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(yùn)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(chǔ)卸裝置(FPSO)是集油氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存、外輸及生活、動(dòng)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(yùn)行在獨(dú)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(diǎn)在FPSO上獲得廣泛應(yīng)用。通過對(duì)熱介質(zhì)系統(tǒng)組成、工作原理、控制系統(tǒng)、運(yùn)行的關(guān)鍵問題和常見故障的分析及解決方案進(jìn)行分析，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的支持。

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)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(chǔ)卸裝置(FPSO)是集油氣生產(chǎn)、儲(chǔ)存、外輸及生活、動(dòng)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(dá)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(tái)熱介質(zhì)鍋爐誕生，標(biāo)志著現(xiàn)代熱介質(zhì)系統(tǒng)應(yīng)用的開端。在我國(guó)，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(diǎn)，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(shí)，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(yùn)行費(fèi)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(bǔ)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(yùn)行在獨(dú)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(hào)FPSO選擇Therminol 55，其攜熱能力強(qiáng)、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(jī)余熱作為熱介質(zhì)系統(tǒng)，熱介質(zhì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)際[4]。

熱介質(zhì)系統(tǒng)還為每臺(tái)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(dá)到高高報(bào)警時(shí)，會(huì)引起CO2系統(tǒng)動(dòng)作進(jìn)行滅火。

近年來，對(duì)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(yùn)行的關(guān)鍵問題和常見故障，為實(shí)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(yùn)行安全可靠、全自動(dòng)控制的特點(diǎn)。熱介質(zhì)鍋爐由爐體(輻射加熱段)、煙氣換熱段(對(duì)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(shí)，燃燒器燃燒，爐內(nèi)高溫火焰通過傳導(dǎo)、對(duì)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(jìn)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(jìn)入爐膛內(nèi)的盤管，進(jìn)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(jìn)行熱能傳遞后匯集在一起，返回循環(huán)泵再進(jìn)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(diǎn)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(bǔ)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(duì)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(chǎng)控制系統(tǒng)實(shí)行就地控制,并設(shè)有一個(gè)公共報(bào)警/關(guān)斷信號(hào)，將就地報(bào)警和關(guān)斷信號(hào)傳至中控系統(tǒng)，具體的報(bào)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(hào)，以燃料量和空氣量為控制對(duì)象，通過溫度控制閥來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)燃料量變化時(shí)，燃燒空氣也進(jìn)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(huì)被損失掉。

流量控制是通過差壓控制閥實(shí)現(xiàn)的。差壓的取樣信號(hào)分別來自熱介質(zhì)的進(jìn)口和出口，通過調(diào)節(jié)熱介質(zhì)旁路的回流量來實(shí)現(xiàn)流量的控制。單個(gè)爐的流量則由各個(gè)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(yùn)營(yíng)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(hào)和長(zhǎng)青號(hào)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(hào)全部選擇Therminol 55。根據(jù)FPSO熱用戶能耗大小，配備了不同臺(tái)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(gè)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(shí)，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(dá)到要求的溫度，便傳輸?shù)礁鱾€(gè)終端用戶。在最高處的膨脹罐能夠不斷補(bǔ)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?dú)饽軌蜃柚箍諝膺M(jìn)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(dòng)機(jī)尾氣排放口安裝一個(gè)廢熱回收裝置，充分吸收渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫尾氣的熱量，使介質(zhì)油溫度升高，達(dá)到工藝要求，此時(shí)通過控制進(jìn)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(dòng)機(jī)的尾氣不能使熱介質(zhì)油達(dá)到要求的溫度，安裝在廢熱回收裝置上的補(bǔ)燃段鍋爐就會(huì)自動(dòng)起動(dòng)，繼續(xù)加熱介質(zhì)油，直至達(dá)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(dòng)機(jī)高溫尾氣的巨大能量，還能為油田節(jié)省大量的燃料費(fèi)用，是油田伴生氣不多或不夠燃?xì)鉁u輪和燃?xì)忮仩t使用時(shí)的一個(gè)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(yùn)行關(guān)鍵問題

熱介質(zhì)系統(tǒng)經(jīng)過多年運(yùn)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(chǎng)操作和管理人員不提高警惕，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)或處理系統(tǒng)中的問題，可能會(huì)導(dǎo)致事故的發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致油田停產(chǎn)。在熱介質(zhì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中應(yīng)該注意以下問題。

3.1 鍋爐起停

絕對(duì)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(shí)，可實(shí)施停爐。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，如果循環(huán)泵故障停泵，應(yīng)該馬上起動(dòng)備用泵，保持介質(zhì)油的流動(dòng)，防止因受熱不均而導(dǎo)致介質(zhì)油變質(zhì)。

初次起爐時(shí)，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(cè)與控制

介質(zhì)油在高溫狀態(tài)下長(zhǎng)期運(yùn)行，將發(fā)生裂解反應(yīng)，介質(zhì)油的氫含量逐漸下降，碳?xì)浔?、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(dòng)性變差，可能會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)油局部溫度過高，受熱不均，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生火災(zāi)或者爆炸事故。所以要定期檢測(cè)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?dú)飧采w，防止介質(zhì)油與空氣接觸發(fā)生氧化，并防止水分進(jìn)入系統(tǒng)。如果水分進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)，介質(zhì)油被加熱到200 ℃后，進(jìn)入循環(huán)泵，產(chǎn)生氣蝕，將會(huì)導(dǎo)致循環(huán)泵工作噪聲振動(dòng)變大，機(jī)械密封和軸承磨損，循環(huán)泵進(jìn)出口盤根泄漏。更換閥門和機(jī)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(cè)

在正常運(yùn)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(shí)處理。嚴(yán)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(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)內(nèi)部保溫層脫落。如未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致受熱不均，爐體溫度就會(huì)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(shí)檢查，如需進(jìn)行修補(bǔ)，應(yīng)該符合工業(yè)鍋爐安裝及施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 熱介質(zhì)系統(tǒng)的預(yù)防性維護(hù)

為了避免熱介質(zhì)系統(tǒng)在運(yùn)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(hù)工作。

每日進(jìn)行的檢查檢測(cè)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(jìn)、出口壓力及溫度；檢查風(fēng)機(jī)聲音及振動(dòng)；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(diǎn)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(shí)對(duì)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(cè)。

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(jī)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(shí)對(duì)空氣比例機(jī)構(gòu)、電機(jī)加油潤(rùn)滑，對(duì)介質(zhì)油取樣并進(jìn)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(duì)中性檢查；CO2氣瓶稱重；壓力/溫度開關(guān)填料函檢查。并對(duì)各燃料及點(diǎn)火油噴嘴進(jìn)行清洗，此外還需對(duì)導(dǎo)壓管線截止閥、安全閥上下游截止閥進(jìn)行保養(yǎng)，對(duì)探頭、壓力表、溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。

6 000 h檢查工作包括：風(fēng)機(jī)解體檢查，必要時(shí)對(duì)葉輪做動(dòng)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(jī)構(gòu)各風(fēng)門；控制盤電氣檢查。同時(shí)對(duì)盤管進(jìn)行打壓檢查，對(duì)壓力表、溫度計(jì)、安全閥、壓力開關(guān)進(jìn)行校驗(yàn)并更換介質(zhì)油循環(huán)泵機(jī)械密封，此外還需測(cè)量介質(zhì)油膨脹罐壁厚。

4 結(jié) 語

本文對(duì)熱介質(zhì)系統(tǒng)及其工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，討論了熱介質(zhì)鍋爐在FPSO上的應(yīng)用，并較為詳細(xì)地描述和分析總結(jié)了熱介質(zhì)系統(tǒng)運(yùn)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(hù)措施。希望本文的研究能夠?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)中的工作人員提供一定的技術(shù)支持和參考。

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[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.

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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(chǔ)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