鍋爐尾氣模式在海上油田惰氣系統中的應用研究

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(中海石油(中國)有限公司渤中作業公司，天津 300450)

1 系統說明

惰性氣體是一種氣體或者氣體混合物，如燃料燃燒后的煙氣，它含有不充足的氧氣[1]。海上油田所說的惰氣是指柴油或天燃氣和空氣燃燒后產生的混合氣體，主要成分為氮氣和二氧化碳，含氧量應低于5%。

采用鍋爐尾氣模式的惰氣發生系統主要包括兩個部分，即尾氣源及冷卻模塊和惰氣產生及控制模塊。

相關模塊所包括的設備主要有，熱介質鍋爐(B-901A/B/C，以下分別簡稱1#、2#、3#鍋爐)、文丘里海水冷卻器(WC-831)、風機(BL-831A/B)、具有尾氣工作模式的惰氣發生裝置(X-831)、洗滌塔(I-831)、甲板水封裝置(T-831)，以及相關的流程控制系統。

惰氣發生裝置的設計工作模式有4種，即Fresh(新風模式)、Generator(燃燒模式)、Flue(尾氣模式)和Flex(燃燒與尾氣混合模式)。

QHD32-6油田自投產以來一直采用的是柴油燃燒模式，此模式下惰氣產生完全由惰氣發生及控制模塊完成，包括柴油系統、風系統、燃燒室和爐頭、洗滌塔，柴油通過油泵增壓進入燃燒爐和新鮮空氣混合，點火發生燃燒，產生含氧合格的惰氣，經洗滌冷卻后充艙使用。

尾氣模式的工作流程涵蓋了兩個模塊，大致流程是B-901A/B/C產生的合格高溫尾氣，經WC-831脫硫冷卻后，經BL-831A/B進入惰氣裝置燃燒爐，再由I-831二次洗滌冷卻后通過T-831充艙使用[2]，流程設備選擇、報警關斷參數都由PLC程序自動控制。該模式由于設計和設備原因，自油田投產后一直未能調試成功。

2 方案可行性研究

2.1 面臨的問題

1)三臺熱介質鍋爐的排煙問題。其燃燒是否能夠達到含氧量小于5%的要求，這需要大量的監控數據來證明，是本次項目改造的首要條件。(因惰氣系統針對尾氣含氧超過5%情況下的Flex模式，控制難度很大，無實用價值)。

2)熱介質鍋爐的燃燒調節。如監控數據證明燃燒效果不理想，含氧量偏高，則需要調節鍋爐的燃燒狀況。目前鍋爐燃料為燃氣，調節燃氣與空氣的配比，優化風與氣的混合導向，調節火焰燃燒的位置等操作均有很大風險，技術要求很高。

3)鍋爐尾氣的高溫與腐蝕性氣體處理。鍋爐尾氣進入惰氣發生系統前要求較高，如溫度不可高于60 ℃，含硫量不能太高，否則對風機的腐蝕將很快。這意味著流量高于10 000 N·m3/h、溫度高于220 ℃以上的鍋爐尾氣，在進入惰氣發生系統前必須充分冷卻、處理干凈；

4)長期未動作過的流程閥門是否能繼續使用。

2.2 排煙量計算與組分監測數據的積累分析

2.2.1 鍋爐排煙量的計算

查閱各類資料了解可燃氣燃燒的參數、特性等，對鍋爐排煙進行分析。

各種天燃氣中的甲烷含量一般不低于90%，而其它組分比如丙烷或丁烷燃燒耗用的O2量更高，可簡化假設為90%的CH4和10%乙烷的混合物：

甲烷的燃燒方程：CH4+2O2=2H2O+CO2。

乙烷的燃燒方程：2CH3CH3+7O2=4CO2+6H2O。

甲烷/乙烷完全燃燒與氧氣的量比是1∶2/2∶7，據阿夫加德羅定律，反應的體積比也為1∶2/2∶7，這樣可大致得出1 Nm3甲烷/乙烷燃燒需消耗10 Nm3/18 Nm3空氣的結論，經計算1 Nm3甲烷/乙烷燃燒所產生煙氣量的工程經驗值為11.4 Nm3/20 Nm3。

兩者以9∶1比例混合后的1 Nm3天燃氣燃燒后的煙氣總量約為12.26 Nm3。

無硫天燃氣燃燒后，煙氣中水蒸氣含量很高，1 t天燃氣燃燒時產生的水蒸氣約2.2 t，如果把煙氣溫度降低到35～40 ℃時，煙氣中水蒸氣60%～70%的量會凝結成水[3]。

據連續不間斷監測，QHD32-6 FPSO 3臺鍋爐1 h的總供氣量的記錄為900 Nm3，而單臺鍋爐風機的額定排量為16 100 m3/h(實際排風量的大小根據風門的大小決定)，足以提供充足的空氣量。

據此單臺鍋爐排煙量計算如下。

煙氣總量：300×12.26=3 678 Nm3。

產生的水蒸汽：300×2.2=660 Nm3。

干煙氣總量：3 678-660=3 018 Nm3(假設水蒸氣在WC-831基本濾去)。

經WC831冷卻后的尾氣溫度為50 ℃，據理想氣體狀態方程P1V1/T1=P2V2/T2折算成標方后約為3 570 Nm3/h。

這樣，以目前鍋爐負荷狀況，單臺鍋爐的排煙量能滿足小惰系統的需求(3 570 Nm3/h>2 000 Nm3/h)；兩臺鍋爐的排煙量不能滿足大惰系統的需求(7 140 Nm3/h<10 000 Nm3/h)；3臺鍋爐排煙量可以滿足大惰系統需求(10 710 Nm3/h>10 000 Nm3/h)。

鍋爐燃料為石油伴生氣，其高組分的烴類含量偏高，實際排煙量應該高于計算值，扣除各種煙氣流量損耗，基本可以得出兩臺鍋爐排煙量可能滿足大惰系統需求，三臺鍋爐尾氣排煙量肯定可以滿足大惰系統需求的結論。

2.2.2 針對鍋爐排煙的監測與調節

如何有針對性地實現排煙含量的監測，是實現惰氣尾氣模式的基礎，以火焰顏色判斷燃燒是否充分的定性方法顯然是不可行的，需要更為精確的定量手段，油田購置了可分析溫度在200 ℃左右尾氣氣體成分分析儀。從實測的排煙監測數據上看(見圖1)，1#鍋爐與2#鍋爐含氧偏高，達不到5%以下的標準；3#鍋爐的CO的含量高，爐內易結炭影響換熱效率；2#鍋爐的排煙溫度高，影響鍋爐的帶載能力。

圖1 鍋爐含氧及排煙溫度監測記錄

對于尾氣含量不達標的問題，主要手段是調節進入鍋爐燃燒室的新風與燃氣的配比；對于排煙溫度偏高的對策是調節火焰在爐膛內的燃燒位置，控制爐膛內的壓力。由于燃料為可燃氣，以上兩種調節都有相當大的風險，調節配比如導致燃氣含量偏高極易引發爆燃事件。經過長時間反復嘗試，在惰氣尾氣模式測試前終于將3臺鍋爐的排煙含氧量都控制在5%以下。

2.3 鍋爐尾氣的高溫與腐蝕性氣體處理

QHD燃氣含硫量較低，尾氣系統的文丘里冷卻海水裝置WC831屬于旋流板塔吸收器，采用海水濕法脫硫，具有可靠性高，不易結垢堵塞的優點，脫硫效率可達70%～90%[5]，可有效避免后續管線設備的腐蝕。

面臨的問題是WC83110年間沒有投用，是否可用，冷卻及脫硫效果是否達標都是問題。油田組織人員對洗滌塔整體進行檢查保養，調節入口海水閥門，既要防止水量過少冷卻后溫度不達標，也要防止海水過多導致高液位報警關斷。

2.4 鍋爐尾氣模式相關閥門檢查

QHD32-6油田鍋爐尾氣模式的氣源及冷卻模塊主要有4個啟動控制閥門，其中3個常年關閉，在高溫的鍋爐排煙侵蝕下，閥體銹蝕嚴重，經過解體更換備件之后，閥門工作正常，確保氣源冷卻模塊的管線暢通，降低尾氣阻力。

對于惰氣發生器模塊的閥門，由于燃燒模式和尾氣模式的差異，惰氣發生模塊和控制模塊的流程也存在一定差異，經過解體檢查保養，確保了尾氣模式的控制可靠。

經過以上前期準備工作，基本具備了惰氣尾氣模式的測試條件。

3 方案及實施

3.1 測試方案的確定

先進行小惰氣系統的鍋爐尾氣模式功能測試，成功后再對大惰氣系統的鍋爐尾氣功能進行測試。測試開始前，大家共同討論并詳細地制定了測試方案與測試記錄表格，確保在測試過程中的安全性和數據完整性。

3.2 測試結果

1)結果1。2010-02-17 小惰氣的鍋爐尾氣功能測試成功。

表1所列為3號鍋爐單獨投用的測試過程參數(其他兩臺鍋爐具體數據略)。

表1 測試流程參數記錄(測試工況：3號鍋爐單獨投用 測試時間：20 min)

注:文丘里：海水入口低壓(PAL-0232)100 kPa；尾氣出口溫度(TAH-0137)65 ℃。惰氣間：風機出口低壓(PAL-X143) 4 kPA;洗滌塔出口高溫(TAH-X337)65 ℃；惰氣含氧高(AAH-X339)6%。

2)結果2。2010-02-18 大惰氣尾氣模式測試成功。

2臺鍋爐同時投用的測試過程參數見表2。

3.3 測試小結

1)可以在線投用鍋爐和退出已經投用的鍋爐，在線操作時必須先加入再退出，且必須保證至少有一臺鍋爐投用尾氣模式。

2)WC-831冷卻器海水管路正常，冷卻功能正常，完全可以滿足小惰氣的鍋爐尾氣模式各種工況運行使用(包括任意1臺鍋爐單獨運行，任意2臺鍋爐組合運行，3臺鍋爐同時運行)。

3)鍋爐尾氣成份合格，滿足惰氣系統含氧分析儀含氧量檢測要求。

4)大、小惰氣冷卻系統正常，滿足尾氣模式運行工況下的要求。

5)惰氣系統和鍋爐系統閥門連鎖控制功能正常，自動情況下邏輯控制安全可靠，啟動尾氣模式時邏輯程序設定尾氣入口調節閥FCV-1138僅有30°開度，能起到對鍋爐系統的保護作用，防止風機的啟動沖擊造成鍋爐系統的關停。

6)惰氣系統鍋爐尾氣模式下，鍋爐的熱油溫度控制和尾氣差壓控制功能正常穩定，可滿足使用要求。

7)在正常的運行情況下(2臺或者3臺鍋爐運行)，惰氣出口流量差壓測量值就遠高于惰氣系統運行 基本設定值為28，表明鍋爐尾氣的實際排量完全滿足惰氣穩定運行的流量需求。

表2 測試流程參數記錄(測試工況：1號和2號鍋爐同時投用 測試時間：20 min)

注：文丘里：海水入口低壓 PAL-0232 100 kPa；尾氣出口溫度 TAH-0137 65 ℃。惰氣間：風機出口低壓 PAL-X143 4 kPa;洗滌塔出口高溫 TAH-X337 65 ℃；惰氣含氧高 AAH-X339 6%。

8)在運行鍋爐數量≥1的任意組合工況下，小惰氣系統均能正常運行；使用大惰氣系統時，須保證至少有2臺鍋爐投用尾氣模式，1臺鍋爐的情況下，因鍋爐的尾氣量不足，造成煙囪外的新風被負壓吸入，導致最終含氧量偏高，不滿足充艙惰氣系統含氧量小于5%的要求。

4 節能減排效益分析

2010年2月21日秦皇島32-6油田第319船外輸作業圓滿結束，標志著惰氣的鍋爐尾氣模式正式投用成功。從第一次投用至今，該系統已經穩定運行約兩年(截止2011年底數據)。

1)直接節能效益計算。

T=Qy/V2Q=V1×TB=Q×F

式中：T——外輸使用惰氣系統的年度總時間，h;

Qy——年度外輸總量；

V2——平均外輸流速(m3/h) 約為3 500；

Q——柴油模式年度消耗柴油量，m3;

V1——惰氣系統單位時間消耗柴油量，m3/h，約為0.6；

B——年度消耗柴油費用即直接經濟效益，元；

F——柴油價格(1元/m3)。

2)直接減排效益計算。

M1=74.1×43/1 000 = 3.186 3M2=M1×DWd=Q×M2

式中：M1——單位質量柴油完全燃燒排放的CO2質量，kg；

M2——單位體積柴油完全燃燒排放的CO2質量，kg；

D——柴油(10號)的相對密度0.84；

Wd——柴油模式年度CO2排放量，t；

Q——柴油模式年度消耗柴油量，m3。

3)據此，2010和2011年度的直接節能減排效益計算如下。

①2010年度。

QHD32-6外輸總量：1 581 641.1 m3，NB352外輸總量：267 051.22 m3，QHD331外輸總量：178 786.9 m3，總計2 027 479.2 m3。

節省費用：

B=V1×Qy/V2×F=243.3 萬元。

減少CO2排放：

Wd=V1×Qy/V2×M1×D=930 t。

②2011年度。

QHD32-6外輸總量為1 704 675.13 m3，NB352外輸總量為246 812.96 m3，QHD331外輸總量為146 607.18 m3，總計2 098 095.3 m3。

節省費用：

B=V1×Qy/V2×F=251.8 萬元。

減少CO2排放：

Wd=V1×Qy/V2×M1×D=963 t。

4)小結。項目實施后，有效減少了惰氣燃油系統易損備件損耗，包括燃油供給泵、燃油噴嘴、點火電極、火焰探頭、含氧分析儀濾器等，平均每年節省費用約10萬元。

同時因直接柴油消耗量的減少，船舶運輸柴油的總船次也隨之減少，間接節省了船舶柴油消耗費用。本項目計劃總投資81萬元，實際總投資30萬元。

5 結束語

QHD32-6油田惰氣系統鍋爐尾氣模式投用后，實踐證明能有效節省柴油、減少溫室氣體排放量、降低船舶的運輸負荷、降低維修操作費用，并保障了外輸作業的安全；同時尾氣模式的投用也是石油行業實踐節能減排理念的具體體現。

[1] 余曉琴,胡斌祥,徐 巍,等.油輪煙氣惰性氣體系統的主要流程設計[J].湖北工學院學報，2000，(2)：59-61.

[2] 趙鳳香，楊可耕.燃氣鍋爐燃燒及煙氣冷凝回收原理[J].區域供熱,2007(04):5-7.

[3] 劉勝元.鍋爐煙氣除塵脫硫工程工藝設計[J].TAIYUAN SCI-TECH應用技術,2006(11):6-8.