原油发电机组的设计参数对海洋平台环境的影响

于邦廷，王文祥，杨风允，刘维滨，秦小刚，柯尔钦乎，赵河山中海油研究总院，北京100028



原油发电机组的设计参数对海洋平台环境的影响

于邦廷，王文祥，杨风允，刘维滨，秦小刚，柯尔钦乎，赵河山
中海油研究总院，北京100028

摘要：海上平台原油发电机组的烟气排放对平台环境质量造成严重的影响，原油发电机组的设计参数是控制海上平台烟气有害物质数量及其分布的决定要素。结合工程实例，探讨了原油发电机组的烟管布置方案、燃油处理流程、燃油品质以及机组运行负荷率等对平台环境质量的影响。研究结果表明，机组排烟管的布置要充分考虑区域风向，在分析主次风向对烟气扩散潜在影响的基础上，通过适当增加排烟高度或者增加烟管伸出舷外的距离可改善烟气扩散对平台环境的影响；根据油田原油的物性特点，确定适宜的燃油处理流程，减少燃油含水率，保证燃油进机的质量要求，这不仅能够提高原油发动机运行的可靠性，而且对机组烟气的排放也有显著的改善作用；根据平台实际的电负荷需求，通过采用调整机组运行的组数等办法来使原油发电机组在较高的负荷率下运行，这对于降低烟气中的固体颗粒物含量是有利的。

关键词：平台环境质量；原油发电机组；烟气排放；设计参数

针对目前海上平台尾气排放存在的问题，本文分析了原油发电机组设计参数对平台环境的影响，并提出了相应的解决措施，以期为类似的工程开发案例提供借鉴。

1　平台原油发电机组烟气处理

目前国内在海上平台或FPSO（浮式生产储卸油装置）上安装、使用原油发电机组已较多［1］，总装机容量已经超过400 MW。机组基本采用本油田自产的原油作为燃料，燃料油品质差异较大，有高黏度、高密度的重质油，也有低闪点的轻质油。近年来随着原油发电机组应用数量的增加，机组排放的烟气对平台生活设施以及现场工作环境产生了日益严重的影响，因此平台机组烟气排放问题已日益受到人们的关注［2- 5］，诸如水喷淋和静电除尘等方法已被用于改善机组烟气排放所产生的影响。

（1）水喷淋。除尘一般适用于原油发电机组烟管朝下排放烟气的情况，通过在排烟管出口位置附近布置喷嘴，借助于喷嘴喷淋形成的海水水幕的重力作用，对原油发电机组运行时产生的烟气进行沉降，从而达到去除烟气中部分固体颗粒物的目的。水喷淋除尘法容易受到风向和风速的影响，当风速较小时海水垂直落下，烟气随着下降后会有部分飘散至底层甲板，从而影响底层甲板的环境。

（2）静电除尘。常用于陆上燃煤电站的尾气除尘，对于减少烟气中大粒径固体粉尘具有一定的作用，其原理是采用高压静电吸附技术对尾气中的固体污染物进行净化处理。将该技术应用于海上平台原油发电机组的尾气除尘，可通过在尾气排烟管上设置高压电极板，当含尘尾气通过电极板间的高压电场时，固体颗粒会附着在电场极板上，且随着颗粒物的逐渐积聚，最终会因重力作用而落入下方的集尘斗中。通过定期清洗集尘斗和电极板，静电除尘装置可连续运行。目前南海某平台首次使用静电除尘技术，正在进行调试，初期的调试结果显示具有一定的作用，其技术关键点在于根据机组不同的负荷率和烟气流量来确定适应的电场，若能成功应用，这对于减少海上平台原油发电机组尾气排放中固体颗粒的含量具有重要意义。

2　机组设计参数对平台环境的影响

根据现场使用经验，由于采用原油作为燃料，原油发动机组烟气排放的可见度比较高，烟气中的NOx、固体颗粒物等对现场的工作环境造成了一定的影响。烟气排放对平台环境的影响除了受到平台所处环境的风向、风力的影响外，还受到机组本身烟管的布置、燃油处理流程、燃油品质、机组运行负荷率等的影响。为了能够解决烟气对平台环境的污染问题，需要全面了解控制平台烟气有害物质数量及其分布的要素。

2.1烟管布置的影响

平台环境中的烟气产生于发电机组，但烟气的分布则受烟管的布置和风力、风向的影响较大。图1给出了W油田的风向玫瑰图，不同海域的风向和风速差异较大，图1显示主风向为NNE，次主风向为ENE。原油发电机组尾气烟管的布置应在主风向的下风向，且排烟口应尽量布置在距离生活楼、甲板设施较远的区域。由于生活楼以及房间的进风口一般设置在主风向处，因此排烟管出口位置也应该避开房间的进风口，且需要提前判断烟气扩散的主要路径，避免烟气被房间的通风风机吸入。但当某一海域次主风向较多时，受次风向的影响使得机组烟管布置变得困难，此时应尽量将烟管朝上排放，以降低次风向的影响。油田区域主风向对于固定平台或者FPSO上原油发电机组烟管的布置起着主要的决定作用。

当原油发电机组布置在固定平台顶层甲板或者FPSO主甲板时，由于机组装机容量大，运行过程中烟气排放量大，因此需要合理考虑烟管的布置。平台顶层甲板除了布置有原油发电机房外，通常还会有生活楼、修井机或者模块钻机，因此原油发电机组排烟管的布置容易受到周边设施的限制。

原油发电机组的烟管在穿过房间后可以垂直向上排放，也可以在房间顶部水平向一侧排放。这两种烟管布置形式均有应用案例，也各有优劣。如采用垂直排放的烟管，可将烟管的排气口尽量超出生活楼和直升机甲板的高度，这样可减少NOx等烟气进入生活楼的概率。但这种布置往往会使平台吊机的作业范围受到限制，且垂直上升烟气的存在影响直升机的起降。对于采用垂直排放的烟管，可通过尽量增加烟管的高度来消除对直升机的潜在影响。

图1　W油田的风向玫瑰图

若采用烟管水平侧排，这种布置可减少对吊机作业的限制，同时也简化了烟管的结构支撑。但采用烟管水平侧排的方式也存在着烟管出口高度较低的问题，在某些特定风向的情况下，存在着机组烟气吹向生活楼的可能，此时可通过增加烟管伸出舷外的长度来降低对周围设施的影响。

图2所示为南海L油田新建FPSO原油主机烟管布置的尾气扩散分析图，从图中可以看到，由于FPSO可在海上随着不同风向360°旋转，因此通常情况下会出现主风向的风从船首吹向船尾的情况。此时原油发电机模块若布置在靠近船尾的生活楼附近，烟管布置采用烟气直接向上排放的方式，即采用图2（a）中类似FPSO的这种布置方式，就会出现黑色烟尘散落在直升机甲板上的情况，造成防滑绳索被污染，严重时将影响直升机的起降。针对出现的这个问题，在L油田的开发过程中，烟气排放布置采取了烟管从船舷右侧伸出舷外一定距离的方式，在此基础上，通过建立船体模型和计算，确定了机组尾气排放的参数，分析了在主风向下不同风速对尾气扩散的影响。从图2（b）中可以看出，通过采取这一措施后，主风向的尾气基本沿着右舷一侧扩散，对生活楼和直升机甲板的影响可以忽略。

图2　FPSO原油机组的烟气扩散

2.2燃油处理流程的影响

原油发电机组的主用燃料为油田自产原油，且原油机组对燃用原油的要求较高，为了满足原油进机的各项指标要求，需要先对燃油进行预处理。

采用常见的燃用原油处理流程，由于各油田油品性质差异较大，经过工艺分离器和电脱水器处理后的原油的含水率不一定能够达到指标要求（含水质量分数≤0.5％），这就使得后续燃油处理流程对控制原油的进机指标十分关键。

图3为Q油田某FPSO上原先采用的原油处理流程，从电脱水器上引出的一路原油直接进入了FPSO顶层甲板上的沉降罐，然后分别经过分油机、原油日用罐、增压橇、供给橇将燃油供给原油发电机组。由于FPSO上三级分离器的处理液量较大，投产前几年从电脱水器分离出的原油含水率较高，导致了供给原油发电机组的原油含水率较高，因而在机组运行的前几年，其运行状况较差，这增加了大量的维修保养工作和费用。后来经过仔细分析研究，对燃油处理流程进行了调整，如图4所示。

图3　油田FPSO上原先采用的原油处理流程

图4　对图3流程加以局部改造的流程

在FPSO舱室部分单独隔离出一个大舱用于存储从电脱水器中分离出的原油，并对原有的3台分油机的工作流程进行调整，让其中的一台分油机从原油日用罐中取油，通过建立一个自循环实现对原油日用罐中的原油进行连续油水分离，达到了降低含水率的目的。经过这样的流程改造后，增加了原油的沉降时间，提升了油水分离效果，进机燃油的含水率明显降低，机组运行状况也得到了明显改善，机组排放的粉尘量也明显降低。

2.3燃油品质的影响

表1对比了上述Q油田FPSO和J平台的燃油组分，两处原油的取样口均为原油日用罐。由表1可知，两处原油的密度、黏度、闪点、灰分、金属含量等主要指标基本一致；但两者含水率差异较大，J平台上的原油含水率为0.19％，明显大于FPSO上的原油含水率0.07％，虽然两者都满足厂家要求的进机含水率，但两处原油发电机组尾气排放质量差异较大。从现场两处原油发电机组排烟质量判断，J平台上原油主机尾气的可见黑烟明显比较浓，这在一定程度上说明了燃油含水率对机组排烟的影响。建议通过合理控制燃油中的含水率来降低机组烟气排放的粉尘量或改善机组的燃油燃烧效果。

表1　FPSO和J平台燃油组分对比

2.4机组运行负荷率的影响

原油发电机组运行负荷率对尾气排放的可见度和NOx的排放都有着明显的影响。一般机组维持80％～85％的负荷率对降低机组油耗和尾气中的烟尘含量都是有利的。图5为J平台原油发电机组在不同负荷率下尾气中固体颗粒物的测量值，由此可见随着机组负荷率的升高，机组尾气中PM2.5和PM10颗粒物的质量浓度逐渐下降。因此对于原油发电机组可以通过适当提高机组负荷率来降低尾气中固体颗粒的含量。

3　结论

针对目前海上平台原油发电机组尾气排放存在的问题，研究了海上原油发电机组设计参数对平台环境的影响，并提出了相应措施，其主要结论如下：

（1）机组排烟管的布置要充分考虑区域风向，在分析主、次风向对烟气扩散潜在影响的基础上，通过适当增加排烟高度或者增加烟管伸出舷外的距离可改善烟气扩散对平台环境的影响。

（2）根据油田油品的物性特点，确定适宜的燃油处理流程，保证燃料油进机的质量要求，这不仅能够提高原油发电机运行的可靠性，而且对机组烟气的排放也有显著的改善作用。

（3）根据平台实际的电负荷需求，通过采用调整机组运行的组数等办法来使原油发电机组在较高的负荷率下运行，这对于降低烟气中的固体颗粒物的含量是有利的。

图5　机组在不同负荷率下尾气的含尘质量浓度

参考文献

［1］王文祥.双燃料往复式原油发动机用于海洋石油平台的适应性［J］.中国海上油气（工程），2000，12（6）：47- 50.

［2］衣华磊，周晓红，刘飞，等.海上平台原油发电机组布置位置影响研究［J］.石油工程建设，2012，38（2）：16- 18.

［3］贺相军，王涛，王磊. LF13- 2油田开发项目原油主机排烟系统设计［J］.中国海洋平台，2013，28（3）：6- 9.

［4］李东芳，许中，陈颖，等.发动机排烟对海洋平台及周围环境影响的数值模拟［J］.中国造船，2010，51（191）：40- 45.

［5］周伟，朱海山，张明，等.海上平台原油发电机排烟管布置对直升机起降的影响研究［J］.中国造船，2013，54（S2）：502- 506.

Effects of Design Parameters of Crude Oil Engine Generator Set on Offshore Platform Environment

YU Bangting，WANG Wenxiang，YANG Fengyun，LIU Weibin，QIN Xiaogang，KEERQIN Hu，ZHAO Heshan
CNOOC Research Institute，Beijing 100028，China

Abstract：For the issue of flue gas emission of crude oil engine generator set on offshore platform，various factors influencing flue gas emission are analyzed. The effects of the exhaust pipe layout scheme，fuel oil processing flow，fuel oil quality and generator set operating load rate on platform environment are studied. It is proposed that the unfavorable flue gas emissions can be improved by fully considering local main wind direction and increasing the height or the horizontal distance of exhaust pipe for reducing flue gas diffusion，selecting reasonable fuel oil treatment process for reducing water content in fuel oil，and adjusting the operating sets of engine generator according to practical electrical power load for ensuring higher operating load rate and reducing the dust content in the flue gas.

Keywords：environmentalquality of platform；crude oilgenerator set；flue gas emission；design parameter

doi：10.3969/j.issn.1001- 2206.2016.03.008

基金项目：

工信部和财政部项目“海洋平台及FPSO用大容量发电模块研制”（工信部联装［2013］411号）。

作者简介：

于邦廷（1987-），男，安徽阜阳人，工程师，2012年毕业于中国石油大学（北京），硕士，现主要从事海洋平台机械设备选型和设计工作。Email：yubt3@cnooc.com.cn

收稿日期：2015- 12- 17