熱介質(zhì)系統(tǒng)在FPSO上的應(yīng)用及運行關(guān)鍵問題分析

張 榮

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300457)

熱介質(zhì)系統(tǒng)在FPSO上的應(yīng)用及運行關(guān)鍵問題分析

張 榮

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300457)

浮式生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)是集油氣生產(chǎn)、儲存、外輸及生活、動力于一體的海上油氣處理大型設(shè)施，目前是海上油氣田開發(fā)的主流方式。熱介質(zhì)系統(tǒng)是一套密閉系統(tǒng)，熱介質(zhì)運行在獨立封閉的管路中，在FPSO上的主要作用是與用戶交換熱能。熱介質(zhì)系統(tǒng)以其安全、高效、節(jié)能等特點在FPSO上獲得廣泛應(yīng)用。通過對熱介質(zhì)系統(tǒng)組成、工作原理、控制系統(tǒng)、運行的關(guān)鍵問題和常見故障的分析及解決方案進行分析，為實際生產(chǎn)提供一定的支持。

浮式生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)；熱介質(zhì)系統(tǒng)；導(dǎo)熱油；故障分析

0 引 言

浮式生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)是集油氣生產(chǎn)、儲存、外輸及生活、動力于一體的海上油氣處理大型設(shè)施，目前是海上油氣田開發(fā)的主流方式。在FPSO上需要交換熱能，為用戶提供充足的熱源，使各熱用戶達到一定的溫度，從而保障貨油艙、工藝艙、生產(chǎn)處理系統(tǒng)的操作溫度[1]。

1932年第一臺熱介質(zhì)鍋爐誕生，標志著現(xiàn)代熱介質(zhì)系統(tǒng)應(yīng)用的開端。在我國，熱介質(zhì)系統(tǒng)也已經(jīng)有30年的應(yīng)用歷史了。熱介質(zhì)系統(tǒng)具有高溫(320 ℃以上)低壓(0.3～0.5 MPa)的優(yōu)點，且其供熱溫度可精確控制，因此迅速取代蒸汽鍋爐供熱。同時，該設(shè)備不需要水處理設(shè)備，無蒸汽鍋爐的跑、冒、滴、漏等熱損失，所以其一次性投資省，運行費用低，是一套安全、高效、節(jié)能的供熱系統(tǒng)[2]。

熱介質(zhì)系統(tǒng)主要由熱介質(zhì)鍋爐、熱介質(zhì)循環(huán)泵、熱介質(zhì)提升泵、熱介質(zhì)補油泵、膨脹罐和CO2滅火設(shè)備組成。熱介質(zhì)系統(tǒng)是一套密閉系統(tǒng)，熱介質(zhì)運行在獨立封閉的管路中，在FPSO上的主要作用是與用戶交換熱能。

熱介質(zhì)系統(tǒng)一般選用合成烴混合物作為熱介質(zhì)，根據(jù)工況不同選擇熱介質(zhì)也不同，比如海洋石油113、115和116號FPSO選擇Therminol 55，其攜熱能力強、難揮發(fā)、不易燃而且可循環(huán)使用[3]。海洋石油111則利用內(nèi)燃機余熱作為熱介質(zhì)系統(tǒng)，熱介質(zhì)系統(tǒng)設(shè)計時注重原有系統(tǒng)和新增系統(tǒng)的鏈接和隔離,還需注意熱介質(zhì)系統(tǒng)的注油、調(diào)試方案和操作規(guī)程，采用閥門隔離的方式應(yīng)用于工程實際[4]。

熱介質(zhì)系統(tǒng)還為每臺熱介質(zhì)鍋爐配有一套CO2滅火設(shè)備，主要包括CO2瓶組、相應(yīng)瓶頭閥、電磁閥和壓力開關(guān)等。當(dāng)鍋爐內(nèi)部出現(xiàn)不正常燃燒，排煙溫度達到高高報警時，會引起CO2系統(tǒng)動作進行滅火。

近年來，對于熱介質(zhì)系統(tǒng)的研究越來越多地受到海洋油氣工程領(lǐng)域?qū)＜业闹匾昜5]。本文通過分析應(yīng)用于FPSO上的熱介質(zhì)系統(tǒng)組成、工作原理、控制系統(tǒng)、運行的關(guān)鍵問題和常見故障，為實際生產(chǎn)提供支持。

1 熱介質(zhì)系統(tǒng)工作原理

1.1 熱介質(zhì)系統(tǒng)

熱介質(zhì)鍋爐是一種間接加熱裝置，具有熱效率高、運行安全可靠、全自動控制的特點。熱介質(zhì)鍋爐由爐體(輻射加熱段)、煙氣換熱段(對流加熱段)、控制盤、燃燒器及煙囪等部件組成。爐體內(nèi)壁沿圓周位置以及爐體上部的煙氣換熱段都布置著盤管，正常工作時，燃燒器燃燒，爐內(nèi)高溫火焰通過傳導(dǎo)、對流和輻射方式將盤管內(nèi)的熱油加熱。熱介質(zhì)系統(tǒng)的熱油首先進入爐體上部的煙氣換熱段的盤管，在盤管內(nèi)被從爐膛流出的高溫?zé)煔饧訜岷? 再進入爐膛內(nèi)的盤管，進一步吸收爐膛內(nèi)火焰的熱量，升溫到工藝所需的溫度,與熱交換器、加熱盤管等進行熱能傳遞后匯集在一起，返回循環(huán)泵再進行增壓、加熱、換熱。如此反復(fù)循環(huán)，提供穩(wěn)定的熱源。在系統(tǒng)內(nèi)最高點設(shè)有膨脹罐，收集熱循環(huán)過程中的熱介質(zhì)膨脹余量，亦可補充循環(huán)過程中的熱介質(zhì)損耗，從而保證系統(tǒng)中有相對穩(wěn)定的熱介質(zhì)循環(huán)量。

1.2 控制系統(tǒng)

熱介質(zhì)系統(tǒng)的控制由現(xiàn)場控制系統(tǒng)實行就地控制,并設(shè)有一個公共報警/關(guān)斷信號，將就地報警和關(guān)斷信號傳至中控系統(tǒng)，具體的報警及關(guān)斷故障原因只能在就地控制盤上查看。

溫度控制是以熱介質(zhì)出口溫度為控制信號，以燃料量和空氣量為控制對象，通過溫度控制閥來實現(xiàn)的。當(dāng)燃料量變化時，燃燒空氣也進行相應(yīng)的比例調(diào)節(jié)，使得燃燒符合介質(zhì)溫度的變化，否則，供風(fēng)量過少則燃燒不能充分，供風(fēng)量過大則熱量會被損失掉。

流量控制是通過差壓控制閥實現(xiàn)的。差壓的取樣信號分別來自熱介質(zhì)的進口和出口，通過調(diào)節(jié)熱介質(zhì)旁路的回流量來實現(xiàn)流量的控制。單個爐的流量則由各個爐的流量控制閥控制。

2 熱介質(zhì)系統(tǒng)在FPSO上的應(yīng)用

FPSO產(chǎn)業(yè)作為中海油的重要產(chǎn)業(yè)之一，正在不斷發(fā)展壯大。中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司是中海油FPSO產(chǎn)業(yè)的運營和管理者，目前擁有海洋石油111、海洋石油112、海洋石油113、海洋石油115、海洋石油116、明珠號和長青號7艘FPSO，這7艘FPSO無一例外地使用了熱介質(zhì)系統(tǒng)，但是還存在一定的差別。

由于操作溫度大都在160～230 ℃，熱介質(zhì)型號全部選擇Therminol 55。根據(jù)FPSO熱用戶能耗大小，配備了不同臺數(shù)和不同功率的鍋爐。鍋爐類型有普通熱介質(zhì)鍋爐和廢熱回收鍋爐兩種。

表1 部分FPSO熱介質(zhì)系統(tǒng)情況

圖1和圖2分別給出使用執(zhí)介質(zhì)鍋爐和廢熱回收鍋爐的熱介質(zhì)系統(tǒng)工作流程。由圖 1和圖 2可以看出，兩種類型的熱介質(zhì)系統(tǒng)在工作原理上并沒有什么不同，廢熱回收熱介質(zhì)系統(tǒng)只是比普通熱介質(zhì)系統(tǒng)多了個廢熱回收裝置。以海洋石油116為例，普通的熱介質(zhì)鍋爐在工作時，熱介質(zhì)循環(huán)泵將介質(zhì)油傳輸?shù)綗峤橘|(zhì)鍋爐中，經(jīng)過鍋爐的加熱，達到要求的溫度，便傳輸?shù)礁鱾€終端用戶。在最高處的膨脹罐能夠不斷補充系統(tǒng)的損耗，并釋放系統(tǒng)中的氣泡，膨脹罐上方加上一定壓力的氮氣能夠阻止空氣進入膨脹罐，防止介質(zhì)油的氧化變質(zhì)。帶廢熱回收裝置的熱介質(zhì)系統(tǒng)，以海洋石油113為例，在渦輪發(fā)動機尾氣排放口安裝一個廢熱回收裝置，充分吸收渦輪發(fā)動機高溫尾氣的熱量，使介質(zhì)油溫度升高，達到工藝要求，此時通過控制進入廢熱回收裝置的高溫尾氣流量來控制介質(zhì)油的溫度。假如渦輪發(fā)動機的尾氣不能使熱介質(zhì)油達到要求的溫度，安裝在廢熱回收裝置上的補燃段鍋爐就會自動起動，繼續(xù)加熱介質(zhì)油，直至達到工藝要求。

加設(shè)廢熱回收裝置不僅能夠回收渦輪發(fā)動機高溫尾氣的巨大能量，還能為油田節(jié)省大量的燃料費用，是油田伴生氣不多或不夠燃氣渦輪和燃氣鍋爐使用時的一個好辦法。

圖1 普通熱介質(zhì)系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Process diagram of normal heating medium system

圖2 廢熱回收熱介質(zhì)系統(tǒng)流程示意圖Fig.2 Process diagram of the heating medium system with waste heat recovery

3 熱介質(zhì)系統(tǒng)運行關(guān)鍵問題

熱介質(zhì)系統(tǒng)經(jīng)過多年運行后，由于系統(tǒng)老化，發(fā)生故障的幾率不斷增加。假如現(xiàn)場操作和管理人員不提高警惕，不能及時發(fā)現(xiàn)或處理系統(tǒng)中的問題，可能會導(dǎo)致事故的發(fā)生，嚴重時甚至導(dǎo)致油田停產(chǎn)。在熱介質(zhì)系統(tǒng)運行過程中應(yīng)該注意以下問題。

3.1 鍋爐起停

絕對禁止采用系統(tǒng)斷電的方式來停爐。在鍋爐剛停止燃燒的情況下，應(yīng)該逐步降低熱介質(zhì)的溫度，每30 min降溫不要超過100 ℃。熱介質(zhì)的出口溫度降至(120～150 ℃)，且溫控閥已處在小火的位置，爐膛溫度有明顯下降時，可實施停爐。系統(tǒng)運行時，如果循環(huán)泵故障停泵，應(yīng)該馬上起動備用泵，保持介質(zhì)油的流動，防止因受熱不均而導(dǎo)致介質(zhì)油變質(zhì)。

初次起爐時，應(yīng)該充分冷循環(huán)，排凈系統(tǒng)內(nèi)的氣泡，并清除管道內(nèi)的雜質(zhì)。

3.2 介質(zhì)油質(zhì)量的監(jiān)測與控制

介質(zhì)油在高溫狀態(tài)下長期運行，將發(fā)生裂解反應(yīng)，介質(zhì)油的氫含量逐漸下降，碳氫比、分子量和重度逐漸增大，導(dǎo)致介質(zhì)油黏度和含碳量增加，流動性變差，可能會導(dǎo)致介質(zhì)油局部溫度過高，受熱不均，嚴重時甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)或者爆炸事故。所以要定期檢測介質(zhì)油的質(zhì)量，一旦發(fā)現(xiàn)油質(zhì)劣化需立即更換。

熱介質(zhì)膨脹罐上方為高壓氮氣覆蓋，防止介質(zhì)油與空氣接觸發(fā)生氧化，并防止水分進入系統(tǒng)。如果水分進入系統(tǒng)內(nèi)，介質(zhì)油被加熱到200 ℃后，進入循環(huán)泵，產(chǎn)生氣蝕，將會導(dǎo)致循環(huán)泵工作噪聲振動變大，機械密封和軸承磨損，循環(huán)泵進出口盤根泄漏。更換閥門和機械密封等工作，將給油田的生產(chǎn)帶來極大的影響。

3.3 膨脹罐液位監(jiān)測

在正常運轉(zhuǎn)期間，膨脹罐液位變化較小。如果膨脹罐液位變化較大，則很可能是系統(tǒng)泄漏造成的，應(yīng)該盡快查明原因，及時處理。嚴格防止因介質(zhì)油泄漏引發(fā)火災(zāi)。

3.4 爐體質(zhì)量檢查

鍋爐長時間運行，會出現(xiàn)內(nèi)部保溫層脫落。如未及時發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致受熱不均，爐體溫度就會增加，爐體變形明顯。若發(fā)現(xiàn)內(nèi)部保溫層出現(xiàn)問題，應(yīng)及時檢查，如需進行修補，應(yīng)該符合工業(yè)鍋爐安裝及施工驗收標準。

3.5 熱介質(zhì)系統(tǒng)的預(yù)防性維護

為了避免熱介質(zhì)系統(tǒng)在運行過程中發(fā)生各種各樣的故障而影響正常生產(chǎn)，必須防患于未然，充分做好系統(tǒng)的預(yù)防性維護工作。

每日進行的檢查檢測包括：檢查爐體外殼是否變形及膨脹罐液位；檢查管線及法蘭是否滲漏；檢查儀表氣壓力，檢查介質(zhì)油進、出口壓力及溫度；檢查風(fēng)機聲音及振動；檢查火焰形狀；檢查介質(zhì)油循環(huán)泵、柴油輸送泵聲音及壓力，檢查是否滲漏；檢查點火用丙烷氣壓力及濾器；檢查熱介質(zhì)油過濾器壓差；檢查爐體外殼是否變形及膨脹罐液位；檢查管線及法蘭是否滲漏，同時對介質(zhì)爐本體及輔助設(shè)備表面清潔。

150 h檢查工作包括：檢查燃燒器固定螺栓；檢查爐體及輔助設(shè)備絕熱層是否完好；狀態(tài)檢測。

700 h檢查工作包括：檢查燃燒器的定位情況及窺視孔；檢查去惰氣發(fā)生器的接頭及閘門；檢查介質(zhì)油循環(huán)泵機械密封及濾器；清洗柴油輸送泵濾網(wǎng)、檢查天然氣緩沖罐。同時對空氣比例機構(gòu)、電機加油潤滑，對介質(zhì)油取樣并進行目視檢查。

3 000 h檢查工作包括：檢查爐體、輔助設(shè)備及管線是否滲漏；檢查爐膛內(nèi)部耐火材料是否脫落；介質(zhì)油取樣分析；柴油泵、介質(zhì)油循環(huán)泵對中性檢查；CO2氣瓶稱重；壓力/溫度開關(guān)填料函檢查。并對各燃料及點火油噴嘴進行清洗，此外還需對導(dǎo)壓管線截止閥、安全閥上下游截止閥進行保養(yǎng)，對探頭、壓力表、溫度計進行測試。

6 000 h檢查工作包括：風(fēng)機解體檢查，必要時對葉輪做動平衡檢查、更換軸承；燃燒器解體檢修；介質(zhì)油循環(huán)泵解體檢修；爐膛內(nèi)部介質(zhì)油盤管清潔，檢查膨脹接頭是否處于自由狀態(tài)；檢查爐膛內(nèi)部是否存在火焰沖擊現(xiàn)象；檢修油、氣配比機構(gòu)各風(fēng)門；控制盤電氣檢查。同時對盤管進行打壓檢查，對壓力表、溫度計、安全閥、壓力開關(guān)進行校驗并更換介質(zhì)油循環(huán)泵機械密封，此外還需測量介質(zhì)油膨脹罐壁厚。

4 結(jié) 語

本文對熱介質(zhì)系統(tǒng)及其工作原理進行了簡要介紹，討論了熱介質(zhì)鍋爐在FPSO上的應(yīng)用，并較為詳細地描述和分析總結(jié)了熱介質(zhì)系統(tǒng)運行中的若干關(guān)鍵問題和熱介質(zhì)系統(tǒng)產(chǎn)生故障的預(yù)防性維護措施。希望本文的研究能夠為實際生產(chǎn)中的工作人員提供一定的技術(shù)支持和參考。

[1] 楊新強. 平臺熱介質(zhì)鍋爐風(fēng)機的動平衡[J]. 鑿巖機械氣動工具, 2008(2): 25.

[2] 梁光山. 熱介質(zhì)鍋爐燃燒分析與配風(fēng)比控制[C]. 第八屆全國設(shè)備與維修工程學(xué)術(shù)會議論文集, 2008: 459.

[3] 鹿棟梁, 鹿擎梁, 王東升, 等. 海上油氣田熱介質(zhì)供熱系統(tǒng)調(diào)試及建議[J]. 石油工程建設(shè), 2012, 38(4): 11.

[4] 龔玉林, 王棟. 利用內(nèi)燃機余熱為熱介質(zhì)系統(tǒng)加熱研究[J]. 資源節(jié)約與環(huán)保, 2016(1): 12.

[5] 李楊, 劉瑜珩, 趙軍凱. 渤海曹妃甸油田熱介質(zhì)系統(tǒng)故障分析[J]. 內(nèi)蒙古石油化工, 2007, 33(5): 91.

AnalysisontheApplicationandKeyOperatingProblemsofHeatMediumSysteminFPSO

ZHANG Rong

(OilProductionServiceCo.,CNOOCEnergyTechnologyandServicesLtd.,Tianjin300457,China)

Floating production storage and offloading unit (FPSO) is a collection of oil and gas production, storage, transmission, as well as living and power in an offshore oil and gas processing large facility. It is now the mainstream of the offshore oil and gas field development. Heating medium system is a closed system, in which the heating medium running in independent closed pipeline has the function of heat exchange. Heating medium system, with its safety, high efficiency, energy saving, etc., is widely used in FPSO. By analyzing the composition, working principle, control system, operating key issues and common failure solution of heating medium system used in FPSO, we hope to provide some support to the actual production.

floating production storage and offloading unit (FPSO); heating medium system; heat-conduction oil; fault analysis

2016-09-30

張榮(1979—)，男，工程師，主要從事浮式生產(chǎn)儲卸裝置(FPSO)設(shè)備管理與應(yīng)用方面的研究。

TE54

A

2095-7297(2016)05-0292-05