FPSO再沸器抗风浪型结构优化设计.pdf

第41卷第4期UTILITIES公用工程93FPSO再沸器抗风浪型结构优化设计于同川华东阳日李巍吕春晓兰蓝海洋石油工程股份有限公司特种设备分公司，天津30 0 452摘要：针对浮式生产储卸装置（FloatingProduction Storage and Offloading，FPSO）上常规再沸器易受风浪和晃动影响导致液面不稳定、壳程流体从堰板溢出、换热管干烧等问题，以南海流花16-2油田群FPSO轻烃回收处理流程中的脱丁烷塔再沸器为研究对象，通过分析FPSO船体摇晃特性，对再沸器内部结构进行优化设计；采用FLUENT软件对优化前、后再沸器在船体晃动条件下液面稳定性进行仿真对比分析。再沸器结构优化的具体形式为：堰板尺寸优化，新增防波板、后挡板与泄流底板。仿真结果表明：再沸器发生倾斜时，结构优化后的再沸器壳程内液相向堰板另一侧的溢出量显著小于结构优化前再沸器的溢出量；结构优化后再沸器在2 0 s后液面即可恢复稳定，结构优化前再沸器需36 S。研究结果可为晃动条件下再沸器的设计提供参考。关键词：再沸器；FPSO；晃动；优化设计D0I:10.3969/j.issn.1006-5539.2023.04.014Optimized design of reboiler under sloshing conditions in FPSO operationsYU Tongchuan,HUA Dongyang,LI Wei,LYU Chunxiao,LAN LanSpecial Equipment Company,Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin,300452,ChinaAbstract:In response to the issues of unstable liquid level,overflow of shell side fluid from weirplates,and dry burning of heat exchange tubes caused by wind,waves,and sloshing in conventionalreboilers on FPSOs,we focus the study on the debutanizer tower reboiler in the light hydrocarbon recoveryand treatment process of the South China Sea Liuhua 16-2 oilfield group FPSO.We aim to optimize anddesign the internal structure of the reboiler by analyzing the sloshing characteristics of the FPSO hull.Additionally,we use FLUENT software to compare and analyze the liquid level stability of the pre-optimized and post-optimized reboilers under vessel sloshing conditions.The specific approach to optimizingthe structure of the reboiler includes adjusting the size of the weir plate,adding wave-shield baffle plates,rear baffles,and discharge bottom plates.The simulation results show that when the reboiler tilts,theliquid phase overflow from the shell side of the optimized reboiler to the other side of the weir plate issignificantly reduced compared to the reboiler before structural optimization.Moreover,the liquid level ofthe reboiler can return to stability after 20 seconds with structural optimization,while the reboiler withoutstructural optimization takes 36 seconds to return to stability.This study provides reference for the design ofreboilers under sloshing conditions.Keywords:Reboiler;FPSO;Sloshing;Optimized design收稿日期：2 0 2 3-0 4-13基金项目：中国海洋石油集团有限公司科研项目“流花16-2 FPSO轻烃回收LPG处理技术国产化研究”（E-0819M002）作者简介：于同川（198 3-），男，辽宁庄河人，高级工程师，硕士，主要从事海洋工程成套设备的总体工艺和机械设计。E-mail：yutch 沸器已被国家知识产权局授予实用新型专利（专利号：天然气与石油942023年8 月NATURALGAS AND OIL0前言南海流花油田群所产原油为轻质原油,CC，组分可高达51.8%。为提高油气田开发经济效益，开发该油田群的FPSO上设计了一套轻烃回收系统，包括一套脱乙烷塔与脱丁烷塔，并设置塔顶冷凝器及塔底再沸器由于FPSO上系统设备的高集成度、紧凑性布置原因,空间受限,再沸器设计考虑的裕量较小；而FPSO长期飘浮在海面，在遭遇风浪时船体会发生摇晃起伏，导致船体晃动时存在壳程液体溢出到堰板另一侧的风险，造成再沸器的蒸发能力下降,对轻烃回收系统生成效率与再沸器寿命均产生不利影响。国内学者对换热器及设备晃动的影响进行了研究1-13。FPSO摇摆过程是一个极其复杂的过程，传统的经验公式难以直接计算设备随船舶摇摆时液面波动对油气处理设备的性能产生的影响。国内外学者常采用数值模拟的方式研究该问题。侯健等人【14 采用FLUENT软件对不同摇摆状态下油水重力分离器的分离特性进行模拟，提出水平正弦运动的摇摆会明显降低油水分离的效率,摇摆幅度越大、摇摆频率越高，油水分离效率降低越明显。乐增等人【15 以充液罐车紧急刹车时罐内液体晃动特性作为研究对象，采用欧拉多相流混合模型，对比分析不同类型防波板的防波效果；研究结果表明，在容器内加设特殊防波结构能够有效减轻液体晃动产生的冲击力。MBouana等人【16 针对海上波浪对浮式液化天然气（Floating Liquefied Natural Gas，FLNG）绕管式换热器的影响，设计了一种绕管式换热器两相均布器，并通过数值模拟的方式研究不同晃动条件下两相均布器性能,研究结果表明，加人均布器能有效改善气液两相均布性。李秋英等人【17 对FLNG板翅式换热器结构进行优化设计，对比分析了晃动平台晃动工况下结构优化前与优化后换热器的换热性能，结果表明，晃动工况对结构优化后的换热器的换热性能影响较小。任华18 为减轻FPSO上LNG储罐内液体摇晃，在LNG储罐内设计了防波板，并采用CFD仿真技术证明了设置防波板能抑制罐内液体晃动,并有效降低液体对罐体的冲击力与极限压强。张新军等人19 研究了海上晃动对FLNG再沸器液面波动的影响，提出横摇对再沸器性能影响远大于纵摇、摇、横荡、纵荡等其他晃动形式。以上学者的研究表明,对容器内部结构进行优化设计能够有效改善晃动工况对设备的影响，采用FLUENT软件进行仿真模拟并开展晃动条件下容器特性研究具有良好的效果。本文通过分析南海流花16-2 油田群（以下简称流花16-2)FPSO船体晃动特性，并对轻烃回收系统再沸器的内部结构开展优化设计，设计的一种釜式再CN202022645788.5）；采用FLUENT软件对比模拟优化前、优化后再沸器工作性能。本文研究成果可为FPSO再沸器结构优化设计提供新思路。1流花16-2 FPSO基本情况1.1车轻烃回收系统简介流花16-2 项目油田群盛产轻质原油，原油经过段塞流捕集器、生产分离器后分离出大量低压伴生气。伴生气中C3与C4组分占40%以上，无法满足透平、锅炉使用要求，放空燃烧则会产生大量黑烟，因此该FPSO采用轻烃回收系统处理该部分低压伴生气。流花16-2 FPSO搭载的轻烃回收工艺系统【2 0 1】见图1。低压伴生气经过脱乙烷塔与脱丁烷塔后处理成合格的液化石油气（LiquefiedPetroleumGas,LPG）、轻油与锅炉用气。整套系统包含两台再沸器，分别位于脱乙烷塔与脱丁烷塔的底端。脱乙烷塔7回流罐冷却器D原料气区再沸器脱丁烷塔X再沸器图1LPG系统工艺流程图Fig.1Process flow diagram of LPG system1.2船体受风浪摇晃情况再沸器在FPSO甲板设备布置图位置见图2,再沸器的轴线和船体主轴成垂直布置。船体的滚转最大角度为14.97,周期17.10 s；前后摆动最大角度为7.95,周期为10.2 0 s;起伏最大加速度为2.0 3m/s。当船体发生滚转时，再沸器发生横摇。区口口口口口口口口图2 FPSO甲板设备布置图Fig.2 Equipment layout diagram on FPSO deck2再沸器结构优化设计由谢洪虎等人【10 研究成果可知,横摇对再沸器性能影响最大，因此本文研究以预防船体因滚转造成的再沸器横摇为主，优化设计包括新增内件与优化堰板尺寸。2.1内件结构设计再沸器尺寸为大侧内径116 0 mm，设备本体总长度区回流泵冷却器前后摆动船体滚转LPG轻油第41卷第4期UTILITIES公用工程约为7 0 0 0 mm，堰板距离大封头侧切线50 0 mm，堰板高斜防波板起主要的防波作用。下端部低于堰板端度9 8 5mm。常规再沸器内件布置见图3。口7 0 mm，倾斜布置，与堰板成35夹角（与水平线成55夹角）；为了不阻碍壳程介质的正常溢出，斜防波板与堰板之间距离110 mm，保证壳程流体可以顺利流过堰板；斜防波板上开孔直径14mm，间距2 0 mm，小孔成转角三三角形布置。由于斜防波板上开孔率较高,因此不会对图3常规再沸器内件布置图液体、蒸汽的流动形成阻碍，流体通过的压力降很小；斜Fig.3 Layout of internal components of conventional reboiler防波板与堰板之间的空间内没有换热管布置，蒸汽生成量很少，可顺利通过斜防波板上的开孔。结构详图见由图3可以看出，常规再沸器的机械设计并没有特图6。殊考虑FPSO的晃动对其工艺能力的影响。经分析,当船体在再沸器轴向方向晃动时，存在壳程工艺流体从堰板过多溢出的风险，会造成换热管侧液体液面不稳定，再沸器的蒸发能力下降，甚至换热管干烧，从而影响整个系统的产品质量。针对有可能出现的工艺不稳定的情况,对再沸器的机械设计进行内部结构形式的优化，见图4。后挡板斜防波板泄流底板斜防波板排净口图4再沸器优化后布置方案图Fig.4 Layout plan of reboiler after optimization图4中,预防波板起到初步防波并减弱波浪冲击的作用。该板平行于堰板（垂直于换热管束)设置，位于壳程蒸汽出口的中心位置，下端部低于堰板端口8 5mm，高于换热管束约2 0 mm，总高度2 40 mm；上端部开放设置，距离壳程筒体顶部150 mm，保证蒸汽通过不存在阻力；预防波板厚度14mm，开设直径为14mm的小孔，间距20mm（开孔率44.4%），小孔成转角三角形布置。由于预防波板上开孔率较高，因此不会对液体的流动形成阻碍，液体通过的压力降很小。结构详图见图5。堰板端部位置0619524单位：mm图6 斜防波板结构详图Fig.6Detailed drawing of oblique wave shield stracture后挡板和泄流底板的作用一是可以将冲过堰板的大浪涌再次弹回，二是后挡板、泄流底板、堰板和壳体组成一个存储空间，形成液封的效果。通过堰板的液体，通过泄流底板上的开孔流出，泄流底板上开设54个直径为25mm的通道孔，保证液体正常溢出，并使后挡板、堰板、泄流底板构成的腔体内，保持一定的液位高度（约2 6 mm）。从泄流底板上方50 mm位置开始，后挡板上开设50 个直径为25mm的溢流孔，若泄流底板上的开孔由于异常情况被堵塞，液体可以从侧部溢流孔留出。后挡板的顶部开放，上端部距离壳程筒体顶部7 0 mm作为放空通道。后挡板和泄流底板结构详图见图7 8。堰板端部位置0000000000005000000000000R580604024=96040开孔布置图14$88单位：mm图5预防波板结构详图Fig.5Detailed drawing of wave prevention plate structure单位：mm图7 后挡板结构详图Fig.7Detailed drawing of rear baffle structure天然气与石油962023年8 月NATURALGAS AND OIL4026=1040400000000000000000000000000000Q000000000000Q0000000000054-25孔图8 泄流底板结构详图Fig.8 Detailed drawing of drainage bottom plate structure排净口在壳程腔体内部，可能有重组分聚集，因此在堰板的内部位置设置DN40的排净口，定期进行排污操作。2.2堰板优化设计再沸器在船体方向的侧向摇摆会引起壳程液位的摇摆,液体有非正常溢出的风险，为了降低此风险，对堰板的设计进行优化：堰板两侧各加高130 mm，堰板中央部位留有30 0 mm宽的缺口，壳程液体通过堰板上的缺口流过，此缺口标高即是原来堰板切边位置，缺口宽度值(30 0 mm）可将液体流过堰板的阻力、堰板上液层高度控制在合理范围内；为防止重组分累积，在堰板缺口的延长线上，开有2 8 个12mm小孔。结构详图见图9。01225252513=325图9堰板优化结构详图Fig.9 Detailed drawing of weir plate optimization structure由上文可知，换热器结构优化涉及多类内件，不同内件作用见表1。表1不同内件的作用表Tab.1 Functions of different internal components内件名称预防波板斜防波板后挡板泄流底板堰板3仿真模拟与结果对比3.1仿真模拟设置采用ANSYS软件Geometry模块建立结构优化前与优化后再沸器三维物理模型，其中结构优化后再沸器内部结构图见图10。I单位：mm图10 优化后再沸器三维效果图Fig.103D rendering of optimized reboiler本文采用Gambit进行网格划分，采用FLUENT软件中VOF(Volumeof Fluid)方法模拟流体晃动和气液相交接面，控制方程选用三维不可压缩多相流非定常Navier-Stokes方程。为便于分析摇晃对再沸器内气液两相分布的影响，初始状态假设堰板后端为气相，见图11。体积分数（液相）1.00e+009.00e-018.00e-017.00e-016.00e-015.00e-014.00e-013.00e-012.00e-011.00e-01C0.00e+003002513=325优化形式作用新增初步防波、减弱波浪冲击新增防波新增弹回冲过堰板的大浪涌新增弹回冲过堰板的大浪涌尺寸调整降低液体非正常溢出风险a)优化前a)Before optimization1160体积分数（液相）1.00e+009.00e-0108S8.00e-017.00e-016.00e-015.00e-014.00e-01单位：mm3.00e-012.00e-011.00e-010.00e+00图11优化前后再沸器初始气液两相分布云图Fig.11 Cloud diagram of initial gas-liquid two-phase distributionin the reboiler before and after optimization3.2优化前后晃动模拟对比晃动发生第5s时模拟图见图12。从图12 可以看出，对于结构未优化的再沸器,FPSO发生晃动时，再沸器内液体剧烈波动，液面不稳定，壳程流体从堰板大量溢出，堰板后侧液体波动较大，同时换热管侧出现换热管布置部分无液体现象。对于结构优化后的再沸器，在晃动液面达到预防波板时，起到明显的稳定作用；在晃动液面达到斜防波板及后挡板时，将冲过堰板的大浪涌弹回，既保护了液面稳定，也能防止壳程流体从堰板大量溢出。b)优化后b)After optimization第41卷第4期UTILITIES公用工程体积分数（液相）管持续暴露在气相空间，会对换热效率及管程寿命产生1.00e+009.00e-018.00e-017.00e-016.00e-015.00e-014.00e-013.00e-012.00e-011.00e-010.00e+00体积分数（液相）1.00e+009.00e-018.00e-017.00e-016.00e-015.00e-014.00e-013.00e-012.00e-011.00e-010.00e+00图12优化前后再沸器第5S时气液两相分布云图Fig.12 Cloud diagram of gas-liquid two-phase distribution at 5 sof the reboiler before and after optimization晃动发生第10 s时模拟图见图13。体积分数（液相）1.00e+009.00e-018.00e-017.00e-016.00e-015.00e-014.00e-013.00e-012.00e-011.00e-010.00e+00体积分数（液相）1.00e+009.00e-018.00e-017.00e-016.00e-015.00e-014.00e-013.00e-012.00e-011.00e-010.00e+00图13优化前后再沸器第10 s时气液两相分布云图Fig.13Cloud diagram of gas-liquid two-phase distribution at 10 sof the reboiler before and after optimization对于结构未优化的再沸器，大量液体受重力作用流至堰板另一侧，短时间内无法及时回流，造成部分换热97不利影响。对结构优化后的再沸器，液相被折流板及时反弹回壳程另一侧，液面波动小，对换热效率影响程度较小。结构未优化再沸器在晃动发生第2 0 s时液面仍存在波动，虽无管程暴露在空气中，但壳程内部分液体仍因惯性作用向堰板另一侧溢出；当晃动发生第36 s后，a）优化前结构未优化再沸器液面逐级趋于平稳，壳程液相溢出，a)Before optimization见图14。而结构优化后的再沸器壳程液面在晃动发生第2 0 s时已趋于平稳，见图15。体积分数（液相）1.00e+009.00e-018.00e-017.00e-016.00e-015.00e-014.00e-013.00e-012.00e-011.00e-01b）优化后1.19e-08b)After optimizationa)优化前再沸器第2 0 s时气液两相分布云图a)Cloud diagram of gas-liquid two-phase distribution at the 20 sof the reboiler before optimization体积分数（液相）1.00e+009.00e-018.00e-017.00e-016.00e-015.00e-014.00e-013.00e-012.00e-011.00e-013.80e-08b)优化前再沸器第36 s时气液两相分布云图b)Cloud diagram of gas-liquid two-phase distributionat 36 s of the reboiler before optimizationa）优化前图14优化前再沸器第2 0 s和36 s时气液两相分布云图a)Before optimizationFig.14Cloud diagram of gas-liquid two-phase distribution at 20 sand 36 s of the reboiler before optimization体积分数（液相）1.00e+009.00e-018.00e-017.00e-016.00e-015.00e-014.00e-013.00e-012.00e-011.00e-01b）优化后0.00e+00b)After optimization图15优化后再沸器第2 0 s时气液两相分布云图Fig.15Cloud diagram of gas-liquid two-phasedistribution in the optimized reboiler at 20 s4结论本文以流花16-2 FPSO轻烃回收系统再沸器作为研天然气与石油982023年8 月NATURALGAS AND OIL究对象，对再沸器内部结构进行优化设计；采用FLUENT软件对比分析晃动状态下结构优化前后再沸器液面混动情况，得出以下结论。1)设置在FPSO等船舶上的再沸器设备易受风浪造成的平台晃动影响，常规设计的再沸器面对船体晃动时会发生液面不稳定、壳程流体从堰板大量溢出的情况，产生蒸发能力下降及换热管干烧等问题，导致再沸器运行不稳定甚至影响系统整体工艺性能。2)本文提出的再沸器内件优化方案包括：增加内部防波板、后挡板、泄流底板，优化堰板尺寸；仿真结果表明,新增内件可有效阻挡壳程液体进入堰板另一侧，再沸器在晃动状态下液面稳定程度明显的提高。3)基于本文设计思路,设计了一种釜式再沸器，目前已被国家知识产权局授予实用新型专利，该项设计已成功应用于流花16-2 FPSO轻烃回收系统，现场反馈效果良好。该种设计思路对海上平台换热设备内部结构优化具有借鉴意义。参考文献：1谢彬,张爱霞,段梦兰.中国南海深水油气田开发工程模式及平台选型J.石油学报,2 0 0 7,2 8(1):115-118.XIE Bin,ZHANG Aixia,DUAN Menglan.ngineering modeand platform selection for deepwater oilfield development inSouth China Sea J.A c t a Pe t r o le i Sin ic a,2 0 0 7,2 8(1):115-118.2任华.船舶运动状态下的设备内部结构优化分析J.兰州石化职业技术学院学报,2 0 19,19（4）：8-12.REN 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