海洋平臺儀表氣系統(tǒng)設(shè)計與研究

李慶濤

(中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028)

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海洋平臺儀表氣系統(tǒng)設(shè)計與研究

李慶濤

(中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028)

對典型海洋平臺空壓機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計進(jìn)行了分析，詳細(xì)介紹了儀表氣處理流程和空壓機(jī)系統(tǒng)組成。結(jié)合渤海灣某海洋平臺設(shè)計項目，對海洋平臺儀表氣總耗氣量計算方法進(jìn)行了詳述和總結(jié)。平臺實際運(yùn)行結(jié)果表明： 儀表氣系統(tǒng)設(shè)計合理，選型正確。

氣動儀表儀表氣空壓機(jī)耗氣量

Abstracts： The design of air compressor system used on typical offshore platforms is studied. The process of instrument air treatment and composition of air compressor system are introduced in detail. Combined with design of one offshore platform in Bohai Bay， the calculation method of total instrument air consumption on offshore platform is described and summarized in detail. The practical operation results indicates the design of instrument air system is reasonable and type selection is right.

氣動儀表由于具有結(jié)構(gòu)簡單，輸出推力大，動作平穩(wěn)可靠，并且安全防爆等優(yōu)點(diǎn)，在電力、化工、煉油及海洋平臺等對安全要求較高的生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用。

1　典型海洋平臺空壓機(jī)系統(tǒng)組成及工藝流程

空壓機(jī)系統(tǒng)是海洋平臺上最重要的輔助生產(chǎn)設(shè)施之一，為平臺提供生產(chǎn)用氣和儀表供氣，如固井、吹掃、氣動隔膜泵、汽笛、防火風(fēng)閘、井口控制盤、各種氣動閥門以及發(fā)電機(jī)的起動等，都離不開空壓機(jī)產(chǎn)生的高品質(zhì)壓縮空氣。

由于儀表氣與平臺安全息息相關(guān)，為了保證不間斷供氣，通常會采用“一用一備”的設(shè)計思路來配備空壓機(jī)和空冷器等。空壓機(jī)的取風(fēng)口應(yīng)當(dāng)設(shè)置在空氣溫度盡可能低的地方，并盡可能地避開有害氣體及粉塵多的場所，通常在取風(fēng)口安裝有毒氣體探測器和可燃?xì)馓綔y器以防止空壓機(jī)吸入有毒氣體和可燃?xì)怏w。空壓機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及主要工藝流程如圖1所示，取風(fēng)口安裝了入口過濾器，以濾掉灰塵和其他固體顆粒。空壓機(jī)的吸入口應(yīng)加裝過濾器，以過濾掉灰塵和其他固體顆粒，保證進(jìn)入空壓機(jī)的氣體足夠清潔。

空氣經(jīng)空壓機(jī)壓縮后應(yīng)當(dāng)使用空冷器進(jìn)行冷卻，冷卻后再次用過濾器進(jìn)行過濾，以除去空氣中的水和油的蒸氣，減輕后面干燥器的工作負(fù)荷。此時，過濾后的空氣便稱為公用氣，公用氣存儲在公用氣儲罐。通常情況下，公用氣的出口氣壓取1000kPa(G)。公用氣與普通空氣相比已經(jīng)比較清潔，可以直接應(yīng)用在對氣源質(zhì)量要求相對不高的場合。海洋平臺的公用氣用戶主要有固井作業(yè)、平臺吹掃、氣動隔膜泵和氣動機(jī)具等。

公用氣順序經(jīng)過儀表氣前置過濾器的過濾、干燥器的干燥和儀表氣后置過濾器的過濾后，才是符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的合格儀表氣，直接為氣動儀表供氣。儀表氣的出口氣壓通常取750kPa(G)。海洋平臺的儀表氣的用戶主要有控制閥、關(guān)斷閥、井口控制盤和防火風(fēng)閘等設(shè)備。

空壓機(jī)系統(tǒng)通常為成橇設(shè)備。一個成橇的空壓機(jī)系統(tǒng)包括空壓機(jī)入口過濾器、空壓機(jī)、空冷器、空壓機(jī)出口過濾器、公用氣儲罐、儀表氣前過濾器、儀表氣干燥器、儀表氣后過濾器和儀表氣儲罐等主要設(shè)備及配電柜、控制柜和顯示屏[1]。

空壓機(jī)系統(tǒng)通常采用1套PLC控制系統(tǒng)來實現(xiàn)自動控制，實現(xiàn)空壓機(jī)系統(tǒng)的無人值守、自動啟停控制、顯示橇內(nèi)設(shè)備的各種綜合故障報警、空壓機(jī)主備機(jī)定期輪換；同時也可上傳所有設(shè)備的狀態(tài)信號到平臺的中心控制系統(tǒng)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程啟停控制、緊急關(guān)斷等控制功能。空壓機(jī)系統(tǒng)的現(xiàn)場儀表主要包括壓力變送器、露點(diǎn)變送器和差壓變送器。

圖1　空壓機(jī)系統(tǒng)(橇)的結(jié)構(gòu)組成及主要工藝流程示意

2　空壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計容量的計算

空壓機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計容量取決于儀表總耗氣量的大小。通常儀表的耗氣量為操作狀態(tài)下(140kPa(G)，20℃)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，計算耗氣量時應(yīng)按下式換算為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)(101.33kPa(G)，20℃)[2-3]：

qVs=KqV0

(1)

式中：qVs——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)耗氣量，m3/h；qV0——操作狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)耗氣量，m3/h；K——修正系數(shù)，取值為1.54。

空壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計容量按下式計算：

qVd=(K1+K2)∑qVs

(2)

式中：qVd——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下空壓機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計容量， m3/h；∑qVs——各類氣動儀表標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)耗氣量總和,m3/h；K1——供氣管網(wǎng)系統(tǒng)的泄漏系數(shù)，通常取0.1～0.3；K2——考慮瞬時耗氣量的修正系數(shù)，通常取2。

海洋平臺氣動儀表總耗氣量的計算，根據(jù)實際經(jīng)驗，通常參照如下方式[2-3]：

1) 控制閥耗氣量按每臺1m3/h(標(biāo))計算(超大口徑的控制閥，可按每臺2m3/h(標(biāo))計算)。

2) 關(guān)斷閥耗氣量按每臺0.5m3/h(標(biāo))計算(超大口徑的關(guān)斷閥，可按每臺1m3/h(標(biāo))計算)。

3) 井口控制盤按每面1m3/h(標(biāo))計算(井口數(shù)較多時，可按每面2m3/h(標(biāo))計算)。

4) 防火風(fēng)閘的耗氣量較小，通常整個平臺風(fēng)閘的耗氣量按1m3/h(標(biāo))計算。

渤海灣某海洋平臺的現(xiàn)場氣動儀表耗氣量的計算見表1，表2所列。從表1可以看出，該海洋平臺有氣動控制閥35個，氣動關(guān)斷閥44個，井口控制盤3面，防火風(fēng)閘40個。按照上述單體耗氣量經(jīng)驗法配額來計算匯總耗氣量，由于該平臺不涉及較大尺寸控制閥和關(guān)斷閥，其單體耗氣量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)分別按1m3/h和0.5m3/h來計算。表2的匯總計算方式分為連續(xù)耗氣量匯總和啟動瞬時耗氣量匯總。在空壓機(jī)系統(tǒng)容量設(shè)計時，最大耗氣量取啟動瞬時耗氣量總和，為61 m3/h。

將現(xiàn)場氣動儀表最大耗氣量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)61m3/h代入式(2)，管網(wǎng)泄漏系數(shù)取0.1，便可計算出該海洋平臺空壓機(jī)系統(tǒng)設(shè)計容量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)為128m3/h。在空壓機(jī)系統(tǒng)選型時通常還要再留20%的余量，所以最后空壓機(jī)系統(tǒng)的容量(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))取154m3/h。

表1　某海洋平臺現(xiàn)場氣動儀表耗氣量計算(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))

表2　某海洋平臺現(xiàn)場氣動儀表耗氣量匯總(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))　m3/h

3　結(jié)束語

空壓機(jī)設(shè)計容量、儀表氣罐體積和公用氣罐體積是海洋平臺空壓機(jī)選型的關(guān)鍵指標(biāo)。這3個關(guān)鍵指標(biāo)均由氣動儀表的總耗氣量確定，所以氣動儀表的總耗氣量計算是海洋平臺空壓機(jī)系統(tǒng)選型中最重要的一個環(huán)節(jié)。計算出了儀表總耗氣量便可根據(jù)公式計算出整個空壓機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計容量、儀表氣罐體積和公用氣罐體積，從而可以選擇出合適的空壓機(jī)尺寸和型號。該平臺自投產(chǎn)以來，空壓機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，結(jié)果表明文中空壓機(jī)選型計算方法正確合理。

[1]王忠煥，童飚.空壓機(jī)橇在海洋石油平臺上的應(yīng)用[J].通用機(jī)械，2012(12)： 58-60.

[2]楊晨，王同堯，嚴(yán)春明，等．SH/T 3020—2013石油化工儀表供氣設(shè)計規(guī)范[S]．北京： 中國石化出版社，2014： 1-18．

[3]杜彧，張晉紅，賀潤鴻．HG/T 20510—2014 儀表供氣設(shè)計規(guī)范[S]．北京： 中國計劃出版社，2014： 1-26．

[4]王廣慶，王晶.海洋石油平臺的儀表供氣系統(tǒng)[J].中國造船，2009， 50 (11)： 784-788.

Design and Study of Instrument Air System on Offshore Platform

Li Qingtao

(CNPC Offshore Engineering Company Limited， Beijing，100028， China)

pneumatic instrument；instrument air；air compressor；air consumption

李慶濤(1983—)，男，山東菏澤人，2008年畢業(yè)于中國科學(xué)院自動化研究所控制理論與控制工程專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)就職于中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，從事海洋平臺自動化儀表設(shè)計工作，任工程師。

工程設(shè)計及標(biāo)準(zhǔn)

TE953

B

1007-7324(2016)04-0005-02

稿件收到日期： 2016-03-10。