提高FPSO货油舱洗舱惰化效率的新方法.doc

一种提高FPSO货油舱洗舱效率的新方法
武国营等
（中海石油（中国）有限公司湛江分公司文昌油田作业区）
武国营等. 一种提高FPSO货油舱洗舱效率的新方法.
摘要：FPSO（ Floating Production Storage and Offloading）货油舱洗舱是一项高风险作业，尤其在边生产边洗舱，涉及能源隔离、有限空间作业，吊运作业，除了存在人员受伤、油气泄漏、爆炸和财产损失等风险，如果洗舱时间过长将影响正常生产的持续进行。如何快速安全地洗舱，本文从传统原油洗舱的优缺点切入，对影响FPSO洗舱效率的各种因素进行了分析，第一次提出扰动生产水洗舱方法，并在现场进行了试验，使洗2个舱时间由原来的平均7天缩短到4天，洗舱效果比传统洗舱效率高，效果好。本文提出的方法极大提高了FPSO货油舱洗舱的效率。该方法推广在其它FPSO上应用，也取得了良好的效果，得到第三方检验人员的一致好评。
关键词：FPSO；洗舱 ；驱气；除气；惰化；惰性气体；爆炸下限；爆炸上限；货油舱；生产水；油气田；安全评估
An new method to improve FPSO tank washing efficiency
Wu Guoying
(Wenchang Oil-field Operations District Of CNOOC China Limited-Zhanjiang)

Abstract: FPSO (Floating Production Storage and Offloading) tank washing is a high risk operation, especially on-line Washing. That involves Energy isolation, confined spaces, and lifting . Personal injury, gas leaking, explosions, property damage,and other risks may occur. If the tank washing time is too long ,which will affect the normal production of continuous. In this paper, the impact of various factors of FPSO tank washing efficiency were analyzed based on the advantages and disadvantages of the traditional crude oil tank washing, It is the first time that a safe and effective washing method was proposed and tested in the field. The washing time of washing 2 tanks shortened to 3 to 4 days from originally 7days. Washing effect was better than that of traditional washing. No obviously oil existed on the inner wall of tank. The method proposed greatly improved the FPSO tank washing efficiency. The method in another FPSO applicated had achieved good results. Inspection personnel gave a high evaluation.
Keywords: FPSO; tank washing; drive gas;ventilation; inerting; inert gas; low explosion level;upper explosion level; cargo tanks; production of water; oil and gas fields; safety assessment.

0引言
随着海洋勘探开发向深海发展，越来越多的FPSO（浮式生产储油装置）被建造和投入使用，根据检验计划安排或维修需要，DNV或CCS规范要求，需要对货油舱进行洗舱作业，以便进入舱内进行维修或验船师进入舱内进行舱内结构、防腐涂层等方面的检验。洗舱作业是一种高风险的作业，原油洗舱本身存在：油舱发生燃烧爆炸和溢油气的风险，人员中毒(硫化氢、一氧化碳、石油烃类蒸汽)，危及FPSO人员和设施的安全。因此洗舱质量标准一般要求：进舱时，舱壁目测无明显油污残留；舱底无大量污油水残留；舱内可燃气体含量低于爆炸下限（LEL）的2%，氧气含量在19.5～21%无放射性物质和其它有害气体存在；符合船级社标准[1]。
洗舱作业可以在停产大修时进行，也可以边生产边洗舱，多数情况是在边生产边进行洗舱作业。FPSO货油舱洗舱作业一般安排在刚货油完后，FPSO在满足最低装载量时开始洗舱，洗舱结束之前能满足原油处理量不受影响。所以如何提高洗舱的效率，对于处理油气量比较大的油轮来说，是影响持续生产的关键。本文针对影响货油舱洗舱效率各因素进行了分析，找出突破口，优化洗舱方案，并在现场实施，经过海洋石油116近4年10个货油舱洗舱验证，取得了明显的效果。
1原油洗舱
1.1常规的FPSO原油洗舱程序
常规洗舱包括以下步骤：
1） 洗舱前准备工作：包括人员、组织结构、设备测试、工具、程序、技术交底、维修物料、配件、安全应急演练、维修演练、仪器仪表准备、防护救护设施到位、记录表格及人员准备、现场流程确认。
2） 原油洗舱操作程序：原油洗舱→热水洗舱→海水冷却→扫舱；
3） 驱气及除气程序：用惰气把可燃气体和有害气体驱出洗过的货油舱，使可燃气体含量满足条件（小于爆炸下限的2%），隔离与要洗舱的油气通道，拆除大舱人孔盖，通风口架设水力风机（或防爆风机）进行除气作业，用空气把大舱内的惰性气体除去，满足人员下舱检验或维修的目的。
4） 人员下舱作业程序：当检测确认舱内氧气浓度在19.5%～21％，可燃气浓度在爆炸下限2％以下，硫化氢浓度低于10ppm一氧化碳浓度小于25ppm。水力风机（或防爆风机）保持连续运转，指定人员携带测氧仪和测爆仪下舱，（注：指定人员第一次下舱时，必须佩戴自主式呼吸器，并系好安全绳）检测舱内气体状态，确认氧气浓度在20％以上，可燃气浓度在爆炸下限2％以下，硫化氢浓度低于10ppm，一氧化碳浓度小于25ppm。满足以上条件即可满足人员下舱作业。
5） 封舱惰化：当检查确认舱内没有人员及遗留物品，移出水力风机（或防爆风机），关闭舱口盖及人孔盖，并确认密封良好，导通惰气流程进行惰化，当油舱内上、中、下部氧气含量全部低于5%（v/v）时惰化作业结束，检查流程拆除流程上所加的隔离（盲板或锁具），做完气密性便可进油。
12常规原油洗舱碰到的问题
1)原油洗舱后舱壁经常附着大量的原油，热海水很难把原油从货油舱壁上冲洗下来，热海水与油垢相容性差，用水量大，洗舱和扫舱时间长。
2）驱气达到合格时所需的时间长， 留给下舱检验和维修的时间比较短，增加了边生产边洗舱的压产停产风险。
3）大舱惰气进口水平布局的FPSO，驱气和除气作业过程中，货油舱内部流动的气体层流明显，依靠分子间的扩散，驱气时间需要很长时间才能达标。
以FPSO116货油舱为例，舱容表如下表1-1：

表1-1 FPSO116舱容表
2S（长28.7米×高24米×宽20.8米）货油舱为例，用8000方/小时产生的惰气（O2：2-4 vol.%；CO：<500ppm；CO2：<14.0 vol.%；Sox：<50ppm；N2：其余）[2]，表1-2是FPSO116 2S原油洗完舱惰化过程，2小时不到，5米以上很快就可以把可燃气体浓度降低到爆炸下限的2%以下，但是从12米以下很难靠惰气本身进行置换，惰化一个舱经过31.5小时还没有满足可燃气体小于2%的标准。
舱号
检测时间
检测位置
可燃气浓度
备注
（VOL％)
一号表
二号表
2S
20091205 10:00:00
上5米
19.0
19.1
正常惰化
中12米
19.5
19.5
下20米
23.5
23.5
2S
20091205 11:48:00
上5米
2
2
中12米
19.5
19.5
下20米
23.5
23.5
2S
20091205 15:43:00
上5米
1.8
1.8
中12米
10
10
下20米
10
10
2S
20091206 0:00:00
上5米
1.5
1.5
中12米
9.5
9.5
下20米
9.5
9.5
2S
20091206 17:34:00
上5米
3
3
中12米
5
5
下20米
7
7
表1-2 FPSO 116 2S货油舱洗舱惰化记录
2理论分析，数值模拟
2.1原油洗舱安全保证条件
可燃气体在空气中的危险性可以从图2-1看出，只要保证可燃气体在空气中的浓度低于爆炸下限或高于爆炸上限，就不会由于静电或明火产生爆炸。如何保证在洗舱过程中时刻处于此两种情况是货油舱洗舱安全的关键。ISGOTT[3]给出了消除洗舱时发生爆炸的两个条件：
(1) 通过控制洗舱机的数量、洗舱机的大小、洗舱水的类型、洗舱水的温度和成分等方法控制产生电荷的速率，从而将空间电势限制在安全范围以内。
(2) 控制舱内的气体，使其在整个洗舱过程中处于不可燃状态。这可以通过将烃蒸汽的浓度控制在可燃烧范围之外或者降低支持燃烧的氧的浓度的来达到目的。

图2-1 可燃气体在空气中的几种状态
根据FPSO货油舱驱气和除气阶段含氧量控制图[4]（图2-2 ），运用作业条件风险分析法，进行作业风险分析，结果如表2-1。

图2-2 FPSO货油舱驱气、除气阶段含氧量控制图

表2-1 货油舱原油洗舱风险分析

原油洗舱
海水洗舱
驱气
除气
人员进舱作业
封舱惰化作业
Ⅰ

低风险

Ⅱ
中等风险

Ⅲ

高风险

高风险
Ⅳ

极高风险

极高风险

根据以上分析，洗舱可以在下列条件下进行：
（1）使用惰性气体唯一的要求是使舱内气体中氧的含量不超过8％。舱内必须保持正压，并随时监控惰性气体中氧的含量。
（2）使烃蒸汽的浓度在下限之下：通过降低烃蒸汽的浓度在燃烧的下限之下，使得舱内气体不可燃，预防措施就是达到并维持这样一个状态，以及避免火源。
（3）使烃蒸汽的浓度在上限之上：要求是将烃蒸汽的体积浓度控制在15％以上。
（4）难以控制的方面：不知道是否存在可燃气体。预防措施是设法降低产生静电的程度（洗舱机喷出的油或水产生的静电很难消除），将着火的风险降低到最低。
2.2注入方式流态分析
驱气模式可以按照无限空间的气体的淹没紊流射流理论进行计算推测。如图2-3圆断面紊流射流的结构简图，其特点：a．当气体以较大的速度喷入处于静止状态的气体时，出于射流的卷吸作用，将周围一部分气体卷吸进来一起向前运动，使得射流的横断面沿射流方向不断扩大。b．射流的卷吸作用是从射流边界向着射流中心逐步发展的。射流中心还没有来得及与周围的气体相互发生作用，因而流速保持喷口流速，这部分中心区域称为射流核心。在核心外流速已经降低的部分称为射流边界层。c．当射流继续向前运动，边界层逐渐扩大，射流核心就逐渐缩小，流速分布都不相同。

图2-3 圆断面紊沉射流的结构简图
从喷出口到一定距离S时的气体流速可以通过以下公式计算：
（2-1）
（2-2）
——惰气进入大舱初速度，m/s；
——进入大舱的惰气排量，m3/hr；
——惰气进大舱进口管线直径，m；
——紊流系数，查表得到；
S ——距离惰气注入口圆心的垂直距离，m；
——距离惰气注入口圆心的垂直距离为S处淹没流
例如8000方/小时的惰气，从0.3米圆管线喷出，利用公式2-1得到=31米/秒；距离喷出口24米的核心点速度利用公式2-2计算得到=1.16米/秒。考虑到大舱内部空间有限，气体分子受舱壁影响能量额外消耗比较大，实际速度比此数小。
（1）驱气模式分析
采用惰气把货油舱内的可燃气体驱除到大舱外，通过惰气管线注入合格惰气（含氧小于5%V/V），直到可燃气体含量满足除气（除气）要求。根据惰气管的布局，有以下两种方式。
方式一，垂直布置。如图2-4所示，惰气是垂直货油舱进入，惰气靠冲击和弥散驱气，气体分子动能在舱壁上损失小，动能大部分用到驱替烃类蒸汽分子，驱气效率高。

图2-4垂直布置

方式二，水平布置。如图2-5所示，惰气进口是与舱底水平方向进入，惰气分子动能大部分消耗在了舱壁上，惰气扩散大部分靠弥散驱气，货油舱11米以下很难被驱替到。

图2-5水平布置
譬如8000方/小时的惰气量，如果惰气进口是方式一垂直布置，对一个13000方原油的货油舱，原油洗舱后，驱气一个舱一般需要8小时才就能满足。如果惰气进口是方式二水平布置，24小时都不能驱替达标。
（2）除气分析
由于除气是采用风机用风袋放到接近货油舱底部把惰气除去的过程，所以取决于水力风机的风量和风袋的深度（距离底部1.5米最理想），两端排气口交替排气，也可以把中部的量油口、测气口打开排气，加速货油舱内部气体的扰动。如图：2-6除气示意图。

图2-6 除气示意图
3）惰化分析
惰化情况与驱气情况类似。分水平布置（图2-7）和垂直布置（图2-8）。垂直布置从扰动原理上明显优于水平布置的惰化效率。

图2-7

图2-8
2.3对货油舱内的气体组份进行分析
从微观分析，作用在流体上的力主要有质量力和表面力，质量力与分子质量成正比，主要有两种：重力（G = mg）和惯性力；表面力是指作用在所考虑的流体表面上与表面积大小成正比的力，主要有：外部正压力以及切向粘滞力、边界反力等。
1）驱气时舱内组份分析
驱气使用惰气（主要是CO2和N2），而舱内可燃气主要是轻烃的蒸汽，典型的为丙烷、丁烷等常温下为气体的烃类。丙烷与CO2分子量相近，N2比丙烷、丁烷轻，所以不存在重力驱，就是靠流速和布朗扩散运动驱替。如果惰气采用水平布置，没有向下的冲击速度，分层现象严重，如图2-9。

图2-9 水平布置组份驱替示意
垂直布置的惰气，进入罐内的深度深，卷入流速面的面积也大，容易携带比重大的分子和比重相近的可燃气体，如图2-10.

图2-10 垂直布置组份驱替示意

2）除气分析
除气是采用空气，主要O2和N2，从舱底部进入，容易把CO2携带出去，如图2-11。

图 2-11 除气组份示意
3）惰化分析
惰化时，主要是重的分子（CO2、N2）驱替相对轻气体O2。惰气进口无论是水平布置或垂直布置，含氧量都很容易满足要求，如图2-12和图2-13。

图 2-12 水平布置惰化组份示意

图 2-13 垂直布置惰化组份示意
2.4数模建立

通过分析影响各个环节达标时间的参数，利用模糊数学理论，在现有条件下找出突破口，提高洗舱效率。
1）驱气时间
T驱=φ（Q0，V舱，S，L，C1，C2，T，P，W，t，R） （2-3）
Q0 ——惰气量；
V舱——舱容；
S ——残余原油量；
L ——舱内油水管线严密性；
C1 ——烃蒸汽组份；
C2 ——货舱结构布局；
T ——气体分子间的摩擦力；
P ——大舱排放背压；
W ——惰气进舱方式；
t ——舱内温度；
R——舱内气体扰动程度。
2）除气时间
T除=φ（Q1，n，Q0，N，H，S） （2-4）
Q1——水力风机排量；
n——水力风机数量；
Q0——舱容；
N——除气方式；
H——水力风机风袋探入深度；
S——残余污油量。
3）进舱维修时间
T维=φ（M1，M2，M3，M4，TL，E） （2-5）
M1——物料准备；
M2——人员熟练程度；
M3——维修工作量；
M4——人员数量；
TL——工具准备；
E——洗舱效果。
4）惰化时间
T惰=φ（Q0，V舱，C2，W，P，C3） （2-6）
Q0——惰气量；
V舱——舱容；
C2 ——货舱结构布局；
W——惰气进舱方式；
P——排气背压；
C3——惰气中N2含量。
5）洗舱时间：
T洗= T驱+ T除+ T维+ T惰 （2-7）
2.5货油舱洗舱优化
从公式（2-3）分析，缩短驱气时间可控因素：1）完全采用溶油性好伴生原油的生产水作为洗舱液，冷却液采用海水，控制生产水温度在58～60℃，过高温度能增加烃蒸汽，过低溶油性差；
2）增加气体扰动来增加分子内部摩擦力，由牛顿内摩擦力定律：
（2-8）
增加分子间运动速度的变化，驱气过程中开动洗舱机（0℃～90℃～0℃）用生产水搅动整个底层气体，把惰气和烃蒸汽扰动起来。
从公式（2-4）分析，除气时间可控因素：1）使用排量大的风机；2）使用三台以上风机，两端人孔同时排气，量油孔和测气口打开；3）控制水力风机风袋距离舱底1.5米左右。
从公式（2-5）分析，维修时间优化：1）提前列出维修项目，物料工具准备充分，人员演练熟练维修程序，制定方案，应急演练；2）对维修的管线内原油进行替水作业，避免原油泄漏增加风险，即是阀门微量泄漏也只是水，大大减少烃类的存在数量。
从公式（2-6）分析，惰化时间优化：1）适当控制舱内的压力在20mbar左右；2）甲板面多孔放气驱除分子质量相对轻的O2。
3现场应用
2010年1月份到2012年12月份，共进行了5次12次舱室的洗舱作业，FPSO116采用以上方式进行优化洗舱作业，直接用生产水洗舱，驱气过程采用开洗舱机加强舱内气体的扰动，除气采用三台风机进行，货油管线和扫舱管线用生产水把原油顶替到其它不参加洗舱的货油舱。从表3-1和表3-2可以看出正常驱气和采用扰动驱气所用的时间明显有所缩短。2009年12月份的洗舱，2S由正常驱气程序，31小时还没有达到合格，而2010年1月份驱气不到3小时即满足除气要求。
舱号
检测时间
检测位置
可燃气浓度
备注
（VOL％)
一号表
二号表
2S
20091205 10:00:00
上5米
19.0
19.0
正常驱气
中12米
19.5
19.5
下20米
23.5
23.5
2S
20091205 11:48:00
上5米
2
2
中12米
19.5
19.5
下20米
23.5
23.5
2S
20091205 15:43:00
上5米
1.8
1.8
中12米
10
10
下20米
10
10
2S
20091206 0:00:00
上5米
1.5
1.5
中12米
9.5
9.5
下20米
9.5
9.5
2S
20091206 17:34:00
上5米
3
3
中12米
5
5
下20米
7
7
2S
091206 18:39:00
上5米
4.5
4.5
扰动加驱气
中12米
4.5
4.5
下20米
4.5
4.5
2S
091206 20:00:00
上5米
2.5
2.5
中12米
2.5
2.5
下20米
2.5
2.5
2S
091206 21:05:00
上5米
2
1.8
中12米
1.7
1.4
下20米
1.5
1.5
表3-1 2S正常惰化和扰动加驱气对比表

舱号
检测时间
检测位置
可燃气浓度
备注
（VOL％)
一号表
二号表
2S
20100110 14:30:00
上5米
20
20
扰动加驱气
中12米
20
20
下20米
20
20
2S
20100110 16:05:00
上5米
3
3
中12米
16
16
下20米
16
16
2S
20100110 17:20:00
上5米
1.5
1.3
中12米
1.5
1.3
下20米
1.5
1.2
表3-2 2S货油舱扰动加驱气记录表
与传统原油洗舱对比，洗2个舱平均由7天时间缩短到4天，节省了3天时间，极大提高了洗舱效率。该方法被引用到南海奋进FPSO和FPSO115货油舱的洗舱作业，也取得了良好的效果，得到了BV的一致好评，减少了检验时的外观检查难度，避免了舱底过多油泥造成的施工风险，同时也减少了油田额外增加的含油污水的产生量。该方法也逐渐被洗舱专家引用到了渤海、南海东部海域FPSO，也取得了很好的经济效益。

4结论
通过以上分析，与传统洗舱比，本文提出的方法主要在以下方面有所创新：
1）创造性地提出了直接用FPSO处理后的生产水洗舱（温度在58-60℃）；从理论上找到了使用生产水进行洗舱作业的优越性，静电可以通过流速控制，与舱壁原油的相溶性，不产生额外的含油污水。避免了传统原油洗舱所遗留在舱壁上的大量油污。
2）在驱气过程中增加扰动，增加驱气效率。从微观分子动力学找到了扰动法洗舱的先进性和科学性。
3）除气采用多台水力风机，加快除气和冷却速度。降低要洗舱相临的舱室温度，避免使用腐蚀很强的海水冷却；避免了因海水进入货油舱无法扫干净所带来的腐蚀加速的风险。
4）惰化时采用分阶段惰化策略。惰化采用同时惰化两个舱2小时后，各个集中惰化策略，建立适当的背压以提高惰化效率。
采用本文所提出的方法，大大提高了FPSO货油舱的洗舱效率，同时减少了洗舱过程中的污水产生量，避免了海水进入舱室后很难扫干净造成的腐蚀风险。该文对FPSO建造时惰气管线的布局也具有指导意义。
经济上分析，减少3天的施工时间，每次洗舱需要近30名外委人协助，一次洗舱从人工费可以节约5万元人民币费用，一年洗两次舱就可以节约10万元人民币；从使用原油和海水角度分析，每次洗舱（2个舱室）多产生2000吨含油污水，处理费用约2000元人名币；中海油目前有18艘FPSO，单从劳务费用和污水处理费用上计算，一年可以节约183.6万元人民币。
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