锅炉尾气模式在海上油田惰气系统中的应用研究

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(中海石油(中国)有限公司渤中作业公司，天津 300450)

1 系统说明

惰性气体是一种气体或者气体混合物，如燃料燃烧后的烟气，它含有不充足的氧气[1]。海上油田所说的惰气是指柴油或天燃气和空气燃烧后产生的混合气体，主要成分为氮气和二氧化碳，含氧量应低于5%。

采用锅炉尾气模式的惰气发生系统主要包括两个部分，即尾气源及冷却模块和惰气产生及控制模块。

相关模块所包括的设备主要有，热介质锅炉(B-901A/B/C，以下分别简称1#、2#、3#锅炉)、文丘里海水冷却器(WC-831)、风机(BL-831A/B)、具有尾气工作模式的惰气发生装置(X-831)、洗涤塔(I-831)、甲板水封装置(T-831)，以及相关的流程控制系统。

惰气发生装置的设计工作模式有4种，即Fresh(新风模式)、Generator(燃烧模式)、Flue(尾气模式)和Flex(燃烧与尾气混合模式)。

QHD32-6油田自投产以来一直采用的是柴油燃烧模式，此模式下惰气产生完全由惰气发生及控制模块完成，包括柴油系统、风系统、燃烧室和炉头、洗涤塔，柴油通过油泵增压进入燃烧炉和新鲜空气混合，点火发生燃烧，产生含氧合格的惰气，经洗涤冷却后充舱使用。

尾气模式的工作流程涵盖了两个模块，大致流程是B-901A/B/C产生的合格高温尾气，经WC-831脱硫冷却后，经BL-831A/B进入惰气装置燃烧炉，再由I-831二次洗涤冷却后通过T-831充舱使用[2]，流程设备选择、报警关断参数都由PLC程序自动控制。该模式由于设计和设备原因，自油田投产后一直未能调试成功。

2 方案可行性研究

2.1 面临的问题

1)三台热介质锅炉的排烟问题。其燃烧是否能够达到含氧量小于5%的要求，这需要大量的监控数据来证明，是本次项目改造的首要条件。(因惰气系统针对尾气含氧超过5%情况下的Flex模式，控制难度很大，无实用价值)。

2)热介质锅炉的燃烧调节。如监控数据证明燃烧效果不理想，含氧量偏高，则需要调节锅炉的燃烧状况。目前锅炉燃料为燃气，调节燃气与空气的配比，优化风与气的混合导向，调节火焰燃烧的位置等操作均有很大风险，技术要求很高。

3)锅炉尾气的高温与腐蚀性气体处理。锅炉尾气进入惰气发生系统前要求较高，如温度不可高于60 ℃，含硫量不能太高，否则对风机的腐蚀将很快。这意味着流量高于10 000 N·m3/h、温度高于220 ℃以上的锅炉尾气，在进入惰气发生系统前必须充分冷却、处理干净；

4)长期未动作过的流程阀门是否能继续使用。

2.2 排烟量计算与组分监测数据的积累分析

2.2.1 锅炉排烟量的计算

查阅各类资料了解可燃气燃烧的参数、特性等，对锅炉排烟进行分析。

各种天燃气中的甲烷含量一般不低于90%，而其它组分比如丙烷或丁烷燃烧耗用的O2量更高，可简化假设为90%的CH4和10%乙烷的混合物：

甲烷的燃烧方程：CH4+2O2=2H2O+CO2。

乙烷的燃烧方程：2CH3CH3+7O2=4CO2+6H2O。

甲烷/乙烷完全燃烧与氧气的量比是1∶2/2∶7，据阿夫加德罗定律，反应的体积比也为1∶2/2∶7，这样可大致得出1 Nm3甲烷/乙烷燃烧需消耗10 Nm3/18 Nm3空气的结论，经计算1 Nm3甲烷/乙烷燃烧所产生烟气量的工程经验值为11.4 Nm3/20 Nm3。

两者以9∶1比例混合后的1 Nm3天燃气燃烧后的烟气总量约为12.26 Nm3。

无硫天燃气燃烧后，烟气中水蒸气含量很高，1 t天燃气燃烧时产生的水蒸气约2.2 t，如果把烟气温度降低到35～40 ℃时，烟气中水蒸气60%～70%的量会凝结成水[3]。

据连续不间断监测，QHD32-6 FPSO 3台锅炉1 h的总供气量的记录为900 Nm3，而单台锅炉风机的额定排量为16 100 m3/h(实际排风量的大小根据风门的大小决定)，足以提供充足的空气量。

据此单台锅炉排烟量计算如下。

烟气总量：300×12.26=3 678 Nm3。

产生的水蒸汽：300×2.2=660 Nm3。

干烟气总量：3 678-660=3 018 Nm3(假设水蒸气在WC-831基本滤去)。

经WC831冷却后的尾气温度为50 ℃，据理想气体状态方程P1V1/T1=P2V2/T2折算成标方后约为3 570 Nm3/h。

这样，以目前锅炉负荷状况，单台锅炉的排烟量能满足小惰系统的需求(3 570 Nm3/h>2 000 Nm3/h)；两台锅炉的排烟量不能满足大惰系统的需求(7 140 Nm3/h<10 000 Nm3/h)；3台锅炉排烟量可以满足大惰系统需求(10 710 Nm3/h>10 000 Nm3/h)。

锅炉燃料为石油伴生气，其高组分的烃类含量偏高，实际排烟量应该高于计算值，扣除各种烟气流量损耗，基本可以得出两台锅炉排烟量可能满足大惰系统需求，三台锅炉尾气排烟量肯定可以满足大惰系统需求的结论。

2.2.2 针对锅炉排烟的监测与调节

如何有针对性地实现排烟含量的监测，是实现惰气尾气模式的基础，以火焰颜色判断燃烧是否充分的定性方法显然是不可行的，需要更为精确的定量手段，油田购置了可分析温度在200 ℃左右尾气气体成分分析仪。从实测的排烟监测数据上看(见图1)，1#锅炉与2#锅炉含氧偏高，达不到5%以下的标准；3#锅炉的CO的含量高，炉内易结炭影响换热效率；2#锅炉的排烟温度高，影响锅炉的带载能力。

图1 锅炉含氧及排烟温度监测记录

对于尾气含量不达标的问题，主要手段是调节进入锅炉燃烧室的新风与燃气的配比；对于排烟温度偏高的对策是调节火焰在炉膛内的燃烧位置，控制炉膛内的压力。由于燃料为可燃气，以上两种调节都有相当大的风险，调节配比如导致燃气含量偏高极易引发爆燃事件。经过长时间反复尝试，在惰气尾气模式测试前终于将3台锅炉的排烟含氧量都控制在5%以下。

2.3 锅炉尾气的高温与腐蚀性气体处理

QHD燃气含硫量较低，尾气系统的文丘里冷却海水装置WC831属于旋流板塔吸收器，采用海水湿法脱硫，具有可靠性高，不易结垢堵塞的优点，脱硫效率可达70%～90%[5]，可有效避免后续管线设备的腐蚀。

面临的问题是WC83110年间没有投用，是否可用，冷却及脱硫效果是否达标都是问题。油田组织人员对洗涤塔整体进行检查保养，调节入口海水阀门，既要防止水量过少冷却后温度不达标，也要防止海水过多导致高液位报警关断。

2.4 锅炉尾气模式相关阀门检查

QHD32-6油田锅炉尾气模式的气源及冷却模块主要有4个启动控制阀门，其中3个常年关闭，在高温的锅炉排烟侵蚀下，阀体锈蚀严重，经过解体更换备件之后，阀门工作正常，确保气源冷却模块的管线畅通，降低尾气阻力。

对于惰气发生器模块的阀门，由于燃烧模式和尾气模式的差异，惰气发生模块和控制模块的流程也存在一定差异，经过解体检查保养，确保了尾气模式的控制可靠。

经过以上前期准备工作，基本具备了惰气尾气模式的测试条件。

3 方案及实施

3.1 测试方案的确定

先进行小惰气系统的锅炉尾气模式功能测试，成功后再对大惰气系统的锅炉尾气功能进行测试。测试开始前，大家共同讨论并详细地制定了测试方案与测试记录表格，确保在测试过程中的安全性和数据完整性。

3.2 测试结果

1)结果1。2010-02-17 小惰气的锅炉尾气功能测试成功。

表1所列为3号锅炉单独投用的测试过程参数(其他两台锅炉具体数据略)。

表1 测试流程参数记录(测试工况：3号锅炉单独投用 测试时间：20 min)

注:文丘里：海水入口低压(PAL-0232)100 kPa；尾气出口温度(TAH-0137)65 ℃。惰气间：风机出口低压(PAL-X143) 4 kPA;洗涤塔出口高温(TAH-X337)65 ℃；惰气含氧高(AAH-X339)6%。

2)结果2。2010-02-18 大惰气尾气模式测试成功。

2台锅炉同时投用的测试过程参数见表2。

3.3 测试小结

1)可以在线投用锅炉和退出已经投用的锅炉，在线操作时必须先加入再退出，且必须保证至少有一台锅炉投用尾气模式。

2)WC-831冷却器海水管路正常，冷却功能正常，完全可以满足小惰气的锅炉尾气模式各种工况运行使用(包括任意1台锅炉单独运行，任意2台锅炉组合运行，3台锅炉同时运行)。

3)锅炉尾气成份合格，满足惰气系统含氧分析仪含氧量检测要求。

4)大、小惰气冷却系统正常，满足尾气模式运行工况下的要求。

5)惰气系统和锅炉系统阀门连锁控制功能正常，自动情况下逻辑控制安全可靠，启动尾气模式时逻辑程序设定尾气入口调节阀FCV-1138仅有30°开度，能起到对锅炉系统的保护作用，防止风机的启动冲击造成锅炉系统的关停。

6)惰气系统锅炉尾气模式下，锅炉的热油温度控制和尾气差压控制功能正常稳定，可满足使用要求。

7)在正常的运行情况下(2台或者3台锅炉运行)，惰气出口流量差压测量值就远高于惰气系统运行 基本设定值为28，表明锅炉尾气的实际排量完全满足惰气稳定运行的流量需求。

表2 测试流程参数记录(测试工况：1号和2号锅炉同时投用 测试时间：20 min)

注：文丘里：海水入口低压 PAL-0232 100 kPa；尾气出口温度 TAH-0137 65 ℃。惰气间：风机出口低压 PAL-X143 4 kPa;洗涤塔出口高温 TAH-X337 65 ℃；惰气含氧高 AAH-X339 6%。

8)在运行锅炉数量≥1的任意组合工况下，小惰气系统均能正常运行；使用大惰气系统时，须保证至少有2台锅炉投用尾气模式，1台锅炉的情况下，因锅炉的尾气量不足，造成烟囱外的新风被负压吸入，导致最终含氧量偏高，不满足充舱惰气系统含氧量小于5%的要求。

4 节能减排效益分析

2010年2月21日秦皇岛32-6油田第319船外输作业圆满结束，标志着惰气的锅炉尾气模式正式投用成功。从第一次投用至今，该系统已经稳定运行约两年(截止2011年底数据)。

1)直接节能效益计算。

T=Qy/V2Q=V1×TB=Q×F

式中：T——外输使用惰气系统的年度总时间，h;

Qy——年度外输总量；

V2——平均外输流速(m3/h) 约为3 500；

Q——柴油模式年度消耗柴油量，m3;

V1——惰气系统单位时间消耗柴油量，m3/h，约为0.6；

B——年度消耗柴油费用即直接经济效益，元；

F——柴油价格(1元/m3)。

2)直接减排效益计算。

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

式中：M1——单位质量柴油完全燃烧排放的CO2质量，kg；

M2——单位体积柴油完全燃烧排放的CO2质量，kg；

D——柴油(10号)的相对密度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)据此，2010和2011年度的直接节能减排效益计算如下。

①2010年度。

QHD32-6外输总量：1 581 641.1 m3，NB352外输总量：267 051.22 m3，QHD331外输总量：178 786.9 m3，总计2 027 479.2 m3。

节省费用：

B=V1×Qy/V2×F=243.3 万元。

减少CO2排放：

Wd=V1×Qy/V2×M1×D=930 t。

②2011年度。

QHD32-6外输总量为1 704 675.13 m3，NB352外输总量为246 812.96 m3，QHD331外输总量为146 607.18 m3，总计2 098 095.3 m3。

节省费用：

B=V1×Qy/V2×F=251.8 万元。

减少CO2排放：

Wd=V1×Qy/V2×M1×D=963 t。

4)小结。项目实施后，有效减少了惰气燃油系统易损备件损耗，包括燃油供给泵、燃油喷嘴、点火电极、火焰探头、含氧分析仪滤器等，平均每年节省费用约10万元。

同时因直接柴油消耗量的减少，船舶运输柴油的总船次也随之减少，间接节省了船舶柴油消耗费用。本项目计划总投资81万元，实际总投资30万元。

5 结束语

QHD32-6油田惰气系统锅炉尾气模式投用后，实践证明能有效节省柴油、减少温室气体排放量、降低船舶的运输负荷、降低维修操作费用，并保障了外输作业的安全；同时尾气模式的投用也是石油行业实践节能减排理念的具体体现。

[1] 余晓琴,胡斌祥,徐 巍,等.油轮烟气惰性气体系统的主要流程设计[J].湖北工学院学报，2000，(2)：59-61.

[2] 赵凤香，杨可耕.燃气锅炉燃烧及烟气冷凝回收原理[J].区域供热,2007(04):5-7.

[3] 刘胜元.锅炉烟气除尘脱硫工程工艺设计[J].TAIYUAN SCI-TECH应用技术,2006(11):6-8.