海洋石油平台仪表气系统工艺设计

张苏飞，陈文峰，杨宇航，史勋汉，陈 宾

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

伴随着自动控制技术在海洋油气平台的应用，海洋平台的自动化程度也越来越高[1]。自动控制需要通过各种控制仪表来完成，为了给这些操作仪表提供稳定、可靠的动力源，海洋石油平台一般都设置有仪表气系统。

2 工艺系统介绍

海洋石油平台仪表气系统通常由入口空气过滤器、压缩机、后冷却器和干燥器组成[2]。具体流程如图1所示。

空气首先经过入口过滤器进入到压缩机，经过压缩机压缩后的气体通过后冷却器冷却，冷却后的空气经过油气过滤器分离油滴后，进入到空气缓冲罐。设置空气缓冲罐的目的是为了减少空压机气流的脉动效应[2]。压缩空气经过缓冲罐稳压以后，经过前过滤器、干燥器、后过滤器，最终进入到仪表风储罐，供各仪表气用户使用。

图1 仪表气系统流程图Fig.1 Flow chart of instrument air system

3 仪表气系统设计

海洋石油平台仪表气系统关键设备为空气压缩机和空气干燥器，这两个设备的选型对系统设计至关重要，选择合适的压缩机和干燥器，可以节约成本和占地，从而降低整个项目的投资。

(1)空压机选型原则

不同种类的空压机具有各自的特性和使用范围。目前使用较广泛的压缩机主要有如下三种类型：螺杆式空压机、活塞式空压机和离心式空压机[3]。

活塞式压缩机具有适应流量范围大，排出压力高的特点，但由于体积大，结构复杂，易损件多，维修工作量大，所以，活塞式压缩机主要应用在中、小容量的场合。

螺杆式压缩机具有体积小、结构简单、零件少、运行平稳等优点，并且可以通过对转子型线的不断改进而增加压缩机使用的灵活性，螺杆压缩机在中、小容量压缩机应用范围内的优越性日益明显。

由于离心式空压机具有转速高、容量大、结构简单、运转平稳、尺寸小、经久耐用、操作维护费用低等特点，一般应用于大型的空压站[3]。

考虑到海洋石油平台油气处理设施较少，所需仪表气量较小，同时需求的压力较低，因此，螺杆式压缩机在海上油气平台应该最广泛。

海洋石油平台远离陆地，如设备出现故障，维修及更换都需要较长的时间，对于仪表气空压机需要根据下列原则进行选择：

①当其中一台机组检修时，除去通过调配措施可减小供气能力外，其余机组应保证正常生产的需气量；

②对于通过栈桥连接的多个平台，如各个平台的压缩机管网相互连通，备用容量可以统一考虑；

③根据需求，可以设置移动式空气压缩站。

因此，海洋石油平台压缩机的配置主要有三种形式：一用一备模式、两用一备模式、LEAD/LAG 模式。同时考虑海上石油平台空间有限，空压机数量的设置不宜大于3台，空压机型号宜采用同一型号。对于海洋石油平台使用的空压机，工作压力一般小于1.6 MPa，在正常负荷下情况下，供气压力波动幅度不宜超过0.05 MPa。

(2)干燥器选型原则

空气经过压缩后会产生一定量的游离水，为了满足控制仪表的要求，需要对压缩空气进行干燥。目前使用的干燥方法有冷冻法和吸附法，由于吸附法较冷冻法可以产生更高的露点降，所以，海洋石油平台主要采用吸附式干燥装置。

吸附式干燥装置的原理是物理吸附，主要是利用固体吸附剂(活性氧化铝、硅胶、分子筛)颗粒表面的空隙吸附压缩空气中的水分子。吸附干燥具有产生高露点降的特征，采用吸附干燥方法可以使压缩空气露点降到-20 ℃以下。空气压缩系统的吸附干燥装置一般设置两套，其中一套干燥，另外一套再生。干燥器的再生主要有微热再生、无热再生和有热再生三种形式，它们主要是依据是否需要外加热源进行区分的。采用不同的再生方式，需要提供的再生气耗量不同。就微热再生而言，其干燥装置需增加10%～15%的再生耗气量；对于无热再生装置，则应增加20%左右的再生耗气量；而采用有热再生装置，一般再生耗气量只需10%以下[4]。

目前，海洋石油平台压缩空气吸附式干燥装置基本采用无热再生方法，再生是吸附的逆过程，二者使用的原理是一致的，根据吸附剂对水分子的吸附能力与空气中水蒸气分压成比例的原理进行操作。当压缩空气中水蒸气分压较低时，吸附剂对水的吸附难度增加，吸附容量变小，而当压缩空气中水蒸气分压较高时吸附剂对水的吸附难度减小，吸附容量大[5]。根据吸附剂这种特殊的性质，通过改变干燥装置的运行条件，使其在高压或低温下吸附，而在低压或高温下解析，最终实现干燥装置进行交替的吸附和再生。

4 仪表气系统设计能力的确定

以某平台实际数据为例，结合海上石油平台空压站设计原则，计算整个仪表气系统的处理能力。

(1)设计基础输入

某中心平台各个用户的仪表气用量如表1。

表1 某中心平台各个用户仪表气用量统计Tab.1 Statistics of instrument gas consumption for users of a central platform

(2)设计能力计算

根据海洋石油平台通用的计算原则，仪表气用量为所有连续用户之和再加上最大间歇用户的用气量即为整个平台的仪表气用量，具体计算如下：

Q=(Q1+∑Q0)×(1+φ1+φ2+φ3+φ4)

式中：Q——设计能力，m3/h；Q1——最大间歇用户，m3/h；Q0——连续用户，m3/h；φ1——管道漏损系数，0.1；φ2——用气设备磨损增耗系数，0.1；φ3——未预见的消耗系数，0.1；φ4——再生消耗系数，0.2。

根据表1的数据，则平台仪表气的设计能力应为：

Q=(220+65+45)×(1+0.1+0.1+0.1+0.2)=495 m3/h

5 结论

文章从现有海洋石油平台仪表气系统入手，结合多个海洋石油平台的设计经验，重点介绍了仪表气系统空压机和干燥器选型需要注意的问题，同时结合海洋石油平台生产实例给出了仪表气系统能力的计算方法，对后续设计人员更好地设计海洋石油平台仪表气系统具有一定的实际意义。