基于船型FPSO小型LPG回收外输装置布置设计

王立陈，王国富，杜国强，张紫臻，邵艳红

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

轻烃回收是指回收原油伴生气或者天然气中丙烷（乙烷）及以上重组分，并将这些组分分离成液化石油气、稳定轻烃、净化天然气及其他有机化工原料等。轻烃回收的主要产品是干气、液化气和轻油。其中，干气具有很高的热值；液化气可以供民用，也可以作为生产乙烯的原料；轻油可用于生产汽油和化工原料等。

在浮式装置上设置轻烃回收系统可以降低油气损耗，提高轻烃资源综合利用程度，获得液态轻烃资源的更大价值，还能保证油气在储藏、运输过程中的安全性，减少大气污染，对提高油气田的整体经济效益，具有重要的现实意义。我国国内天然气资源丰富，轻烃回收已成为各大油气田的重要工作，并成为各大油田新的经济增长点[1]。本文依托某项目，阐述以LPG（液化石油气）为代表的轻烃回收设计，着重介绍船型FPSO上LPG系统设施布置设计。

1 LPG物理化学性质

LPG，即液化石油气，是丙烷和丁烷的混合物，通常伴有少量的丙烯和丁烯，无色气体或黄棕色油状液体。GB 18218《危险化学品重大危险源辨识》中将LPG列为重大危险易燃物质[2]，具有如下特性。

（1）LPG的体积膨胀系数比水的大十几倍，而且温度越高，系数越大。

（2）LPG的体积压缩系数（压力每升高1MPa时，液体体积的缩减量即为体积压缩系数）大约只有其体积膨胀系数的一半。这说明LPG容器在满液状态下，随着温度升高，容器内压力会急剧升高。

（3）高挥发性。储存在容器内的LPG如果以液态泄漏出来，由于压力降低，会迅速气化，体积膨胀为约250倍的气态石油气，遇火会发生燃烧和爆炸。

（4） 当液态LPG喷溅到水面或水流喷射到LPG液面，会导致LPG高速气化及强烈湍流。

（5）LPG气化潜热比较大，因此生产过程中严禁液态的石油气直接接触人体，以免皮肤冻伤。

（6）LPG的气态密度是空气的1.5～2倍，易在大气中自然扩散，并向低洼区流动，聚积在不通风的低洼地点。

2 LPG回收流程

由于FPSO空间的限制，在陆地上较为成熟但较为复杂的LPG回收工艺流程并不适用于海上浮式装置，因此，海上浮式装置的LPG回收应该在保障一定收益的前提下，流程尽量简单，有利于操作。图1为某投产FPSO的LPG双塔回收流程，图2为LPG外输流程。

图1 双塔回收流程

图2 LPG外输流程

3 L PG回收装置布置设计

LPG回收设施总体布置的主要研究内容为：根据LPG回收装置的设施数量与使用要求、海域的环境条件和FPSO总体布置，将回收设施安全、合理、经济地布置在有限的平台甲板上，并使重心分布能满足下部船体总体性能要求。

3.1 LPG设备布置原则

（1）设备布置应能满足生产作业的需要。

（2）应结合设施建造方案、总装方式的要求，合理制定设备布置方案。

（3）总体布置应满足安全、防火、消防、人员逃救生等需求。

（4）设备设施应分区布置，按照生产设施危险性递减原则展开，合理进行危险区域划分，并以防火间隔或者防火墙进行分隔。

（5）设备设施布置应能便于操作管理，提供充足、合理的操作维修区域和逃生通道。

（6）平台的设备布置应考虑其重量可在组块甲板上均匀分布，其重心分布能满足浮体总体性能要求。

（7）设备布置应有利于减弱船体摇动对设备运行的冲击。

（8）有效的自然通风。

（9）考虑LPG常温常压下物理特性，对潜在点火源和烃类储罐实行有效分离。

（10）满足工艺流程技术要求。

3.2 LPG设备布置方案

3.2.1 LPG设备总体布置设计

LPG的火灾危险性属于甲A类[3]，原油和天然气的火灾危险性属于甲B类[3]，LPG回收装置增加了原油设施的危险性。在一艘空间相对狭小的FPSO上布置LPG回收装置，应尽量减小发生灾害事故的可能性及事故的影响。本文以南海某FPSO上部模块为例进行说明。通常FPSO上部功能模块的布置（见图3）按照生产设施危险性递减原则展开，从艏到艉，依次布置原油/天然气设备、生产水处理设备、热站/电站、电气房间、生活楼，按照LPG的火灾危险性等级，LPG储罐和回收模块应布置在更靠近艏的位置。

图3 FPSO上部功能模块布置

FPSO上部模块采用模块化的建造总装方式，结合其工艺流程要求，LPG回收设备也采用单元模块的布置设计，并将单元模块布置在上部模块右舷侧，便于设备或者管道泄漏产生的LPG气体在风力作用下迅速被吹离平台。

3.2.2 储罐区隔离设计

LPG储罐作为燃料源，应采取适当分隔措施减少次生灾害发生的概率。由于FPSO空间狭小，无法按照陆地的隔离距离进行布置，但应考虑通过调整设施布置，在储罐的两侧设置隔离区，隔离区的宽度采用安全分析和气体扩散模型作为模拟工具给出推荐距离来降低对周围设施的影响。除了被动隔离措施之外，将四个储罐划分为四个火区，采用喷淋 （喷淋强度为 9 L·m-2·min-1）[4]进行有效隔离，防止火焰蔓延。

系统在获得数据分片后，对分片进行哈希计算，得到每个分片的哈希值后，与之前原数据存储在智能合约中的哈希值进行比对、验证。如果哈希值相同，则系统返回数据未被改动；反之，则提醒用户数据已经被篡改。另外，考虑到分布式存储的容错性，如果出现部分分片丢失，只要丢失的分片数量小于系统数据冗余分片数量，系统仍然能够还原数据源文件，具体如图8所示。

关于罐区围堰的设计，参照API 2510的要求[5]，罐区应设置围堰以备事故情况下盛放紧急泄放的液体，但基于FPSO空间有限的实际情况，无法照搬陆地的设计规定，因此，需结合定量风险分析（QRA） 和有限元分析（FEA） 的分析结论，本文依托的项目经过第三方的论证，基于总图设计规划的隔离距离，全船的个人死亡风险已处于国际通行的可接受范围内，LPG罐区在本区域因泄漏而形成的池火累积概率或包扎概率均小于1×10-5a-1（设计事故载荷的可接受标准是1×10-4a-1）[6]。围堰高度和大小未参照API 2510的规定，其功能只作为设备维护保养的附属设施。

3.2.3 对船体摇动的设计考虑

FPSO在风、浪等自然环境的作用下，将产生横摇和纵摇现象，直接影响储罐的液位稳定，间接影响LPG的外输及正常的生产。为减弱摇动的影响，将LPG卧罐容器的长轴、泵及压缩机的轴方向沿着船长方向进行布置。

3.2.4 回收工艺处理设备布置方案

回收工艺流程主要包括脱甲烷塔、脱乙烷塔、再沸器、回流罐、回流泵、冷却器等设备。

船体因海浪、海风产生的横摇将对高塔（脱甲烷脱乙烷）的分离性能和分离效率产生不利影响。塔器布置在船舯可最大程度减弱横摇的影响。

单元模块各层设备布置高度设计应满足工艺计算和泵汽蚀余量的要求。第一层甲板（EL.+0 000）布置2台回流泵与1台再沸器。第二层甲板（EL.+3 700） 布置2台塔底重沸器；在重沸器抽芯空间的上方设置滑道梁，便于以后维修。第三层甲板（EL.+8 500） 布置回流罐，满足回流泵汽蚀余量要求。第三层和第四层甲板之间设置夹层（EL.+12 400），供回流罐顶部仪表阀门操作使用。第四层甲板（EL.+16 000）布置冷却器，高度应满足冷却器和回流泵的位差要求。第五层甲板（EL.+21 500）设置安全泄放阀组。由于塔器较高，为了提高塔器在FPSO上的稳定性，在第五层结构甲板边缘设置导向限位结构框架对塔身进行固定。在每层甲板设置斜梯和直梯通往上一层甲板，具体如图4所示。

图4 单元模块立面

运输船采用艉靠或旁靠方式进行停靠。储罐内经处理后合格的LPG通过FPSO上的外输泵输送至运输船。结合泵的汽蚀余量要求、点火源与燃料源应分离的要求以及靠船方式，将外输泵布置在储罐临近的靠船侧模块下方船体主甲板位置。外输绞车布置在艉部靠船侧，见图3。

3.2.6 FPSO上部模块设施对LPG设施布置的考虑

（1）平台吊机布置时，其覆盖范围应远离储罐上方，避免在储罐附近设置卸货区。

（2）由于塔器较高（远高于吊机），为避免吊机误操作导致的碰撞风险，吊机应设置限位。

（3）LPG气体密度大于空气，若发生泄漏将会聚集在泄漏点底部，因此，储罐模块下方应避免布置动设备。

（4）为了避免经单点进入上模流程的原油管道途径罐区船舯管廊时可能发生的泄漏对LPG罐区形成的安全隐患，取消储罐模块舯管廊设计，经单点输送的原油管道经由储罐模块甲板下方进入工艺处理流程。

（5）通过FEA分析计算出LPG设备（包括塔、储罐等）在火灾爆炸工况下承受的爆炸载荷和热辐射量，从而确定是否需要进行设备布置的调整，是否需要对设备增加被动防火保护，以确保人员逃生时间，防止事故的再扩大化。

3.3 船型FPSO上部模块LPG设备布置要点

（1）基于FPSO的摇动特征，塔器应布置在靠近摇动幅度最小的船舯区域，在塔身适当位置设置导向结构框架，固定在小平台边缘结构梁上。

（2）将LPG储罐布置在敞开区域，利于自然通风对可能产生的泄漏气体发挥扩散稀释作用，储罐在满足底部出液管道的前提下，应适当降低重心以提高稳性。

（3）通过在有限的FPSO空间内，优化上部模块设备布置，在单点与LPG罐区间、LPG罐区与工艺处理模块间，预留了适当的安全间距。

（4） 储罐作为浮式装置上最大的危险源，FPSO服务设施根据其危险性进行适应性布置，吊机覆盖范围应尽量避开储罐区域，避免在罐区布置机械类设备。

（5）对LPG回收处理系统进行功能分区，对LPG回收处理设备集中布置，形成处理模块单元，不仅可以使工艺流程畅顺、合理，还利于LPG功能区投入运行后的安全管理，同时有利于模块化建造的实施。

4 结束语

不同于陆地石油站场，船型FPSO装置的空间有限，且最大的特点是处于周期性的摇动状态，因此，海上浮式装置的LPG回收设备布置设计与陆地相比具有较大的差异。防火间距以及设备布置要考虑船型FPSO装置的特点。随着我国海洋战略的实施，能源领域将陆续开发深水和边际油气田，而FPSO的优越性以及以LPG为代表的轻烃回收所产生的社会和经济效益将会更加明显，其在海上油气田开发中拥有广阔的应用前景。