趙 南, 王金堂, 高永海, 劉 云
(1.上海外高橋造船有限公司, 上海 200137;2.中國石油大學(xué)(華東), 山東 青島 266580)
FDPSO油氣處理工藝流程設(shè)計
趙 南1, 王金堂2, 高永海2, 劉 云2
(1.上海外高橋造船有限公司, 上海 200137;2.中國石油大學(xué)(華東), 山東 青島 266580)
浮式鉆井生產(chǎn)儲存外輸系統(tǒng)(FDPSO)是一種可在深水油田應(yīng)用的,集鉆井、生產(chǎn)、儲卸油為一體的新型浮式裝置。針對西非海域進行FDPSO的總體設(shè)計,同時確定了FDPSO油、氣、水的處理方案,并依據(jù)《海上油氣工程設(shè)計實用手冊》進行了相關(guān)設(shè)備的設(shè)計計算。通過相平衡理論,對油氣的分離級數(shù)和分離壓力進行詳細的分析計算,提出采用段塞流捕集器加上二級分離為最優(yōu)處理方式,最終繪制了油氣處理模塊設(shè)備布置圖和管線圖。
FDPSO設(shè)計;油氣分離;相平衡計算;設(shè)備選型;布置方案
深水油氣田開發(fā)是世界石油的發(fā)展趨勢,可以解決我國能源緊缺的問題,是我國海洋石油戰(zhàn)略目標(biāo)所在。為消除深水油氣田開發(fā)中鉆井裝置日費昂貴以及深水鉆機緊缺等問題,研發(fā)了一種新型海洋石油裝備——浮式鉆井生產(chǎn)儲存外輸系統(tǒng)(FDPSO)。
隨著FDPSO的開發(fā)以及深水油氣田優(yōu)勢的顯露,開始出現(xiàn)越來越多的FDPSO型式,主要包括:Azurite-FDPSO、MPF-1000、Sevan型FDPSO、多立柱半潛式FDPSO、FDPSO-SRV、FDPSO-TLD。對以上型式FDPSO就應(yīng)用海域/油田、工作水深和油氣儲存處理等相關(guān)參數(shù)進行對比[1-5],對比結(jié)果見表1,其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。
圖1 6種型式的FDPSO結(jié)構(gòu)示意圖
表1 6種型式的FDPSO的參數(shù)對比
1.1 主要設(shè)計規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)
有許多規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)用來幫助進行FDPSO的設(shè)計建造。比如我國的相關(guān)規(guī)范有:《海上規(guī)定平臺安全規(guī)范》、《海上浮式裝置入級與建造規(guī)范》、《民用直升機海上平臺運行規(guī)范(民航總局令第67號)》等;國外的相關(guān)規(guī)范有:IMO、DNV、ABS、BV、API 等規(guī)范。
該FDPSO采用中國船級社使用的入級和建造規(guī)范主要有:《海上浮式裝置入級與建造規(guī)范》、《海上固定平臺安全準(zhǔn)則》、《浮式生產(chǎn)儲油裝置FPSO安全規(guī)則》等,同時還要達到《移動式海上平臺入級建造規(guī)范》、《船舶入級建造規(guī)范》、《浮式生產(chǎn)系統(tǒng)入級建造規(guī)范》等通用性規(guī)范的要求。
1.2 設(shè)計環(huán)境條件和設(shè)計能力
根據(jù)西非海域油田產(chǎn)能、海洋環(huán)境條件和穿梭油輪的噸位,以穿梭油輪為計算基礎(chǔ),滿足如下計算關(guān)系式:
(1)
式中:Q為FDPSO的儲油量,t;W為穿梭油輪噸位,t;d為影響外輸作業(yè)的連續(xù)壞天氣時間,d;q為油田原油日產(chǎn)量,t/d;k為適量不可泵出的艙底油,t。
FDPSO除原油儲油艙之外,還有工藝系統(tǒng)艙、燃油和淡水艙等,工藝系統(tǒng)艙取艙體積的8.5%,海域環(huán)境影響外輸作業(yè)壞天氣約3天,卸油周期16天,油田區(qū)塊油井原油日產(chǎn)量4 200t/d,穿梭油輪噸位取值50 000t,不可泵出的艙底油取值400t。
經(jīng)過計算可以得到FDPSO原油的儲存能力:
Q≥50 000+(3+1)×4 200+400=67 200t
1.3 FDPSO總體布置方案
FDPSO總體布置設(shè)計要考慮到上部模塊的分區(qū)、工藝流程、生產(chǎn)操作、安裝方法以及安全救生等方面的內(nèi)容。其主要布置原則有:在系泊區(qū)、鉆井區(qū)、油氣處理區(qū)和生活區(qū)之間要布置防火墻進行縱向的分隔和防護,同時要求模塊甲板高出主甲板一定距離,以實現(xiàn)垂直方向上的分隔保護[6]。FDPSO上的設(shè)備需要按照系統(tǒng)劃分成幾個模塊,模塊甲板間是不連續(xù)的,要有100 mm~400 mm左右的間隙[7],來防止甲板變形帶來的影響。
FDPSO的總體布置方案:從船首至船尾,先是內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng),接著是鉆井模塊,油氣處理模塊、卸貨區(qū),然后是生活區(qū)和直升飛機布置。FDPSO上部模塊主要包括鉆井模塊和油氣處理模塊(動力模塊置于油氣模塊中)。鉆井模塊尺寸為:53.6 m×46.0 m,油氣處理模塊尺寸為:71.4 m×43.0 m,動力模塊為:32.4 m×19.8 m。
2.1 FDPSO油氣水分離工藝設(shè)計
為了確定FDPSO油氣處理模塊的分離級數(shù)和壓力,該文采用針對一定組成的原油進行相平衡計算的方式。其主要計算過程如下:
首先確定原油組成,其中組分C7+的分子量近似取為C8的分子量114[8],得出每種組分在原油中占據(jù)的摩爾分?jǐn)?shù)zi,見表2。然后確定分離的溫度和壓力條件,以及在此分離條件下,原油中每種組分的平衡常數(shù)。最后確定整個體系中,氣液兩相分別占據(jù)的摩爾分?jǐn)?shù)V和L,每種組分分別在氣液相中占據(jù)的摩爾分?jǐn)?shù)yi和xi。多級分離結(jié)果見表3,一次分離結(jié)果見表4。
表2 目標(biāo)油田的原油組成
由表3和表4對比可發(fā)現(xiàn):與一級分離相比,多級分離每1 kg原油可以多分離出液相原油0.556 kg,其中C5+組分為0.518kg,占93.2%,且液相原油密度也由870.4kg/m3降至838.4kg/m3,而且多級分離氣相中C5+組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為21.8%,而一次分離高達62.6%。針對FDPSO目標(biāo)油田的輕質(zhì)原油以及可能的段塞流情況,綜合考慮采用段塞流捕集器加上二級分離的處理方式。
表3 三級分離計算結(jié)果
表4 原油在0.3 MPa、65℃條件下進行一次分離的計算結(jié)果
在上述計算的基礎(chǔ)上,確定油氣的分離方案:系泊來液直接進入段塞流捕集器,利用捕集器空間進行緩沖和減壓,同時配以化學(xué)藥劑作用,完成氣液的初分離[9]。分離出來的氣體進入伴生氣處理系統(tǒng),而液體先經(jīng)過管殼式換熱器和原油電加熱器升溫后,進入生產(chǎn)分離器進行緩沖、減壓,最終完成油氣水的兩級分離。由于分離出來的原油不能滿足貨油艙儲存標(biāo)準(zhǔn),需進入原油處理系統(tǒng)進一步分離處理,含油污水進入污水處理系統(tǒng)。FDPSO油、氣、水分離工藝流程如圖2所示。
圖2 FDPSO油氣分離工藝流程圖
2.2 FDPSO原油處理工藝設(shè)計
為滿足貨油艙的儲油標(biāo)準(zhǔn),分離器分離出來的原油需要在原油處理系統(tǒng)中進行處理。分離器來油再次通過原油加熱器升溫進入脫水除氣器,通過靜電破乳作用實現(xiàn)脫水,同時利用熱介質(zhì)油進行加熱,實現(xiàn)脫出其中氣體的目的[9,10]。從脫水沉降艙分離出來的原油,分成4路分別進行處理,達到標(biāo)準(zhǔn)的原油,輸送到貨油艙進行儲存。FDPSO原油處理系統(tǒng)工藝流程如圖3所示[9]。
圖3 FDPSO原油處理系統(tǒng)工藝流程圖
2.3 FDPSO含油污水處理工藝設(shè)計
來自原油處理系統(tǒng)的含油污水,進入污水脫油沉降艙,經(jīng)過含油污水泵泵入水力旋流器中,通過旋流和重力分離,較大顆粒原油及懸浮固體上浮并被撇入導(dǎo)油槽,分離出來的污水含油濃度為50 mg/L。來自水力旋流器的污水通過泵加壓輸送到核桃殼過濾器,由上至下通過過濾層,使含油量降至10 mg/L ~30 mg/L。處理后的污水進入緩沖罐,此時的污水是處理后的合格污水,達到標(biāo)準(zhǔn)可以外排或回注地層。FDPSO含油污水處理工藝流程如圖4所示。
圖4 FDPSO含油污水處理工藝流程圖
2.4 FDPSO伴生氣處理工藝設(shè)計
來自生產(chǎn)分離器和二級分離器的氣體壓力較低,直接進入低壓燃料氣分液罐進行分離凈化處理。再利用氣體壓縮機進行增壓,使壓力與段塞流捕集器來氣的壓力相同,再經(jīng)冷卻處理,使溫度也相同[7]。然后與來自段塞流捕集器的高壓氣體一起進入高壓燃料氣分液罐進行除水凈化,分離出來的燃料氣主要供透平發(fā)電機和惰性氣體發(fā)生器使用,多余的進入火炬分液罐,進行燃燒放空。FDPSO伴生氣處理工藝流程如圖5所示。
圖5 FDPSO伴生氣處理工藝流程圖
FDPSO油氣處理模塊涉及到的設(shè)備很多,這里以段塞流捕集器為例介紹設(shè)備的設(shè)計計算過程。
設(shè)計參數(shù):操作溫度為45℃,操作壓力為2 MPa;處理液量為8.15萬桶/天,處理氣量為56 650 m3/d;工程標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下液相密度為820.4 kg/m3,標(biāo)況下氣相密度為0.946 2 kg/m3。
(1)尺寸設(shè)計
根據(jù)雪夫龍海上油氣工程設(shè)計實用手冊(第九分冊),計算出氣體和原油在操作條件下的密度,依據(jù)處理量初選分離器尺寸;再按各相所需面積選分離器尺寸,確定氣液界面驗證是否符合使用要求;最后進行氣體處理能力校核,判斷設(shè)備尺寸是否合理。
(2)重量設(shè)計
根據(jù)操作溫度、壓力條件,選用合適的材料計算出最小壁厚,然后再依次計算殼體、頭蓋、支座以及除霧器等的質(zhì)量,最終獲得設(shè)備的總質(zhì)量。段塞流捕集器的設(shè)計計算結(jié)果見表5,一級生產(chǎn)分離器、二級生產(chǎn)分離器、脫水除氣器設(shè)計結(jié)果見表6~表8。
表5 塞流捕集器參數(shù)表
表6 一級生產(chǎn)分離器設(shè)計結(jié)果表
表7 二級生產(chǎn)分離器設(shè)計結(jié)果表
表8 脫水除氣器參數(shù)一覽表
FDPSO油氣處理模塊布置原則主要包含四個方面:(1) 保證安全可靠,符合規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求;(2) 工藝流程合理,滿足作業(yè)要求;(3) 節(jié)省建造及作業(yè)成本,保證經(jīng)濟性;(4) 保證技術(shù)性能,并注意便于維修保養(yǎng)。
對油氣處理模塊進行布置時,可將整個系統(tǒng)劃分成油氣分離模塊、油水處理模塊、伴生氣處理模塊、動力模塊、柴油系統(tǒng)、電儀控制房間、工作間以及化學(xué)藥劑注入系統(tǒng)等。油氣分離模塊配備有段塞流捕集器、生產(chǎn)分離器,油水處理模塊配備有原油電脫水器、脫水除氣器,這些都屬于較大型的容器類設(shè)備,需要沿船中縱軸對稱平行布置以滿足重心平衡的要求,所以這兩個模塊要布置在船體同一位置的左右兩側(cè),動力模塊要布置在靠近生活樓的一側(cè)。當(dāng)這些布置好后,再根據(jù)油氣處理模塊面積情況和系統(tǒng)間的相互關(guān)系,確定伴生氣處理模塊和柴油系統(tǒng)的位置,最終得到FDPSO油氣處理模塊布置圖,如圖6所示。
最后還對FDPSO船體和上部模塊進行了管線一體化設(shè)計,包括管廊設(shè)計、管線設(shè)計和模塊的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,并繪制了油氣處理模塊管線圖,如圖7所示。
圖6 DPSO油氣處理模塊布置圖
圖7 FDPSO油氣處理模塊管線圖
該文針對FDPSO油氣處理工藝流程設(shè)計的相關(guān)方法展開探討,得到以下結(jié)論:
(1) 通過調(diào)研國內(nèi)外FDPSO油氣處理模塊及數(shù)量,針對西非海域海況溫和良好的特點,進行了15萬噸FDPSO的總體設(shè)計,確定了設(shè)計環(huán)境、設(shè)計能力和船體主尺度。
(2) 對FDPSO油氣處理模塊進行了工藝方案設(shè)計,包括油氣水分離、原油處理、含油污水處理和伴生氣處理工藝流程及其必要設(shè)備。
(3) 通過相平衡理論,對油氣的分離級數(shù)和分離壓力進行了設(shè)計計算,得出采用段塞流捕集器加上二級分離為最優(yōu)處理方式。依據(jù)國標(biāo)和《雪夫龍海上油氣工程設(shè)計實用手冊》對段塞流捕集器等設(shè)備進行了設(shè)計計算,得到了適合FDPSO油氣處理能力的設(shè)備具體參數(shù)。
(4) 繪制出FDPSO總布置圖中的油氣處理模塊,從FDPSO整體出發(fā),采取上部模塊和船體間的管線進行一體化設(shè)計的方式,得到了FDPSO油氣處理模塊管線圖,為FDPSO上部模塊總體設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
[ 1 ] Howard H, Hampshire K, Moore J, et al. First-ever FDPSO at work on azurite field development[J]. Offshore, 2009, 69(11):32-40.
[ 2 ] 魏躍峰,楊建民,陳剛,等.深海多立柱半潛浮式鉆井生產(chǎn)儲油輪概念設(shè)計研究[J].海洋工程,2011, 29(1):1-8.
[ 3 ] 王天英,馮永訓(xùn).新概念FPSO最新研究進展[J].船海工程,2011,40(5):184-188.
[ 4 ] Khaw T, Rawstron P, Lagstrom K. A new approach to the design of mono-hull FPSOs[C]:ASME 2005 24th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2005.
[ 5 ] Bane G, Ferguson J. The evolutionary development of the military autonomous underwater vehicle[C].Unmanned Untethered Submersible Technology, Proceedings of the 1987 5th International Symposium on IEEE, 1987.
[ 6 ] 蔡乾亞,楊世明,楊葆和.60萬桶FPSO開發(fā)研究[J].船舶工程,2005,27(5):125-135.
[ 7 ] 馬延德,關(guān)偉姝,張忠林,等.15萬噸級浮式生產(chǎn)儲油船總體設(shè)計研究[J].中國造船,2009,62(A1):173-179.
[ 8 ] 馮叔初,郭揆常,王學(xué)敏. 油氣集輸[M]. 東營:石油大學(xué)出版社,1988.
[ 9 ] 曹學(xué)文,付春麗,戰(zhàn)永平.30×104 t FPSO生產(chǎn)工藝流程設(shè)計[J].油氣田地面工程,2009,28(1):41-43.
[10] 袁浩.“友誼號”FPSO生產(chǎn)工藝流程改造[J].中國修船,2006,20(6):34-36.
The Design of FDPSO Oil and Gas Treatment Process
ZHAO Nan1, WANG Jin-tang2, GAO Yong-hai2, LIU Yun2
(1. Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd, Shanghai 200137, China; 2.China University of Petroleum (East China), Shandong Qingdao 266580, China)
As a new kind of floating structures, Floating drilling production storage and offloading system (FDPSO) includes drilling, production, storage and offloading functions. FDPSO overall design has been made for West African waters. Meanwhile the final processing schemes for FDPSO oil, gas and water have been determined, and based on" Offshore Oil and Gas Engineering Design Practical Handbook", related equipment calculations have been made. According to the equilibrium theory, a detailed calculation about the separation stages and the pressure of oil and gas has been carried out. And then concludes that using slug catcher plus two separators is an optimal approach. Finally, the layout and piping of FDPSO oil and gas processing module has been drawn.
FDPSO design; oil and gas separation; equilibrium calculation; equipment selection; arrangement scheme
2015-03-15
國家發(fā)改委專項“浮式鉆井生產(chǎn)儲卸裝置(FDPSO)”項目(發(fā)改辦高技[2013]1144號)。
趙 南(1989-),男,助理工程師。
1001-4500(2015)04-0032-09
P75
A