控制閥在浮式生產儲油卸油船（FPSO）中的應用

在過去的 40 年里，浮式生產儲油卸油船（FPSO）已成為偏遠地區(qū)石油和天然氣生產的一種具有成本效益的來源。這些大型船舶是海洋上自給自足的儲存和加工設施，可自行發(fā)電，將油井中的原油加工成石油和天然氣，用于管道輸送和油罐轉移。這些工藝本身就極具挑戰(zhàn)性，而在FPSO上，設備的設計還必須考慮到緊湊的空間和海洋環(huán)境。

由于位置偏遠，設備的使用壽命必須盡可能長，并能安全穩(wěn)定地工作。供應商在設計產品時應考慮到所有這些因素。 浮式生產儲油卸油船上的控制閥被認為是工藝流程中一個小而關鍵的部分，因為它們是準確控制從工藝流程的一個區(qū)域到另一個區(qū)域的流量所必需的。

如果一個關鍵控制閥工作不正常，整個系統(tǒng)就會面臨風險，但如果工作正常，工藝流程就會以最佳狀態(tài)運行，實現(xiàn)最大產出。 海上應用中關鍵控制閥的選型面臨多重挑戰(zhàn)：高壓、腐蝕、沖蝕、氣蝕和噪音，所有這些都可能是標準流量控制挑戰(zhàn)的罪魁禍首。 此外，還必須對腐蝕性環(huán)境和需要維修的偏遠位置采取預防措施。

在選擇控制閥時，必須找到最安全的解決方案，這樣才能延長使用壽命，減少損壞，控制流程，防止意外停機，最大限度地提高產品產量。

浮式生產儲油卸油船（FPSO）是根據現(xiàn)有油輪定制或改裝的大型船舶。它們的優(yōu)勢在于既能裝載加工產品，又能儲存可銷售產品。前期成本可能很高，但通常在項目的整個生命周期內都能實現(xiàn)節(jié)約。其中一些優(yōu)勢包括：安裝時間通常比海上平臺少 50%；不需要永久性管道或基礎設施，最重要的是，當油井枯竭時，F(xiàn)PSO 可以移動到新的地點并重新使用。

FPSO 的底部（見圖1）有一個連接網絡，通過系泊系統(tǒng)固定在海底，可以根據需要旋轉或移動船只。主要的連接是臍帶纜和流線。臍帶 纜 連接主要是為生產提供電力、控制和通信的電導體。此外，還有被稱為流水線的生產管線，將原油從油井輸送到連接船只的立管。當油井中的石油儲量越來越少時，還可以利用流水線注入海水開采石油。

圖1 巴羅薩FPSO的效果圖。

資料來源：MODEC 來源：MODEC

在浮式生產儲油卸油船（FPSO）的頂部，各單元采用模塊化設計，以節(jié)省空間。在圖2非常簡單的流程中，井口流體或原油被分離出來，進行多級加工。原油被加工成液體或氣體，然后轉化為最終產品并儲存起來。請注意，在此過程中還會用到海水，海水會被放回海洋、處理后使用或注入油井。

圖2

FPSO的關鍵控制閥

FPSO上的生產和流程控制需要數百個閥門。每個閥門都有特定的用途，有些比其他閥門更為重要。

本文的重點是突出關鍵應用，了解閥門的用途和工藝挑戰(zhàn)，并介紹使操作順利進行的解決方案。雖然沒有特別提及，但在每種應用中，都假定閥門的所有外部組件都應包括不銹鋼附件、管材和配件，以抵御含鹽海洋大氣的影響。使用除奧氏體、奧氏體鐵素體（雙相）不銹鋼或鎳合金（CRA，耐腐蝕合金）以外的任何材料都可能導致過早腐蝕、安全問題和停產。

此外，需要注意的是，由于空間有限，在船上存放維修備件是不可行的。由于最近的閥門供應商也在數百英里之外，因此為這些應用確定尺寸和選擇合適的控制閥至關重要。

壓縮機中的防喘振控制閥

天然氣的生產首先要從油井的原油中分離出較輕的碳氫化合物。經過幾個使用高壓和低壓步驟進行分離和冷卻的過程后，天然氣就可以被壓縮了。在這一過程中，需要使用昂貴的壓縮機，這些壓縮機只能在額定容量的 50%～100%之間運行。由于工藝過程中的波動，當上游壓力低于出口壓力時，壓縮機會出現(xiàn)浪涌。出現(xiàn)這種情況時，氣流會改變方向，從而對壓縮機造成嚴重損壞。

為避免發(fā)生這種情況，壓縮機站配備了 防喘振控制閥 來保護壓縮機。這些閥門 安裝在壓縮機的下游，當發(fā)生故障并有反向流動的風險時，控制閥可以打開，降低下游壓力，使流動保持在所需的方向上 。為了成功工作，閥門必須快速打開（定位器打開時間為 1～2 秒，電磁閥打開時間為 0.5 ～ 1 秒）。防喘振閥必須保持可接受的噪音水平（高壓下降時很難做到），由耐腐蝕材料制成，并始終保持V級關閉狀態(tài)。

圖3 壓縮機防喘振循環(huán)閥應用工況圖

冷卻水閥

FPSO有大量的海水，因此需要大量的水用于輔助操作，即冷卻船上的設備和重新注入油井進行生產。海水通過海水提升泵從海洋中抽取，然后進行進一步處理，包括去除硫酸鹽和空氣，最后通過 冷卻水閥 門。這種應用 所面臨的挑戰(zhàn)是大流量和高噪音 。需要使用低壓直通控制閥來處理大流量，還需要特殊的調節(jié)來降低噪音。

與FPSO上的所有應用一樣，腐蝕也是一個令人擔憂的問題，因此 閥體和閥內件必須使用特殊材料，以減少損壞。常用的閥體材料，如鎳鋁青銅、雙相鋼和哈氏合金 C 都非常有效，并具有出色的耐腐蝕性。 內飾材料可結合使用異種合金，以幫助延長閥門的使用壽命和功能。

海水注入系統(tǒng)

FPSO上的海水注入系統(tǒng)包括卸船閥、泵再循環(huán)閥和注水井閥，每種類型的閥門對生產都至關重要。每種閥門的應用都要求具有較高的量程范圍，并能在高壓波動、氣蝕和含顆粒的情況下正常工作。 例如，溢流閥用于啟動高壓注入泵。盡管只是在啟動時使用，但它對工藝至關重要，必須按需運行。條件非常苛刻，含有高壓，在出口處會降至大氣壓。氣蝕和振動與這一過程有關，應加以考慮。

氣蝕是當流體壓力降至蒸汽壓以下，然后恢復至蒸汽壓以上時產生的一種現(xiàn)象。因此，氣泡會形成，然后內爆，對最接近的金屬邊界造成損壞，嚴重縮短閥門的性能和預期壽命。 同樣，高壓降產生的振動也會導致部件的機械磨損和疲勞。必須選擇具有多級調節(jié)功能的穩(wěn)健閥門設計，以分級控制壓降，消除氣蝕。

高壓應用中使用的閥門就是一個例子，它采用多級調節(jié)來消除氣蝕，分級控制壓降，使工藝流體在任何一點都不會降到蒸汽壓以下。在某些情況下，下游板可用于提供背壓，減輕閥門的部分壓降。閥門的壓力等級從 AMSE B16.34 的1500 到API 6A的額定壓力10,000 或 15,000 psi不等，并可根據工藝條件采用多種材料和多級調節(jié)。

圖4中的閥門就是一個很好的例子，它的設計堅固耐用，最高壓力可達15,000 psi。該閥門包含多級減壓裝置，由于采用軸向流動，因此對垃圾具有很強的耐受性。閥芯的設計使壓力永遠不會降至蒸汽壓力以下，從而防止氣蝕。

圖4 壓縮機防喘振循環(huán)閥。來源：Baker Hughes

結論

FPSO仍然是在偏遠海域加工和儲存原油的流行解決方案。它們的優(yōu)勢在于不需要任何永久性的水下基礎設施，調試時間比傳統(tǒng)的海上平臺少 50%，將上游和中游加工合并到一個地點，并可在油井枯竭后轉移到另一個地點。控制閥是工藝的重要組成部分，集成在FPSO的所有單元中，有些單元比其他單元更復雜。

一些最具挑戰(zhàn)性的控制閥是防喘振閥、冷卻水閥和海升系統(tǒng)閥。 它們在工藝中用于控制溫度、流量和壓力，工作條件苛刻，如果尺寸和選擇不當，會對生產造成嚴重影響。每個控制閥都應針對特定應用進行精心設計，以克服流量控制難題，同時減輕環(huán)境破壞。控制閥對近海船舶至關重要，最終可保證工藝安全運行、保護設備并保持高質量的產品輸出。