導通流程后通知渤海友誼號FPSO上的操作人員打開氮氣注入閥門即可進行氮氣吹掃、置換(正常情況下每次輸油后對外輸軟管置換一次即可)。渤海友誼號FPSO氮氣系統(tǒng)操作流程設計如下:

(1)在 FPSO右舷184～178號肋骨上安裝氮氣發(fā)生裝置。由于受到現(xiàn)場空間、吊車能力的限制,氮氣發(fā)生裝置集裝箱平面尺寸控制在4500 mm×3000 mm,整體重量控制在4.5 t以內。

(2)在氮氣發(fā)生裝置出口新增一路氮氣輸出管線連接到計量橇塊軟管站處,供工藝系統(tǒng)流程容器及管線氮化使用。氮氣系統(tǒng)改造流程圖如圖2所示。

(3)所有氮氣連接管線、附件(壓力表、安全閥)、氮氣儲存罐及閥門的選材、制作及現(xiàn)場安裝、調試、試壓全部執(zhí)行 ANSI 150LB要求。

圖2 渤海友誼號FPSO氮氣裝置改造流程圖(紅色虛線為新增管線)

4 應用效果與經濟評價

(1)由于充分利用了渤海友誼號FPSO現(xiàn)有資源,本次外輸軟管置換系統(tǒng)改造的成本較低,整套設備購置費用與安裝改造費用共計60萬元。

(2)每次外輸漂浮軟管置換使用柴油約在70 m3(約合58.5 t),若按6500元/t計算,每次柴油置換所需費用約為38萬元。2008年渤海友誼號FPSO共外輸33船原油,用氮氣替代柴油置換管中原油約節(jié)省柴油2310 m3,折合費用約為1250萬元,經濟效益相當明顯。

(3)采用氮氣吹掃技術明顯提高了外輸速率,也縮短了外輸時間。據(jù)統(tǒng)計,每次外輸結束后提油輪的離泊時間比用柴油置換時約節(jié)省1 h,這意味著降低了提油輪、拖船等設施的油耗及費用。

(4)本次改造結束了渤海友誼號FPSO使用氮氣瓶的歷史,同時節(jié)省了瓶裝氮氣的采購、運輸?shù)荣M用。

5 結束語

氮氣吹掃技術在渤海友誼號 FPSO的成功應用,說明用氮氣替代柴油吹掃、置換外輸軟管內原油的工藝技術是可行的,也是安全的。采用氮氣吹掃技術不僅提高了海上原油外輸作業(yè)的安全性,而且降低了海洋環(huán)境污染的隱患,也進一步實現(xiàn)了海上油氣生產節(jié)能降耗、環(huán)保的目標。需要提醒的是,采用氮氣吹掃技術時必須要根據(jù)油田自身特點進行技術調整,切不可原版照搬。

[1] 李穎川.采油工程[M].北京:石油工業(yè)出版社,2002.

[2] 萬仁薄.采油工程手冊[M].北京:石油工業(yè)出版社,2000.

[3] 佚名.采用碳分子篩變壓吸附生產氮氣[J].謝開明,譯.航氧科技,1995(1).