王立陳，王國富，杜國強(qiáng)，張紫臻，邵艷紅

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

輕烴回收是指回收原油伴生氣或者天然氣中丙烷（乙烷）及以上重組分，并將這些組分分離成液化石油氣、穩(wěn)定輕烴、凈化天然氣及其他有機(jī)化工原料等。輕烴回收的主要產(chǎn)品是干氣、液化氣和輕油。其中，干氣具有很高的熱值；液化氣可以供民用，也可以作為生產(chǎn)乙烯的原料；輕油可用于生產(chǎn)汽油和化工原料等。

在浮式裝置上設(shè)置輕烴回收系統(tǒng)可以降低油氣損耗，提高輕烴資源綜合利用程度，獲得液態(tài)輕烴資源的更大價(jià)值，還能保證油氣在儲(chǔ)藏、運(yùn)輸過程中的安全性，減少大氣污染，對(duì)提高油氣田的整體經(jīng)濟(jì)效益，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。我國國內(nèi)天然氣資源豐富，輕烴回收已成為各大油氣田的重要工作，并成為各大油田新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)[1]。本文依托某項(xiàng)目，闡述以LPG（液化石油氣）為代表的輕烴回收設(shè)計(jì)，著重介紹船型FPSO上LPG系統(tǒng)設(shè)施布置設(shè)計(jì)。

1 LPG物理化學(xué)性質(zhì)

LPG，即液化石油氣，是丙烷和丁烷的混合物，通常伴有少量的丙烯和丁烯，無色氣體或黃棕色油狀液體。GB 18218《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》中將LPG列為重大危險(xiǎn)易燃物質(zhì)[2]，具有如下特性。

（1）LPG的體積膨脹系數(shù)比水的大十幾倍，而且溫度越高，系數(shù)越大。

（2）LPG的體積壓縮系數(shù)（壓力每升高1MPa時(shí)，液體體積的縮減量即為體積壓縮系數(shù)）大約只有其體積膨脹系數(shù)的一半。這說明LPG容器在滿液狀態(tài)下，隨著溫度升高，容器內(nèi)壓力會(huì)急劇升高。

（3）高揮發(fā)性。儲(chǔ)存在容器內(nèi)的LPG如果以液態(tài)泄漏出來，由于壓力降低，會(huì)迅速氣化，體積膨脹為約250倍的氣態(tài)石油氣，遇火會(huì)發(fā)生燃燒和爆炸。

（4） 當(dāng)液態(tài)LPG噴濺到水面或水流噴射到LPG液面，會(huì)導(dǎo)致LPG高速氣化及強(qiáng)烈湍流。

（5）LPG氣化潛熱比較大，因此生產(chǎn)過程中嚴(yán)禁液態(tài)的石油氣直接接觸人體，以免皮膚凍傷。

（6）LPG的氣態(tài)密度是空氣的1.5～2倍，易在大氣中自然擴(kuò)散，并向低洼區(qū)流動(dòng)，聚積在不通風(fēng)的低洼地點(diǎn)。

2 LPG回收流程

由于FPSO空間的限制，在陸地上較為成熟但較為復(fù)雜的LPG回收工藝流程并不適用于海上浮式裝置，因此，海上浮式裝置的LPG回收應(yīng)該在保障一定收益的前提下，流程盡量簡(jiǎn)單，有利于操作。圖1為某投產(chǎn)FPSO的LPG雙塔回收流程，圖2為LPG外輸流程。

圖1 雙塔回收流程

圖2 LPG外輸流程

3 L PG回收裝置布置設(shè)計(jì)

LPG回收設(shè)施總體布置的主要研究?jī)?nèi)容為：根據(jù)LPG回收裝置的設(shè)施數(shù)量與使用要求、海域的環(huán)境條件和FPSO總體布置，將回收設(shè)施安全、合理、經(jīng)濟(jì)地布置在有限的平臺(tái)甲板上，并使重心分布能滿足下部船體總體性能要求。

3.1 LPG設(shè)備布置原則

（1）設(shè)備布置應(yīng)能滿足生產(chǎn)作業(yè)的需要。

（2）應(yīng)結(jié)合設(shè)施建造方案、總裝方式的要求，合理制定設(shè)備布置方案。

（3）總體布置應(yīng)滿足安全、防火、消防、人員逃救生等需求。

（4）設(shè)備設(shè)施應(yīng)分區(qū)布置，按照生產(chǎn)設(shè)施危險(xiǎn)性遞減原則展開，合理進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域劃分，并以防火間隔或者防火墻進(jìn)行分隔。

（5）設(shè)備設(shè)施布置應(yīng)能便于操作管理，提供充足、合理的操作維修區(qū)域和逃生通道。

（6）平臺(tái)的設(shè)備布置應(yīng)考慮其重量可在組塊甲板上均勻分布，其重心分布能滿足浮體總體性能要求。

（7）設(shè)備布置應(yīng)有利于減弱船體搖動(dòng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行的沖擊。

（8）有效的自然通風(fēng)。

（9）考慮LPG常溫常壓下物理特性，對(duì)潛在點(diǎn)火源和烴類儲(chǔ)罐實(shí)行有效分離。

（10）滿足工藝流程技術(shù)要求。

3.2 LPG設(shè)備布置方案

3.2.1 LPG設(shè)備總體布置設(shè)計(jì)

LPG的火災(zāi)危險(xiǎn)性屬于甲A類[3]，原油和天然氣的火災(zāi)危險(xiǎn)性屬于甲B類[3]，LPG回收裝置增加了原油設(shè)施的危險(xiǎn)性。在一艘空間相對(duì)狹小的FPSO上布置LPG回收裝置，應(yīng)盡量減小發(fā)生災(zāi)害事故的可能性及事故的影響。本文以南海某FPSO上部模塊為例進(jìn)行說明。通常FPSO上部功能模塊的布置（見圖3）按照生產(chǎn)設(shè)施危險(xiǎn)性遞減原則展開，從艏到艉，依次布置原油/天然氣設(shè)備、生產(chǎn)水處理設(shè)備、熱站/電站、電氣房間、生活樓，按照LPG的火災(zāi)危險(xiǎn)性等級(jí)，LPG儲(chǔ)罐和回收模塊應(yīng)布置在更靠近艏的位置。

圖3 FPSO上部功能模塊布置

FPSO上部模塊采用模塊化的建造總裝方式，結(jié)合其工藝流程要求，LPG回收設(shè)備也采用單元模塊的布置設(shè)計(jì)，并將單元模塊布置在上部模塊右舷側(cè)，便于設(shè)備或者管道泄漏產(chǎn)生的LPG氣體在風(fēng)力作用下迅速被吹離平臺(tái)。

3.2.2 儲(chǔ)罐區(qū)隔離設(shè)計(jì)

LPG儲(chǔ)罐作為燃料源，應(yīng)采取適當(dāng)分隔措施減少次生災(zāi)害發(fā)生的概率。由于FPSO空間狹小，無法按照陸地的隔離距離進(jìn)行布置，但應(yīng)考慮通過調(diào)整設(shè)施布置，在儲(chǔ)罐的兩側(cè)設(shè)置隔離區(qū)，隔離區(qū)的寬度采用安全分析和氣體擴(kuò)散模型作為模擬工具給出推薦距離來降低對(duì)周圍設(shè)施的影響。除了被動(dòng)隔離措施之外，將四個(gè)儲(chǔ)罐劃分為四個(gè)火區(qū)，采用噴淋 （噴淋強(qiáng)度為 9 L·m-2·min-1）[4]進(jìn)行有效隔離，防止火焰蔓延。

系統(tǒng)在獲得數(shù)據(jù)分片后，對(duì)分片進(jìn)行哈希計(jì)算，得到每個(gè)分片的哈希值后，與之前原數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在智能合約中的哈希值進(jìn)行比對(duì)、驗(yàn)證。如果哈希值相同，則系統(tǒng)返回?cái)?shù)據(jù)未被改動(dòng)；反之，則提醒用戶數(shù)據(jù)已經(jīng)被篡改。另外，考慮到分布式存儲(chǔ)的容錯(cuò)性，如果出現(xiàn)部分分片丟失，只要丟失的分片數(shù)量小于系統(tǒng)數(shù)據(jù)冗余分片數(shù)量，系統(tǒng)仍然能夠還原數(shù)據(jù)源文件，具體如圖8所示。

關(guān)于罐區(qū)圍堰的設(shè)計(jì)，參照API 2510的要求[5]，罐區(qū)應(yīng)設(shè)置圍堰以備事故情況下盛放緊急泄放的液體，但基于FPSO空間有限的實(shí)際情況，無法照搬陸地的設(shè)計(jì)規(guī)定，因此，需結(jié)合定量風(fēng)險(xiǎn)分析（QRA） 和有限元分析（FEA） 的分析結(jié)論，本文依托的項(xiàng)目經(jīng)過第三方的論證，基于總圖設(shè)計(jì)規(guī)劃的隔離距離，全船的個(gè)人死亡風(fēng)險(xiǎn)已處于國際通行的可接受范圍內(nèi)，LPG罐區(qū)在本區(qū)域因泄漏而形成的池火累積概率或包扎概率均小于1×10-5a-1（設(shè)計(jì)事故載荷的可接受標(biāo)準(zhǔn)是1×10-4a-1）[6]。圍堰高度和大小未參照API 2510的規(guī)定，其功能只作為設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)的附屬設(shè)施。

3.2.3 對(duì)船體搖動(dòng)的設(shè)計(jì)考慮

FPSO在風(fēng)、浪等自然環(huán)境的作用下，將產(chǎn)生橫搖和縱搖現(xiàn)象，直接影響儲(chǔ)罐的液位穩(wěn)定，間接影響LPG的外輸及正常的生產(chǎn)。為減弱搖動(dòng)的影響，將LPG臥罐容器的長軸、泵及壓縮機(jī)的軸方向沿著船長方向進(jìn)行布置。

3.2.4 回收工藝處理設(shè)備布置方案

回收工藝流程主要包括脫甲烷塔、脫乙烷塔、再沸器、回流罐、回流泵、冷卻器等設(shè)備。

船體因海浪、海風(fēng)產(chǎn)生的橫搖將對(duì)高塔（脫甲烷脫乙烷）的分離性能和分離效率產(chǎn)生不利影響。塔器布置在船舯可最大程度減弱橫搖的影響。

單元模塊各層設(shè)備布置高度設(shè)計(jì)應(yīng)滿足工藝計(jì)算和泵汽蝕余量的要求。第一層甲板（EL.+0 000）布置2臺(tái)回流泵與1臺(tái)再沸器。第二層甲板（EL.+3 700） 布置2臺(tái)塔底重沸器；在重沸器抽芯空間的上方設(shè)置滑道梁，便于以后維修。第三層甲板（EL.+8 500） 布置回流罐，滿足回流泵汽蝕余量要求。第三層和第四層甲板之間設(shè)置夾層（EL.+12 400），供回流罐頂部?jī)x表閥門操作使用。第四層甲板（EL.+16 000）布置冷卻器，高度應(yīng)滿足冷卻器和回流泵的位差要求。第五層甲板（EL.+21 500）設(shè)置安全泄放閥組。由于塔器較高，為了提高塔器在FPSO上的穩(wěn)定性，在第五層結(jié)構(gòu)甲板邊緣設(shè)置導(dǎo)向限位結(jié)構(gòu)框架對(duì)塔身進(jìn)行固定。在每層甲板設(shè)置斜梯和直梯通往上一層甲板，具體如圖4所示。

圖4 單元模塊立面

運(yùn)輸船采用艉靠或旁靠方式進(jìn)行?？?。儲(chǔ)罐內(nèi)經(jīng)處理后合格的LPG通過FPSO上的外輸泵輸送至運(yùn)輸船。結(jié)合泵的汽蝕余量要求、點(diǎn)火源與燃料源應(yīng)分離的要求以及靠船方式，將外輸泵布置在儲(chǔ)罐臨近的靠船側(cè)模塊下方船體主甲板位置。外輸絞車布置在艉部靠船側(cè)，見圖3。

3.2.6 FPSO上部模塊設(shè)施對(duì)LPG設(shè)施布置的考慮

（1）平臺(tái)吊機(jī)布置時(shí)，其覆蓋范圍應(yīng)遠(yuǎn)離儲(chǔ)罐上方，避免在儲(chǔ)罐附近設(shè)置卸貨區(qū)。

（2）由于塔器較高（遠(yuǎn)高于吊機(jī)），為避免吊機(jī)誤操作導(dǎo)致的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，吊機(jī)應(yīng)設(shè)置限位。

（3）LPG氣體密度大于空氣，若發(fā)生泄漏將會(huì)聚集在泄漏點(diǎn)底部，因此，儲(chǔ)罐模塊下方應(yīng)避免布置動(dòng)設(shè)備。

（4）為了避免經(jīng)單點(diǎn)進(jìn)入上模流程的原油管道途徑罐區(qū)船舯管廊時(shí)可能發(fā)生的泄漏對(duì)LPG罐區(qū)形成的安全隱患，取消儲(chǔ)罐模塊舯管廊設(shè)計(jì)，經(jīng)單點(diǎn)輸送的原油管道經(jīng)由儲(chǔ)罐模塊甲板下方進(jìn)入工藝處理流程。

（5）通過FEA分析計(jì)算出LPG設(shè)備（包括塔、儲(chǔ)罐等）在火災(zāi)爆炸工況下承受的爆炸載荷和熱輻射量，從而確定是否需要進(jìn)行設(shè)備布置的調(diào)整，是否需要對(duì)設(shè)備增加被動(dòng)防火保護(hù)，以確保人員逃生時(shí)間，防止事故的再擴(kuò)大化。

3.3 船型FPSO上部模塊LPG設(shè)備布置要點(diǎn)

（1）基于FPSO的搖動(dòng)特征，塔器應(yīng)布置在靠近搖動(dòng)幅度最小的船舯區(qū)域，在塔身適當(dāng)位置設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)框架，固定在小平臺(tái)邊緣結(jié)構(gòu)梁上。

（2）將LPG儲(chǔ)罐布置在敞開區(qū)域，利于自然通風(fēng)對(duì)可能產(chǎn)生的泄漏氣體發(fā)揮擴(kuò)散稀釋作用，儲(chǔ)罐在滿足底部出液管道的前提下，應(yīng)適當(dāng)降低重心以提高穩(wěn)性。

（3）通過在有限的FPSO空間內(nèi)，優(yōu)化上部模塊設(shè)備布置，在單點(diǎn)與LPG罐區(qū)間、LPG罐區(qū)與工藝處理模塊間，預(yù)留了適當(dāng)?shù)陌踩g距。

（4） 儲(chǔ)罐作為浮式裝置上最大的危險(xiǎn)源，F(xiàn)PSO服務(wù)設(shè)施根據(jù)其危險(xiǎn)性進(jìn)行適應(yīng)性布置，吊機(jī)覆蓋范圍應(yīng)盡量避開儲(chǔ)罐區(qū)域，避免在罐區(qū)布置機(jī)械類設(shè)備。

（5）對(duì)LPG回收處理系統(tǒng)進(jìn)行功能分區(qū)，對(duì)LPG回收處理設(shè)備集中布置，形成處理模塊單元，不僅可以使工藝流程暢順、合理，還利于LPG功能區(qū)投入運(yùn)行后的安全管理，同時(shí)有利于模塊化建造的實(shí)施。

4 結(jié)束語

不同于陸地石油站場(chǎng)，船型FPSO裝置的空間有限，且最大的特點(diǎn)是處于周期性的搖動(dòng)狀態(tài)，因此，海上浮式裝置的LPG回收設(shè)備布置設(shè)計(jì)與陸地相比具有較大的差異。防火間距以及設(shè)備布置要考慮船型FPSO裝置的特點(diǎn)。隨著我國海洋戰(zhàn)略的實(shí)施，能源領(lǐng)域?qū)㈥懤m(xù)開發(fā)深水和邊際油氣田，而FPSO的優(yōu)越性以及以LPG為代表的輕烴回收所產(chǎn)生的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)更加明顯，其在海上油氣田開發(fā)中擁有廣闊的應(yīng)用前景。