晃动条件对海上浮式装置上LPG回收塔设计的影响

潘大新，刘培林，陈文峰

海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

本文针对南海某新建FPSO，开展因风浪产生的晃动对LPG系统设计的影响研究。国内外对塔器晃动的研究主要集中于力学方面，而塔器的传质性能主要受到倾斜幅度的影响，与晃动周期的关系不大，因此可将动态晃动简化为静态倾斜来研究，即研究倾斜工况对LPG回收系统的影响[1]。

1 海上L PG回收塔

该FPSO的LPG回收核心工艺流程如图1所示。根据国标规定[2]，合格的LPG产品（丙烷和丁烷）应满足以下要求：第一，蒸气压≤1 380 kPa（37.8°C）；第二，C3+C4烃类组分（体积分数）≥95%；第三，C5及C5以上烃类组分（体积分数）≤3.0%。由于该FPSO经常受到海上台风的影响，而平时风浪也很大，因此LPG回收塔（脱乙烷塔和脱丁烷塔）必须具备一定的抗风浪能力。同时，为了满足产品要求和提高收率，LPG回收塔生产设计也需要充分考虑海上晃动的影响[3]。设计中在工艺模拟和塔器设计等方面，对海上晃动条件的影响进行了评估，以研究解决方案。

图1 典型脱乙烷塔和脱丁烷塔工艺流程

2 晃动对工艺模拟的影响

工艺模拟是塔器设计的基础，通常使用HYSYS或者PRO II软件进行建模[4]。与陆地设计不同的是，海上应考虑实际晃动的影响，包括液体负荷分布不均、分布器对液相的再分配等因素，得到的建模结果才能符合实际情况。以脱乙烷塔为例，图2是陆地典型的工艺模型，图3是考虑海上晃动条件的工艺模型。

图2 脱乙烷塔 （静止塔）工艺模型

图3 脱乙烷塔 （摇摆塔）工艺模型

从工艺建模过程来看，晃动工况下的模型更为复杂，考虑的因素更多。首先需根据实际填料分段（2段）将整塔分为上下两段，然后每段再根据晃动影响分为液体负荷不同的左右两部分，最后使用分布器的汇合再分配。工艺模拟结果因此与静止塔存在差别，以该FPSO上的LPG回收系统为例，其结果对比见表1。

从表1结果中可以看出，相对于陆地静止塔，海上摇摆塔的LPG产品收率降低，副产品增多，分离效率降低，而加热和冷却负荷增加。如果不在设计阶段充分考虑晃动的影响，将会对后期的设备选型和实际生产带来较大的影响。

表1 LPG回收系统工艺模拟结果对比

3 晃动对塔器设计的影响

考虑到受海上空间的限制，要求使用较小的塔径；考虑到要求有抗风浪适应能力；考虑到实际操作范围、压降、起泡、腐蚀和造价等综合因素[5]，海上油气田无一例外地都采用填料塔而不是板式塔装置。上述做法对于LPG回收系统也同样适用。由于受到浮式装置船体的晃动，不可避免会造成液体分布的不良，因此，填料的效率较陆地同类体系低，传质效率要取同类体系的下限或更低，其折扣值取决于塔径、液体喷淋密度、船体晃动和转动幅度[6]。同时在填料类型的选择上，应优先考虑高效填料，比如散堆填料IMTP、Intalox-A或规整填料Mellapak 250Y、Flexipac HC 2Y等。根据分析研究，晃动对塔器的设计还存在以下多方面的影响。

3.1 晃动对塔径的影响

晃动对塔径的影响见图4和图5。从图中可以看出，晃动幅度越大，塔径越小，液体不良分布越明显。因此对于浮式装置上的LPG回收塔，其塔径要较陆地同体系提高。根据水力计算结果，在满足泛点率的基础上，可以考虑将塔径增加1～2个尺寸级别。

图4 倾斜角度对不良分布的影响

图5 塔径尺寸对不良分布的影响

3.2 晃动对填料床层高度的影响

晃动对填料高度H的影响见图6和图7。对于静止塔，随着填料高度的增加，液体分布没有太大变化；而对于倾斜塔，随着填料高度的增加，其液体不良分布越来越明显，在恶劣海况下填料塔内液体会产生流向塔壁的趋势，因此可以通过减小填料床层高度，增加填料段数目，同时在每段之间设液体再分配器，以降低液体的不良分布。

图6 垂直塔液体分布状态

3.3 液相负荷的影响

液相负荷的影响见图8。从图中可以看出，液相负荷越小，液体不良分布越明显。因此海上浮式装置的LPG回收塔应保证足够大的喷淋密度。

3.4 晃动对塔高设计的影响

在晃动条件下，塔的高度越高，其顶部摇摆幅度越大，对气液传质效率的影响也越大，同时增加了塔器本身强度和结构支撑的要求，因此要严格控制塔的总高度。塔的总高度主要由填料高度、液体分布器、集油槽和塔釜高度共同决定，而填料高度是决定因素。一般填料高度由以下公式计算：

式中：Z为填料高度，m；nT为理论塔板数；HETP为等板高度，m。

理论塔板数与塔的分离要求有关，可通过计算或者敏感性模拟分析得到。受到塔高的限制，在保证分离要求的前提下，应尽量采用最小理论塔板数。HETP与填料类型和填料厂家相关，取值应慎重[7]。根据陆地的一些经验规则[8]，HETP取值一般在400～900 mm之间。而考虑到海上摇摆的工况，厂家推荐的HETP值可以达到900～1 200 mm，是陆地的1.5～2倍。

图7 倾斜 （2°）塔液体分布状态

图8 液相负荷对不良分布的影响

集油槽和塔釜的高度与陆地类似，但要考虑最大晃动角度造成的液位波动高度，在液位设计高度的基础上增加此波动高度，近似可表示为：

式中：Δh为液位波动高度，m；D为塔径，m；θ为最大晃动角度，（°）。

3.5 晃动对内件选型的影响

LPG回收塔的填料塔内件包括液体分布器、集液升气板、填料支撑板、限位器、除沫器。其中填料支撑板、限位器和陆地装置是一样的，受海上晃动影响较大的是液体分布器和集液升气板[9]。根据海上浮式装置的晃动特点，液体分布器应选择压力式，如图9所示，这两种分布器采用封闭渠结构，可以保持高液位，以降低船体运动造成的液体分布不均匀。

图9 压力式液体分布器的结构示意

陆地常用的重力式液体分布器（见图10） 对水平度极端敏感，不适合在海上浮式装置的传质设备[10]上使用。根据晃动幅度和方向规律，集液升气板结构设计要特殊考虑，如考虑采用多折边式向心板等，向心板倾斜角度与塔径、船体晃动和转动幅度相关。另外集液高度应考虑最大晃动角度的影响。塔顶除沫器可考虑采用高效型，如图11所示。海上浮式装置LPG填料塔的其他塔内件（包括填料支撑板和限位器）与陆地装置是一样的，可不做特殊考虑。

图10 重力式液体分布器

图11 高效塔顶除沫器

4 结束语

海上浮式装置的晃动，无论是横摇还是纵摇，都会对LPG回收塔产生诸多影响，设计中应从工艺和机械等角度充分评估晃动带来的影响，并以工艺模型为基础、塔器设计为核心等进行设计优化和调整，以保证LPG回收塔的抗风浪能力和在晃动条件下的平稳安全生产。