Progettazione dei processi topsides per piattaforme di produzione gas galleggianti: separazione compatta e gestione degli slug

Le unità gas galleggianti sono limitate dall'area del ponte, dal peso e da un processo che deve continuare a funzionare mentre lo scafo si muove. Un separatore a gravità dimensionato per un impianto a terra può perdere le sue prestazioni su un'unità in movimento perché la superficie del liquido oscilla, gli strumenti di livello diventano rumorosi e l'interfaccia gas-liquido non si trova più dove previsto dal progetto. Se si aggiunge uno slug proveniente da un lungo riser o tieback, il primo recipiente sul ponte diventa l'unità che decide se i compressori, la disidratazione e l'esportazione rimangono operativi. Un trip in questa fase solitamente costa la produzione e un trascinamento di liquido nello scrubber di aspirazione del compressore può causare danni meccanici. Questo articolo tratta gli effetti del moto sulla separazione, la selezione della tecnologia compatta e la logica di dimensionamento dello slug-catcher per gli sviluppi di gas galleggianti.

Contesto normativo e requisiti

Gli standard seguenti stabiliscono il quadro di riferimento, ma nessuno fornisce una risposta pronta per la separazione influenzata dal moto. Vanno considerati come limiti e le lacune devono essere colmate con analisi specifiche per il progetto.

• API 12J (Specifica per separatori di olio e gas) copre la progettazione e la fabbricazione dei separatori. È scritta per installazioni fisse, quindi i margini per il moto devono essere aggiunti dal progetto.
• API 521 (Sistemi di scarico della pressione e depressurizzazione) disciplina il dimensionamento dei sistemi di scarico e blowdown. L'arrivo di liquido causato da uno slug a un collettore di torcia o sfiato è uno scenario da verificare in base a questa norma.
• IEC 61511 (sicurezza funzionale per l'industria di processo) disciplina le funzioni di protezione di alto e altissimo livello su separatori e slug catcher. Il rumore di livello indotto dal moto discusso di seguito influisce direttamente sul modo in cui queste funzioni vengono progettate e collaudate.
• ISO 13702 (controllo e mitigazione di incendi ed esplosioni su installazioni di produzione offshore) influisce sulla quantità di inventario di idrocarburi presente in un layout di ponte congestionato. Questo è un motivo diretto per mantenere il volume dello slug-catcher il più piccolo possibile, compatibilmente con la flow assurance.

Effetti del moto sulle prestazioni del separatore

Cosa degrada effettivamente

Un'unità galleggiante impone rollio, beccheggio e sussulto. Le conseguenze sul processo si dividono in quattro gruppi:

1. Oscillazione del liquido (sloshing). In un recipiente orizzontale, la superficie libera del liquido si muove lungo l'asse del recipiente o trasversalmente ad esso, a seconda dell'orientamento rispetto al moto dominante. Lo sloshing disturba la zona di sedimentazione, trascina nuovamente il liquido nel gas e può scoprire gli ugelli di uscita.
2. Errore di misurazione del livello. Gli strumenti a pressione differenziale e a dislocatore vedono il liquido in movimento come un livello fluttuante. Il filtraggio per sopprimere il rumore ritarda la risposta a uno slug reale, il che rappresenta un compromesso errato per uno slug-catcher.
3. Tempo di residenza effettivo. L'inclinazione accorcia il percorso effettivo del liquido e cambia la geometria dell'interfaccia. Il tempo di ritenzione nominale sulla scheda tecnica non è quello che il fluido sperimenta realmente.
4. Prestazioni del demister. I demister a rete e a lamelle dipendono da una velocità del gas e da percorsi di drenaggio definiti. Il moto disturba il drenaggio e può consentire il trascinamento anche al carico di gas di progetto.

Risposte progettuali

• Privilegiare geometrie verticali o a basso rapporto d'aspetto dove i requisiti di residenza del liquido lo consentono. Una superficie libera più piccola muove meno liquido rispetto a un lungo tamburo orizzontale.
• Orientare deliberatamente i recipienti orizzontali contro l'asse del moto dominante e confermare la scelta con il team di progettazione navale invece di affidarsi a un'impostazione predefinita.
• Aggiungere diaframmi interni (piastre forate o frangiflutti) per smorzare lo sloshing e mantenere le posizioni degli ugelli libere dalle zone in cui il liquido viene proiettato.
• Utilizzare strumenti di livello adatti al moto, come punti di misurazione multipli o combinazioni di radar e DP. Impostare la filosofia di livello in modo che la funzione protettiva non sia tarata sul rumore di disturbo.
• Specificare l'inviluppo del moto nella scheda tecnica. Il fornitore del recipiente necessita dei criteri di moto di progetto e dei casi di accelerazione, non solo della portata e della pressione.

La progettazione del processo deve inoltre essere coerente con i criteri dello stato del mare applicati allo scafo. Un separatore che funziona nel caso di progetto ma perde il controllo in uno stato del mare intermedio causerà più problemi operativi di un trip in un caso estremo.

Tecnologia di separazione compatta per spazi limitati in coperta

I risparmi derivano dal minor peso dell'acciaio, dal minor ingombro e dal minor inventario. La stessa fonte definisce il processing compatto come un trend in crescita, il che significa che i fornitori offrono ora molte opzioni e la selezione richiede disciplina.

Confronto tra le opzioni

Evidenze da un caso reale

L'articolo PRODUCTION TECHNOLOGY: Compact in-line separation solves severe slugging problems on Statfjord B (Offshore Magazine, 2001) descrive un degasatore in linea, un'unità da 18-in., applicata a problemi di slugging severo su una piattaforma di tipo galleggiante. La lezione è che spostare la prima separazione gas-liquido nella tubazione, dove domina la separazione per quantità di moto, può ridurre l'ampiezza dello slug vista dai recipienti downstream. Ciò non elimina la necessità di un volume di gestione dei liquidi, ma può ridurlo.

Logica di selezione

• Utilizzare uno stadio compatto in linea o ciclonico per la prima separazione, in modo che il tamburo downstream riceva un flusso più calmo e prevedibile.
• Mantenere un recipiente convenzionale o semi-compatto dove la stabilità operativa, la tolleranza ai solidi o il turndown contano più del peso.
• Trattare i solidi precocemente. Il documento Filtration of Gas on Offshore Platforms With Special Reference to Sand Removal and Slug Catching (SPE) collega la rimozione della sabbia e la cattura degli slug come un unico problema di progettazione, e gli interni ciclonici sono meno tolleranti all'erosione e all'intasamento rispetto ai recipienti gravitazionali aperti.
• Verificare che il condizionamento del gas combustibile e del gas di servizio non venga dimenticato.

Dimensionamento dello slug catcher per gas galleggiante

Identificare la fonte dello slug

Il volume di progetto dipende dalla provenienza degli slug:

• Slugging idrodinamico in lunghe linee multifase.
• Slugging indotto dal terreno o dal riser, incluso lo slugging severo alla base del riser.
• Slug da pigging, solitamente l'evento controllabile più grande.
• Slug di ramp-up dopo una fermata di manutenzione (turnaround) o un cambio di portata, quando il liquido accumulato nei punti bassi viene trascinato via.

Si tratta di un riferimento onshore, quindi la sua logica volumetrica è trasferibile, ma le regolazioni relative al moto descritte sopra non derivano da esso.

Logica di dimensionamento

Uno slug catcher deve contenere l'ondata di liquido mentre il sistema downstream la drena a una velocità controllata. Il bilancio governante è:

V_required ≥ (Q_in,slug − Q_drain) × t_slug + V_margin

dove Q_in,slug è la velocità di arrivo del liquido durante lo slug, Q_drain è il flusso di uscita del liquido controllato, t_slug è la durata dello slug e V_margin copre l'incertezza della strumentazione di livello e il margine di movimento. Gli input derivano da simulazioni multifase transitorie, non da stime manuali. V_margin deve essere esplicito, perché su un'unità galleggiante deve coprire la parte del recipiente che non può essere utilizzata in modo affidabile quando la superficie del liquido è in movimento.

Ridurre il volume del catcher

Aumentare Q_drain, la velocità di gestione dei liquidi downstream, è spesso più economico in termini di spazio in coperta rispetto all'aumento di V_required, quindi vale la pena verificarlo per primo:

• Dimensionare le pompe della condensa o dei liquidi, il treno di stabilizzazione e i separatori downstream per il flusso di drenaggio degli slug, non solo per il flusso a regime stazionario.
• Utilizzare il controllo tramite choke o valvola di ingresso guidato dal rilevamento precoce degli slug per appiattire il profilo di arrivo.
• Controllare la frequenza di pigging e le velocità di ramp-up, in modo che gli slug più grandi siano quelli pianificati.

Un catcher più piccolo significa anche un minor inventario di idrocarburi in coperta, il che supporta la strategia contro incendi ed esplosioni secondo ISO 13702.

Scenario illustrativo

Questo scenario è illustrativo e non è tratto da un progetto specifico.

Un'unità gas galleggiante riceve gas umido attraverso un riser flessibile da un lungo tieback sottomarino. Il concetto dei topsides prevede uno scrubber di ingresso verticale che alimenta la compressione. La prima revisione del progetto rileva che una corsa di pigging di routine fornirebbe uno slug di liquido più grande di quanto la sezione liquida dello scrubber possa contenere. Le opzioni esaminate sono:

1. Ingrandire lo scrubber. Ciò aggiunge peso in alto sullo scafo e aumenta la massa soggetta a sloshing.
2. Aggiungere uno slug catcher di tipo finger. Questo richiede una lunghezza del ponte che il layout non dispone.
3. Installare un degasatore ciclonico in linea all'arrivo del riser, con un modesto recipiente di gestione del liquido a valle, e aumentare la capacità della pompa della condensa in modo che la velocità di drenaggio sia maggiore durante l'evento di pigging.

Il team sceglie l'opzione 3 e redige una procedura di pigging che controlla la velocità del pig e scagliona il drenaggio del liquido. L'equazione di dimensionamento sopra riportata viene quindi eseguita nuovamente con la Q_drain revisionata e la simulazione transitoria viene ripetuta con un margine di movimento in V_margin. Il risultato è un recipiente più piccolo rispetto all'opzione 1, validato rispetto al caso di pigging controllato. La revisione rileva inoltre che la funzione di protezione del livello deve essere specificata per un recipiente in movimento, con le ipotesi di proof-test e tempo di risposta di IEC 61511 confermate rispetto al segnale di livello filtrato.

L'apertura del ricevitore del pig in seguito è un'attività su apparecchiature contenenti idrocarburi. Richiede isolamento, depressurizzazione, verifica dell'energia zero, LOTO, precauzioni per area classificata, rilevamento continuo di gas e sfiato sicuro verso il sistema designato prima dell'apertura di qualsiasi chiusura.

Checklist decisionale

• Il progetto ha emesso un inviluppo di moto (rollio, beccheggio, sussulto, accelerazioni) a ogni fornitore di separatori e scrubber?
• Ogni recipiente orizzontale è orientato deliberatamente rispetto al moto dominante, con la motivazione documentata?
• Il design della misurazione del livello mantiene un tempo di risposta allo slug reale accettabile dopo il filtraggio, e la funzione protettiva è stata specificata rispetto a IEC 61511?
• Ogni selezione del demister tiene conto del drenaggio in movimento, non solo del carico di gas?
• È stata identificata la fonte dello slug (idrodinamica, del terreno, severa, pigging, ramp-up) ed è stato definito l'evento controllabile più grande?
• La velocità di drenaggio a valle è dimensionata per condizioni di slug, non solo per lo stato stazionario?
• Il V_margin è indicato esplicitamente e giustificato per il movimento?
• Il carico di solidi e la rimozione della sabbia sono stati considerati prima di selezionare gli interni del ciclone?
• Il condizionamento del gas combustibile è protetto da slug, solidi e aerosol?
• L'arrivo di liquido ai collettori di torcia e sfiato è stato verificato secondo API 521?
• L'inventario nel sistema di gestione degli slug è conforme alla strategia antincendio ed esplosione secondo ISO 13702?
• La procedura del ricevitore del pig è scritta con le fasi complete di isolamento, depressurizzazione, verifica dell'energia zero, LOTO, rilevamento gas e sfiato?

Conclusione

Su un'unità gas galleggiante, le prestazioni di separazione sono stabilite dal comportamento del recipiente in movimento e il volume dello slug catcher è un compromesso tra lo spazio sul ponte e la capacità di drenaggio a valle. Iniziare definendo i casi di slug e l'inviluppo di moto, quindi verificare se un primo stadio in linea compatto e una velocità di drenaggio più elevata possono sostituire un grande catcher. Prima di impegnarsi con un fornitore, eseguire una simulazione transitoria multifase con margini di movimento espliciti. Quindi rivedere il design della protezione del livello rispetto a IEC 61511 insieme ai team marino, di processo e di sicurezza.