FPSO貨油艙流程優化改造及效果分析

楊 利

(中海石油(中國)有限公司曹妃甸作業公司，天津 300459)

FPSO(Floating Production Storage and Offloading)浮式生產儲存卸貨裝置，它集生產處理、儲存外輸及生活、動力供應于一體[1]，把來自油井的油氣水等混合液經過加工處理成為合格的原油或天然氣，成品原油儲存在貨油艙，到一定儲量時經過外輸系統輸送到穿梭油輪。FPSO的原油處理流程分為兩個系列，油井產出液通過海底管線輸送到FPSO經過換熱器進行熱量交換，再通過一級分離器、二級分離器及電脫水器進行油水分離，處理合格的原油經海水換熱器冷卻后進入到貨油艙儲存，流程簡圖如圖1所示。

圖1 FPSO原油處理流程總圖

經生產模塊處理后的合格原油從流程甲板通過主甲板注入總管分配到貨油艙，通過調整壓載水及與貨油泵相連的轉駁總管來完成轉駁功能，從而調整貨油艙的裝載，實現貨油的存儲功能。除了貨油艙外，一般FPSO還會設立污油水艙和工藝流程艙以及其他輔助艙室，污油水艙的作用將生產流程中產生的污油水通過沉降和加熱，起到再次分離的作用；工藝流程艙是為了接收生產水處理流程處理合格的生產水[2]。但由于十多年的生產，造成了貨油艙內污油的積累并且難以有效處理，部分貨油艙用作存儲污油如5P/S、6P/S(P和S分別代表左和右，與船體左右舷相對應)，此外生產流程中產生的污油水均存儲在污油水艙中，艙室大體分布如圖2所示。

圖2 FPSO貨油艙及污油水艙分布圖

通過圖2可知，改造前FPSO的貨油艙僅有1P/S，2P/S、3P/S和4P，每個貨油艙的艙容量為13125 m3，由于要滿足生產需求，FPSO的多個艙室功能發生改變，在現有流程下，導致原油下艙后，在各艙內倒轉，減少了沉降時間，增加外輸含水控制難度，同時貨油泵的頻繁啟停，既會增加貨油泵的損耗，也增加了主機原油消耗和廢氣的排放。由于近些年來環保形勢日益嚴峻，為響應國家政策號召，FPSO生產水要實現零排放，而就上述艙室工況而言，無法實現生產水的零排放，需要對現有流程和艙室功能進行優化改造。

1 存在問題分析

目前生產兩系列原油裝載流程圖如圖3所示。

圖3 改造前原油裝載流程簡圖

通過流程圖分析可知，目前原油的裝載方式主要有兩種，一種是生產兩個系列原油混摻后進入到裝載主管線然后再分配到各艙室，第二種是保持一個系列處理合格的原油進入4P貨油艙，另一個系列的原油進入到主裝載管線進入到各個艙室。倒艙主管線用于污油水的倒轉，不參與貨油倒轉。生產兩系列原油物性存在差異，如下兩系列原油物性參數表1[3]所示。

表1 兩系列原油物性參數表

為滿足特定生產需求，需要將兩系列原油分開進艙存儲，此時會導致原油頻繁倒艙，貨油泵長時間在線運轉，原油在貨油艙中分離效果較差等問題，同時也會增加主機原油消耗，造成廢氣的產生。并且就目前艙室功能的分布，沒有工藝流程艙，需要優化艙室功能，給出接收工藝流程中的生產水進艙緩沖空間，進而實現FPSO生產水的零排放。具體問題見如下分析：

(1)生產兩系列的原油需要分別裝載時，需要一個中間艙4P進行過渡，弱化了4P貨油艙的功能，且原油下艙后，在各艙內倒轉，減少了沉降時間，增加外輸含水控制難度。

鑒于油田原油的品質，外輸要求含水率控制在0.5%以下。統計2015年3月至2016年12月本油田共88船次，其中含水率結果在0.5%～1.0%之間的有7次；在0.3%～0.5%區間的有66次，小于等于0.3%的15次。如圖4所示。

圖4 2015.3-2016.12原油外輸含水統計圖

多年來的統計數據表明，2.5天產出原油12210 m3，裝滿一個貨油艙，油溫70度，沉降3天，或3天以上，可出明水20m3左右。這就使得艙內原油含水降低20/12210≈0.16%。工藝流程處理后的進艙原油含水離心結果在0.3%左右，再此基礎上再減掉0.16%，理論上艙內原油含水可達到0.14%左右。但是由于原油下艙后在各艙室內倒轉，縮短了原油在貨油艙內的沉降時間，導致外輸原油含水率偏高。

(2)4P貨油艙的貨油泵長時間運轉，增加了泵的損耗，同時增加了主機原油消耗，造成資源浪費，也增加了廢氣的排放。

FPSO的動力由五臺燃油發電機提供，而使用的燃料油就是油田自產的原油，由于兩系列原油油品有差異，如表1所示，主機燃料油要求閃點高于60℃，酸值越低越好，二系列的原油酸值高且閃點低不能達到主機燃油的要求，因此選擇一系列的原油作為主機燃油使用

生燃油艙是主機燃油的存儲艙，一系列的原油要進入生燃油艙，需要將二系列原油轉入4P貨油艙，將一系列原油轉到裝載主管線，再分配至生燃油艙。目前每天消耗一系列原油150 m3左右，供應主機燃料的生燃油艙艙容1758 m3。為保障燃料原油的品質，每次將生燃油艙加滿，需要1300 m3/次，大約需要29 h。往生燃油艙加油過程中，二系列直接進4左，大約4495 m3。將4左油轉出需要8.5 h。7天加注一次原油，4左的泵就要運轉8.5 h。每臺貨油泵運行至少需要一臺電動液壓泵(0.73 MW/臺)驅動，若再考慮需要同時調整船舶壓載啟動壓載泵，則要啟動兩臺電動液壓泵，其所需功率為0.73 MW/臺×2 = 1.46 MW，相當于目前一臺主機功率的25%，進而增加了主機原油的消耗，同時增加了廢氣的排放量。

(3)實現FPSO生產水的零排放，需要將4P貨油艙將改造成為接收生產水的工藝流程艙，就目前裝載流程下無法實現。

為滿足環保要求，FPSO需要實現生產水的零排放，通過研究發現目前單獨將4S污油水艙當作生產工藝艙室不能滿足條件，綜合考慮需要將4P貨油艙改造成工藝流程艙，與4S污油水艙共同作為生產水接收艙室，滿足現場生產水進艙需求，當4P/S艙室進行特檢作業或其他進艙內完成的作業時，不會影響油田正常生產。正常工況下，生產處理流程產生的生產水通過水處理系統處理后，一部分通過注水泵注入到平臺的回注井內，另一部分進入到4S污油水艙內，通過調節下艙水量，維持生產水系統的穩定，進入艙內的生產水再通過艙內泵打回到生產流程處理，流程簡圖如圖5。

圖5 FPSO生產水處理流程簡圖

2 流程優化改造

為滿足安全環保生產需求，并針對目前裝載流程存在的問題，對現有流程進行改造，優化原油進艙裝載方式，在保持原裝載方式的基礎上，增加管線，閥門等，實現更靈活的裝載方式，同時將4P貨油艙獨立出來作為工藝流程艙接收生產水。改造方式即把原來接在倒艙主管線上的彎頭短節拆掉，加裝盲板盲死，重新制作新短節，連接到裝載主管線上，裝載主管線上再新裝一個隔離閥和一個短節，再加一段新的裝載管線，改造流程圖如圖6所示。與此同時將4P貨油艙和4S污油水艙獨立出來，改造成為生產工藝流程艙，改造后的艙室功能分布圖如圖7所示。

圖6 改造后貨油艙裝載流程圖

圖7 現階段FPSO貨油艙及污油水艙分布圖

3 實施效果分析

通過對貨油艙室流程及功能的改造，在降低外輸原油含水率、優化艙室功能以及節能減排降耗方面都取得了良好的效果。

3.1 降低外輸原油含水率

通過統計流程改造前后的外輸原油含水率數據發現，2015年3月至2016年12月油田共88船次，其中含水結果在0.5%～1.0%之間的有7次；在0.3%～0.5%區間的有66次，小于等于0.3%的15次；改造后2017年4月-2019年1月油田共外輸88次，其中含水結果在0.5%～1.0%之間4次，0.3%～0.5%之間16次，0.3%以下為68次，數據對比如圖8所示。

圖8 改造前后外輸原油含水率統計對比圖

通過以上統計數據表明，流程改造完成后，外輸原油含水率較之改造前進一步降低。改造后原油在盡可能短的時間內裝滿艙，在外輸前有充足的時間進行沉降分離，再通過艙底泵將底部明水轉至污油水艙或生產流程，降低了外輸原油的含水率。

3.2 優化艙室功能，減少污油存量

改造后實現了以下裝載方式：一系列可以單獨直接裝載進貨油艙5P/S、或6P/S；二系列可以單獨直接裝載到貨油艙3P/S、2P/S、1P/S；或一、二系列的原油同時進裝載主管線，再分配進各艙室；一二系列的原油均可單獨直接進入到生燃油艙，無需任何限制。改造后使得原油裝載方式靈活多樣，同時在應對原油含水超標時也可以靈活選擇任意一個艙室。

完成此改造的同時，也完成了4P左貨油艙功能改造，轉為生產工藝流程艙。正常生產時，流程調節產生的生產水首先進入4S右艙，4P左艙作為4S的應急備用艙。生產水在4S艙沉降后，通過低位泵打回流程處理，液位接近艙底或者水質變差時停泵，將底部的生產水通過4P/S艙室底部的聯通閥導入到4P艙進一步的沉降，而4S艙繼續接收下艙生產水。

而且在4P艙改為工藝流程艙后，其使用率極低，為充分發揮其功能，將污油艙內存儲污油分批次轉入到4P艙中充分沉降，再利用4S艙內接收的生產水，通過底部聯通閥導入到4P艙底部，保持上部污油在55℃左右，使4P內存儲的污油有足夠的時間、適宜的溫度進行分離，靜置分離出的含水較低的原油，通過4P的撇油槽內的高位泵轉移到其他艙室。圖9是4P/S艙室內的結構圖，圖中顯示了4P左艙內有撇油裝置和高位泵，可以將分離出含水達到1%以下的污油回收轉運到其他艙室，從而減少了污油的存量。

圖9 4P/S艙室內部流程簡圖

根據數據統計，自艙室流程功能改造完成后，2018年4月-2019年1月FPSO通過利用4P艙的功能，艙內污油存儲量從31227 m3下降至27110 m3，減少污油量4117 m3，降幅達13.2%。如圖10所示。

圖10 2018年4月-2019年1月污油存量對比圖

通過上圖說明，再利用4P艙室的撇油功能后，艙內積累的污油含水率得到有效控制，存儲量明顯下降。

3.3 節能減排降耗

經過改造生產一系列原油可以直接轉入到生燃油艙供主機消耗，避免了周期性啟動4P貨油泵的情況出現，根據數據計算每次生產一系列往生燃油艙加油期間都會導致兩臺電動液壓泵上線8.5 h，消耗原油19桶，造成了資源浪費的同時，增加了廢氣的排放。按照每周往生燃油艙加一次油，一年共計加油52次。改造后每年可節約原油988桶，折合人民幣約41.7萬元，節約電量約645 MW時，減少電動液壓泵在線時間約884 h。4P貨油艙改為工藝流程艙后， FPSO實現生產水零排海，每年可減少排放232萬m3，對保護海洋環境有重要意義。

圖11 改造后每年節約各項指標柱狀圖

通過圖11可知，在完成艙室流程及功能的改造后，FPSO在節能減排降耗方面取得了顯著的效果。

4 結論

隨著油田的開發，需要不斷對FPSO貨油艙室的流程進行優化改造，以滿足生產需求。通過改造切實取得了良好的效果，達到了多重的目的，為類似FPSO的貨油艙室功能性改造提供了寶貴經驗。主要表現在以下幾個方面：

(1)通過流程改造，增加了原油在艙內靜置的時間，使下艙原油有足夠的時間依靠油水密度差靜置分離，降低了艙內原油的含水率，有效降低了外輸原油的含水率。

(2)改造完成后，優化了艙室的功能，使得原油的裝載方式更加靈活多樣，并且不再依賴4P貨油艙作為中間的過渡艙室。將4P貨油艙和4S污油水艙改造成為工藝流程艙，實現了艙室功能的轉化。

(3)實現了節能減排降耗的目的，改造完成后，減少了貨油泵的頻繁起停，減少了主機原油的消耗，進而減少了廢氣的排放，同時減少了貨油泵因經常啟停而造成的損耗。4P/S艙室改造成為工藝流程艙，在不影響原油裝載的情況下，實現了生產水的零排放，對保護海洋環境具有重要的意義。

(4)充分利用4P艙優化改造后的功能，對生產流程產生的污油起到了很好的沉降分離作用，有效的降低了污油的含水率，達到了污油水減量的目的。