張?zhí)K飛，陳文峰，楊宇航，史勛漢，陳 賓

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

伴隨著自動控制技術(shù)在海洋油氣平臺的應(yīng)用，海洋平臺的自動化程度也越來越高[1]。自動控制需要通過各種控制儀表來完成，為了給這些操作儀表提供穩(wěn)定、可靠的動力源，海洋石油平臺一般都設(shè)置有儀表氣系統(tǒng)。

2 工藝系統(tǒng)介紹

海洋石油平臺儀表氣系統(tǒng)通常由入口空氣過濾器、壓縮機、后冷卻器和干燥器組成[2]。具體流程如圖1所示。

空氣首先經(jīng)過入口過濾器進入到壓縮機，經(jīng)過壓縮機壓縮后的氣體通過后冷卻器冷卻，冷卻后的空氣經(jīng)過油氣過濾器分離油滴后，進入到空氣緩沖罐。設(shè)置空氣緩沖罐的目的是為了減少空壓機氣流的脈動效應(yīng)[2]。壓縮空氣經(jīng)過緩沖罐穩(wěn)壓以后，經(jīng)過前過濾器、干燥器、后過濾器，最終進入到儀表風(fēng)儲罐，供各儀表氣用戶使用。

圖1 儀表氣系統(tǒng)流程圖Fig.1 Flow chart of instrument air system

3 儀表氣系統(tǒng)設(shè)計

海洋石油平臺儀表氣系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備為空氣壓縮機和空氣干燥器，這兩個設(shè)備的選型對系統(tǒng)設(shè)計至關(guān)重要，選擇合適的壓縮機和干燥器，可以節(jié)約成本和占地，從而降低整個項目的投資。

(1)空壓機選型原則

不同種類的空壓機具有各自的特性和使用范圍。目前使用較廣泛的壓縮機主要有如下三種類型：螺桿式空壓機、活塞式空壓機和離心式空壓機[3]。

活塞式壓縮機具有適應(yīng)流量范圍大，排出壓力高的特點，但由于體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損件多，維修工作量大，所以，活塞式壓縮機主要應(yīng)用在中、小容量的場合。

螺桿式壓縮機具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、零件少、運行平穩(wěn)等優(yōu)點，并且可以通過對轉(zhuǎn)子型線的不斷改進而增加壓縮機使用的靈活性，螺桿壓縮機在中、小容量壓縮機應(yīng)用范圍內(nèi)的優(yōu)越性日益明顯。

由于離心式空壓機具有轉(zhuǎn)速高、容量大、結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、尺寸小、經(jīng)久耐用、操作維護費用低等特點，一般應(yīng)用于大型的空壓站[3]。

考慮到海洋石油平臺油氣處理設(shè)施較少，所需儀表氣量較小，同時需求的壓力較低，因此，螺桿式壓縮機在海上油氣平臺應(yīng)該最廣泛。

海洋石油平臺遠離陸地，如設(shè)備出現(xiàn)故障，維修及更換都需要較長的時間，對于儀表氣空壓機需要根據(jù)下列原則進行選擇：

①當(dāng)其中一臺機組檢修時，除去通過調(diào)配措施可減小供氣能力外，其余機組應(yīng)保證正常生產(chǎn)的需氣量；

②對于通過棧橋連接的多個平臺，如各個平臺的壓縮機管網(wǎng)相互連通，備用容量可以統(tǒng)一考慮；

③根據(jù)需求，可以設(shè)置移動式空氣壓縮站。

因此，海洋石油平臺壓縮機的配置主要有三種形式：一用一備模式、兩用一備模式、LEAD/LAG 模式。同時考慮海上石油平臺空間有限，空壓機數(shù)量的設(shè)置不宜大于3臺，空壓機型號宜采用同一型號。對于海洋石油平臺使用的空壓機，工作壓力一般小于1.6 MPa，在正常負荷下情況下，供氣壓力波動幅度不宜超過0.05 MPa。

(2)干燥器選型原則

空氣經(jīng)過壓縮后會產(chǎn)生一定量的游離水，為了滿足控制儀表的要求，需要對壓縮空氣進行干燥。目前使用的干燥方法有冷凍法和吸附法，由于吸附法較冷凍法可以產(chǎn)生更高的露點降，所以，海洋石油平臺主要采用吸附式干燥裝置。

吸附式干燥裝置的原理是物理吸附，主要是利用固體吸附劑(活性氧化鋁、硅膠、分子篩)顆粒表面的空隙吸附壓縮空氣中的水分子。吸附干燥具有產(chǎn)生高露點降的特征，采用吸附干燥方法可以使壓縮空氣露點降到-20 ℃以下。空氣壓縮系統(tǒng)的吸附干燥裝置一般設(shè)置兩套，其中一套干燥，另外一套再生。干燥器的再生主要有微熱再生、無熱再生和有熱再生三種形式，它們主要是依據(jù)是否需要外加熱源進行區(qū)分的。采用不同的再生方式，需要提供的再生氣耗量不同。就微熱再生而言，其干燥裝置需增加10%～15%的再生耗氣量；對于無熱再生裝置，則應(yīng)增加20%左右的再生耗氣量；而采用有熱再生裝置，一般再生耗氣量只需10%以下[4]。

目前，海洋石油平臺壓縮空氣吸附式干燥裝置基本采用無熱再生方法，再生是吸附的逆過程，二者使用的原理是一致的，根據(jù)吸附劑對水分子的吸附能力與空氣中水蒸氣分壓成比例的原理進行操作。當(dāng)壓縮空氣中水蒸氣分壓較低時，吸附劑對水的吸附難度增加，吸附容量變小，而當(dāng)壓縮空氣中水蒸氣分壓較高時吸附劑對水的吸附難度減小，吸附容量大[5]。根據(jù)吸附劑這種特殊的性質(zhì)，通過改變干燥裝置的運行條件，使其在高壓或低溫下吸附，而在低壓或高溫下解析，最終實現(xiàn)干燥裝置進行交替的吸附和再生。

4 儀表氣系統(tǒng)設(shè)計能力的確定

以某平臺實際數(shù)據(jù)為例，結(jié)合海上石油平臺空壓站設(shè)計原則，計算整個儀表氣系統(tǒng)的處理能力。

(1)設(shè)計基礎(chǔ)輸入

某中心平臺各個用戶的儀表氣用量如表1。

表1 某中心平臺各個用戶儀表氣用量統(tǒng)計Tab.1 Statistics of instrument gas consumption for users of a central platform

(2)設(shè)計能力計算

根據(jù)海洋石油平臺通用的計算原則，儀表氣用量為所有連續(xù)用戶之和再加上最大間歇用戶的用氣量即為整個平臺的儀表氣用量，具體計算如下：

Q=(Q1+∑Q0)×(1+φ1+φ2+φ3+φ4)

式中：Q——設(shè)計能力，m3/h；Q1——最大間歇用戶，m3/h；Q0——連續(xù)用戶，m3/h；φ1——管道漏損系數(shù)，0.1；φ2——用氣設(shè)備磨損增耗系數(shù)，0.1；φ3——未預(yù)見的消耗系數(shù)，0.1；φ4——再生消耗系數(shù)，0.2。

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，則平臺儀表氣的設(shè)計能力應(yīng)為：

Q=(220+65+45)×(1+0.1+0.1+0.1+0.2)=495 m3/h

5 結(jié)論

文章從現(xiàn)有海洋石油平臺儀表氣系統(tǒng)入手，結(jié)合多個海洋石油平臺的設(shè)計經(jīng)驗，重點介紹了儀表氣系統(tǒng)空壓機和干燥器選型需要注意的問題，同時結(jié)合海洋石油平臺生產(chǎn)實例給出了儀表氣系統(tǒng)能力的計算方法，對后續(xù)設(shè)計人員更好地設(shè)計海洋石油平臺儀表氣系統(tǒng)具有一定的實際意義。