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        氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)在BZ26-3平臺設(shè)計中的應(yīng)用

        2014-11-28 08:17:06單玉琴王蓉
        機(jī)械工程師 2014年6期
        關(guān)鍵詞:設(shè)備

        單玉琴,王蓉

        (中海油工程設(shè)計有限公司,天津 300452)

        0 引言

        目前,保護(hù)海洋環(huán)境已越發(fā)受到重視,為節(jié)能減排,海上生產(chǎn)油氣平臺常常充分利用生產(chǎn)水,將其處理達(dá)標(biāo)后進(jìn)行回注,既減少污水排放,保護(hù)海洋環(huán)境,也增加地層壓力,繼續(xù)開發(fā)油田。在油田注水開發(fā)過程中,對注入水的水質(zhì)有明確而嚴(yán)格的質(zhì)量要求。水中含氧量高會加速氧化對管線及設(shè)備的腐蝕,同時還為腐生菌的繁殖提供了條件。腐蝕反應(yīng)物和腐生菌都會造成油層堵塞,從而增大管線、設(shè)備的維護(hù)及水質(zhì)處理的成本及維護(hù)量。實(shí)現(xiàn)溶解氧達(dá)標(biāo)可通過化學(xué)除氧和隔氧兩個途徑來完成。由于化學(xué)除氧需增加相應(yīng)的設(shè)備及藥劑,成本較高,操作也不方便,目前海上平臺常利用本平臺的天然氣對污水處理系統(tǒng)及注水系統(tǒng)中的容器及設(shè)備等進(jìn)行隔氧密封,不僅節(jié)約了成本,也減少了海上操作人員的維護(hù)工作。

        但是對于空間有限、設(shè)備相對集中的海上生產(chǎn)平臺,使用天然氣密封在節(jié)約資源、環(huán)境污染及安全生產(chǎn)方面還有待進(jìn)一步改進(jìn)。

        1 氮?dú)飧粞趺芊饧爸频獧C(jī)

        1.1 氮?dú)飧粞趺芊獾膬?yōu)點(diǎn)

        海上生產(chǎn)平臺空間小,設(shè)備布置緊湊,采用天然氣密封,其氣體的危險性會對其它設(shè)備產(chǎn)生影響,并帶來一定的安全隱患。因此,技術(shù)人員認(rèn)為使用氮?dú)獯嫣烊粴膺M(jìn)行隔氧密封具有如下優(yōu)點(diǎn):1)減少危險區(qū)域,降低設(shè)備防爆費(fèi)用;2)減少噴淋區(qū)域,使整個平臺所需的消防水量減少,從而降低消防泵的排量;3)對于需要使用氮?dú)獾脑O(shè)備或工況可由統(tǒng)一氮?dú)庠刺峁?,?jié)約成本??傊?dú)飧粞趺芊獠粌H從根本上解決了天然氣密封所帶來的安全隱患問題,使總體布置不受制約,更為靈活,也統(tǒng)一平臺氮?dú)庥脩魵庠矗瑴p少成本。

        平臺遠(yuǎn)離陸地,空間有限,氮?dú)獾膩碓床荒芟耜懙赜吞镆粯涌梢允褂没S提供的液氮或氮瓶,故考慮使用制氮機(jī)進(jìn)行就地制取,方便可靠。國內(nèi)的制氮機(jī)技術(shù)始于20 世紀(jì)80 年代初,多用于金屬熱處理、食品工業(yè)、電子工業(yè)、石油天然氣等。目前海上平臺已有不少使用先例,但常用于吹掃等工況。

        1.2 制氮機(jī)的使用特點(diǎn)

        1)低成本,制氮機(jī)是以壓縮空氣為原料,實(shí)現(xiàn)空氣中的氮、氧分離來制取氮?dú)?,其耗電率比其它系統(tǒng)低,原料清潔并取之不竭;2)結(jié)構(gòu)簡單,成橇供應(yīng),海上安裝方便;3)性能可靠,維修方便。

        1.3 制氮技術(shù)

        目前制氮技術(shù)主要分為分子篩制氮法和膜分離制氮法。

        1)分子篩是種人工合成的沸石,具有高效、高選擇性吸附性能。分子篩法正是利用氧和氮的核四極矩的不同,對氮進(jìn)行選擇性吸附。在加壓時,分子篩對氮的吸附容量增加,減壓時,對氮的吸附容量減少,從而形成了加壓吸附、減壓解吸的過程,即所謂變壓吸附。減壓時,解析出的氮?dú)饧词且褲饧牡獨(dú)???諝庥蓧嚎s機(jī)加壓、冷卻,再經(jīng)過油水分離,一般要將水露點(diǎn)降至低于環(huán)境溫度10℃之后,在一定壓力下進(jìn)入分子篩吸附床。氮?dú)庥晌酱参?,氧氣留在不吸附相。高濃度的氮?dú)庠诓僮鲏毫ο聦②s走氧氣,進(jìn)入氮?dú)鈨蕖7肿雍Y法可連續(xù)得到純度為99%的氮?dú)?。分子篩制氮技術(shù)基本流程如圖1 所示。

        2)膜分離制氮法主要原理是空氣中氮?dú)夂脱鯕庠隍?qū)動力——膜(高分子材料)兩側(cè)壓差作用下,由于它們在膜中溶解度和擴(kuò)散系數(shù)的不同,導(dǎo)致滲透速率較快的水蒸汽、氧等氣體優(yōu)先透過膜,成為富氧氣體;滲透率較慢的氮?dú)庠跍魝?cè)富集,成為干燥的富氮?dú)怏w。在配置催化脫氧系統(tǒng)的同時,可得到純度為99%的氮?dú)?。膜分離原理如圖2 所示。

        圖1 分子篩法制氮技術(shù)基本流程圖

        圖2 膜分離原理圖

        2 制氮機(jī)在BZ26-3 平臺上的應(yīng)用

        BZ26-3 WHPA 平臺是一座集井口、原油及生產(chǎn)污水處理、天然氣壓縮、原油外輸、注水、供熱及生活等設(shè)施為一體的6 腿井口平臺。平臺總體布局既要是工藝流程合理順暢,又要滿足操作維修及安全方面的空間要求。在設(shè)計中,由于設(shè)備較多、空間緊張,而天然氣密封使得危險區(qū)域較大,不能將危險區(qū)與非危險區(qū)進(jìn)行有效分隔,帶來安全隱患。這是該平臺較為突出的問題,因此設(shè)計人員決定采用氮?dú)飧粞趺芊狻?/p>

        采用何種制氮機(jī)需要根據(jù)BZ26-3 平臺實(shí)際需求進(jìn)行選擇。雖然膜分離制氮法是目前較為先進(jìn)、在油氣行業(yè)也有較好應(yīng)用的方法,但是其制氮受溫度影響較大,需要控制在一定的溫度下才有一定的純度、產(chǎn)氣量及回收率。由高分子材料制成頭發(fā)粗細(xì)的纖維膜,需考慮入口氣源保持高清潔度及溫度、壓力等參數(shù)的穩(wěn)定,常需要配置一套專業(yè)壓縮系統(tǒng)。這對于平臺空間、設(shè)備穩(wěn)定性及現(xiàn)場操作都提出了較高要求。并且高分子材料等關(guān)鍵設(shè)備使得膜制氮法制氮機(jī)整體成本較高。而分子篩法只對氣源的清潔度有一定要求,操作等方面相對簡單,在國內(nèi)技術(shù)也較為成熟技術(shù),成本相對較低。因此,現(xiàn)試采用分子篩法對BZ26-3 平臺進(jìn)行統(tǒng)一制氮。

        BZ26-3 平臺使用氮?dú)獾挠脩粲胁裼痛祾摺飧〖吧a(chǎn)水處理系統(tǒng)、注水系統(tǒng)的儲罐及容器的隔氧密封,這些用戶使用量及所需壓力都不相同,因此,較好的辦法是在制氮機(jī)后設(shè)置一個氮?dú)饩彌_罐。考慮到氣浮和吹掃時的操作壓力為0.6 MPa,而用于密封的壓力較低但可以通過降壓獲得,故氮?dú)饩彌_罐的操作壓力可以定為0.6~0.7 MPa。

        BZ26-3 平臺上設(shè)施全面,設(shè)有公用氣及儀表氣系統(tǒng),該系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、冷卻器、空氣過濾器及空氣儲罐等。儀表氣必須是無油干燥的空氣,主要供給儀表和閥件,由于儀表氣具有較高的清潔度,考慮加以利用。引一路儀表氣進(jìn)入制氮機(jī)作為空氣源,只需再經(jīng)一級用來保證氣源質(zhì)量的簡單過濾,直接進(jìn)入制氮機(jī)的空氣吸附器即可進(jìn)行制氮。這樣,相對于傳統(tǒng)的制氮機(jī),可省略空壓機(jī)、冷卻器及空氣過濾器等組件,進(jìn)一步節(jié)省了空間。

        制氮機(jī)后的氮?dú)鈨蕹叽鐟?yīng)滿足下游用戶使用,同時又不會使公用氣及儀表氣系統(tǒng)的壓縮機(jī)頻繁啟動。對于上述用戶,柴油吹掃為間歇工況,氣浮及隔氧密封為連續(xù)工況。因此,設(shè)計時應(yīng)主要考慮連續(xù)用戶的使用情況,即隔氧密封和氣浮工況時的氮?dú)庥昧俊τ诟粞跤脩魜碚f,幾個隔氧罐同時出現(xiàn)堵塞工況的可能性是很小的,可忽略不計。在設(shè)計時,我們不能只是將這些極端工況下的用量簡單相加,而是應(yīng)取罐體積最大,罐內(nèi)液位波動最大的隔氧密封罐來進(jìn)行計算。通過比較,BZ26-3 平臺中注水緩沖罐罐體積最大、此罐中的水除了作為注水緩沖外,還需定時對上游流程中的濾器進(jìn)行反沖洗,因此其液位波動也最大。經(jīng)計算,對于最大液位波動時,注水緩沖罐需要的氮?dú)鉃?0.3 m3/h,加上連續(xù)運(yùn)行的氣浮用量6 m3/h,再考慮1.2 的系數(shù),氮?dú)獍l(fā)生器實(shí)際能力應(yīng)為70 m3/h。那么前面的空氣用量可近似認(rèn)為需要為100 m3/h,即儀表氣應(yīng)提供空氣氣源100 m3/h。

        對于氮?dú)饩彌_罐,可以利用公式V1=101.3·t·υ1/(P1-P2)進(jìn)行計算。其中:V1為氮?dú)饩彌_罐容積,m3;t 為儲存時間,min;υ1為在1 個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、15.56℃條件下的耗氣量,m3/min;P1為氮?dú)饩彌_罐上背壓閥的壓力設(shè)計值,kPa;P2為系統(tǒng)的最小操作壓力,kPa。

        本項(xiàng)目取緩沖時間10 min,計算得氮?dú)鈨逓?5 m3。當(dāng)用戶用量進(jìn)行大范圍波動時,制氮機(jī)只需要約13 min就可把氮?dú)饩彌_罐補(bǔ)滿,可以滿足BZ26-3 平臺氮?dú)庥脩羰褂们闆r同時也不會造成空壓機(jī)的頻繁啟停。

        通過以上參數(shù)的確定,并與廠家溝通,制氮機(jī)只需占地1.5 m×1.5 m,加上氮?dú)饩彌_罐,其總占地也只為4 m×3 m,在空間緊張的BZ26-3 平臺上是可以布置下的。因此,可以采用分子篩法制氮機(jī)進(jìn)行制氮。

        3 結(jié)論

        通過以上的對比分析和計算,制氮密封根本上解決了傳統(tǒng)天然氣密封而對BZ26-3 平臺造成平臺設(shè)備布局困難、提高平臺危險因素的難題。同時在設(shè)計時考慮采用平臺儀表氣系統(tǒng)制氮,更好地利用了平臺資源,也進(jìn)一步解決了使用制氮機(jī)遇到的空間問題,對于平臺危險區(qū)域劃分、減少防爆設(shè)備,及節(jié)省其它設(shè)備及成本等都起到了積極的作用。

        [1]海洋石油工程設(shè)計指南編委會.海洋石油工程設(shè)計概論與工藝設(shè)計[M].北京:石油工業(yè)出版社,2007.

        [2]杜偉強(qiáng).浮床式水罐隔氧裝置用于油田水處理[J].油田地面工程,2001,20(4):29.

        [2]汪治平.膜制氮技術(shù)及在油氣田的應(yīng)用[J].天然氣工業(yè),2007,27(12):141-143.

        [3]黃遠(yuǎn)其.使用氮?dú)鈱ψ⑺畠薹忭斆荛]的探討[J].油田地面工程,1997(10):70-73.

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