熱介質系統在FPSO上的應用及運行關鍵問題分析

張 榮

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300457)

熱介質系統在FPSO上的應用及運行關鍵問題分析

張 榮

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300457)

浮式生產儲卸裝置(FPSO)是集油氣生產、儲存、外輸及生活、動力于一體的海上油氣處理大型設施，目前是海上油氣田開發的主流方式。熱介質系統是一套密閉系統，熱介質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。熱介質系統以其安全、高效、節能等特點在FPSO上獲得廣泛應用。通過對熱介質系統組成、工作原理、控制系統、運行的關鍵問題和常見故障的分析及解決方案進行分析，為實際生產提供一定的支持。

浮式生產儲卸裝置(FPSO)；熱介質系統；導熱油；故障分析

0 引 言

浮式生產儲卸裝置(FPSO)是集油氣生產、儲存、外輸及生活、動力于一體的海上油氣處理大型設施，目前是海上油氣田開發的主流方式。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、生產處理系統的操作溫度[1]。

1932年第一臺熱介質鍋爐誕生，標志著現代熱介質系統應用的開端。在我國，熱介質系統也已經有30年的應用歷史了。熱介質系統具有高溫(320 ℃以上)低壓(0.3～0.5 MPa)的優點，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，該設備不需要水處理設備，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、節能的供熱系統[2]。

熱介質系統主要由熱介質鍋爐、熱介質循環泵、熱介質提升泵、熱介質補油泵、膨脹罐和CO2滅火設備組成。熱介質系統是一套密閉系統，熱介質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。

熱介質系統一般選用合成烴混合物作為熱介質，根據工況不同選擇熱介質也不同，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、不易燃而且可循環使用[3]。海洋石油111則利用內燃機余熱作為熱介質系統，熱介質系統設計時注重原有系統和新增系統的鏈接和隔離,還需注意熱介質系統的注油、調試方案和操作規程，采用閥門隔離的方式應用于工程實際[4]。

熱介質系統還為每臺熱介質鍋爐配有一套CO2滅火設備，主要包括CO2瓶組、相應瓶頭閥、電磁閥和壓力開關等。當鍋爐內部出現不正常燃燒，排煙溫度達到高高報警時，會引起CO2系統動作進行滅火。

近年來，對于熱介質系統的研究越來越多地受到海洋油氣工程領域專家的重視[5]。本文通過分析應用于FPSO上的熱介質系統組成、工作原理、控制系統、運行的關鍵問題和常見故障，為實際生產提供支持。

1 熱介質系統工作原理

1.1 熱介質系統

熱介質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，爐內高溫火焰通過傳導、對流和輻射方式將盤管內的熱油加熱。熱介質系統的熱油首先進入爐體上部的煙氣換熱段的盤管，在盤管內被從爐膛流出的高溫煙氣加熱后, 再進入爐膛內的盤管，進一步吸收爐膛內火焰的熱量，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，返回循環泵再進行增壓、加熱、換熱。如此反復循環，提供穩定的熱源。在系統內最高點設有膨脹罐，收集熱循環過程中的熱介質膨脹余量，亦可補充循環過程中的熱介質損耗，從而保證系統中有相對穩定的熱介質循環量。

1.2 控制系統

熱介質系統的控制由現場控制系統實行就地控制,并設有一個公共報警/關斷信號，將就地報警和關斷信號傳至中控系統，具體的報警及關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的。當燃料量變化時，燃燒空氣也進行相應的比例調節，使得燃燒符合介質溫度的變化，否則，供風量過少則燃燒不能充分，供風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的。差壓的取樣信號分別來自熱介質的進口和出口，通過調節熱介質旁路的回流量來實現流量的控制。單個爐的流量則由各個爐的流量控制閥控制。

2 熱介質系統在FPSO上的應用

FPSO產業作為中海油的重要產業之一，正在不斷發展壯大。中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司是中海油FPSO產業的運營和管理者，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系統，但是還存在一定的差別。

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

表1 部分FPSO熱介質系統情況

圖1和圖2分別給出使用執介質鍋爐和廢熱回收鍋爐的熱介質系統工作流程。由圖 1和圖 2可以看出，兩種類型的熱介質系統在工作原理上并沒有什么不同，廢熱回收熱介質系統只是比普通熱介質系統多了個廢熱回收裝置。以海洋石油116為例，普通的熱介質鍋爐在工作時，熱介質循環泵將介質油傳輸到熱介質鍋爐中，經過鍋爐的加熱，達到要求的溫度，便傳輸到各個終端用戶。在最高處的膨脹罐能夠不斷補充系統的損耗，并釋放系統中的氣泡，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，防止介質油的氧化變質。帶廢熱回收裝置的熱介質系統，以海洋石油113為例，在渦輪發動機尾氣排放口安裝一個廢熱回收裝置，充分吸收渦輪發動機高溫尾氣的熱量，使介質油溫度升高，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油的溫度。假如渦輪發動機的尾氣不能使熱介質油達到要求的溫度，安裝在廢熱回收裝置上的補燃段鍋爐就會自動起動，繼續加熱介質油，直至達到工藝要求。

加設廢熱回收裝置不僅能夠回收渦輪發動機高溫尾氣的巨大能量，還能為油田節省大量的燃料費用，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 普通熱介質系統流程示意圖Fig.1 Process diagram of normal heating medium system

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

3 熱介質系統運行關鍵問題

熱介質系統經過多年運行后，由于系統老化，發生故障的幾率不斷增加。假如現場操作和管理人員不提高警惕，不能及時發現或處理系統中的問題，可能會導致事故的發生，嚴重時甚至導致油田停產。在熱介質系統運行過程中應該注意以下問題。

3.1 鍋爐起停

絕對禁止采用系統斷電的方式來停爐。在鍋爐剛停止燃燒的情況下，應該逐步降低熱介質的溫度，每30 min降溫不要超過100 ℃。熱介質的出口溫度降至(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。系統運行時，如果循環泵故障停泵，應該馬上起動備用泵，保持介質油的流動，防止因受熱不均而導致介質油變質。

初次起爐時，應該充分冷循環，排凈系統內的氣泡，并清除管道內的雜質。

3.2 介質油質量的監測與控制

介質油在高溫狀態下長期運行，將發生裂解反應，介質油的氫含量逐漸下降，碳氫比、分子量和重度逐漸增大，導致介質油黏度和含碳量增加，流動性變差，可能會導致介質油局部溫度過高，受熱不均，嚴重時甚至會發生火災或者爆炸事故。所以要定期檢測介質油的質量，一旦發現油質劣化需立即更換。

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

3.3 膨脹罐液位監測

在正常運轉期間，膨脹罐液位變化較小。如果膨脹罐液位變化較大，則很可能是系統泄漏造成的，應該盡快查明原因，及時處理。嚴格防止因介質油泄漏引發火災。

3.4 爐體質量檢查

鍋爐長時間運行，會出現內部保溫層脫落。如未及時發現，導致受熱不均，爐體溫度就會增加，爐體變形明顯。若發現內部保溫層出現問題，應及時檢查，如需進行修補，應該符合工業鍋爐安裝及施工驗收標準。

3.5 熱介質系統的預防性維護

為了避免熱介質系統在運行過程中發生各種各樣的故障而影響正常生產，必須防患于未然，充分做好系統的預防性維護工作。

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，檢查介質油進、出口壓力及溫度；檢查風機聲音及振動；檢查火焰形狀；檢查介質油循環泵、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，同時對介質爐本體及輔助設備表面清潔。

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

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

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

6 000 h檢查工作包括：風機解體檢查，必要時對葉輪做動平衡檢查、更換軸承；燃燒器解體檢修；介質油循環泵解體檢修；爐膛內部介質油盤管清潔，檢查膨脹接頭是否處于自由狀態；檢查爐膛內部是否存在火焰沖擊現象；檢修油、氣配比機構各風門；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、壓力開關進行校驗并更換介質油循環泵機械密封，此外還需測量介質油膨脹罐壁厚。

4 結 語

本文對熱介質系統及其工作原理進行了簡要介紹，討論了熱介質鍋爐在FPSO上的應用，并較為詳細地描述和分析總結了熱介質系統運行中的若干關鍵問題和熱介質系統產生故障的預防性維護措施。希望本文的研究能夠為實際生產中的工作人員提供一定的技術支持和參考。

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

[2] 梁光山. 熱介質鍋爐燃燒分析與配風比控制[C]. 第八屆全國設備與維修工程學術會議論文集, 2008: 459.

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

[4] 龔玉林, 王棟. 利用內燃機余熱為熱介質系統加熱研究[J]. 資源節約與環保, 2016(1): 12.

[5] 李楊, 劉瑜珩, 趙軍凱. 渤海曹妃甸油田熱介質系統故障分析[J]. 內蒙古石油化工, 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，主要從事浮式生產儲卸裝置(FPSO)設備管理與應用方面的研究。

TE54

A

2095-7297(2016)05-0292-05