新概念FPSO總體方案設計研究

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(1.勝利油田博士后工作站，山東 東營 257000；2.勝利油田勝利勘察設計研究院有限公司，山東 東營 257000；3.勝利石油管理局設備處，山東 東營 257000)

浮式生產儲油裝置FPSO (floating production storage and offloading system，)應具有較大的儲油量、承載能力和甲板面積。FPSO的浮體外形決定其運動特性、建造成本、操作成本和安全性，影響FPSO的浮體強度和儲油效率，而FPSO的運動性能又直接影響上部設備與儀器的正常工作、人員的舒適性和生產原油的質量。根據文獻[1]的研究，傳統的船型FPSO水動力性能較差，建造成本和運營成本高，儲油效率也不夠理想；圓筒形FPSO雖然具有諸多優點，但也存在垂蕩運動幅度較大，易激發渦激振動，且甲板面積較小且緊湊，不利于危險區與非危險區分離等缺點。因此，為了充分發揮FPSO在海上油田開發中的潛力，有必要研發全新概念的FPSO浮體形式。

本文提出改進FPSO性能的“固有周期優化設計法”，開發一種性能優良的圓角倒棱臺形FPSO(IQFP)浮體概念，并給出一個優化的IQFP的初步概念設計工程實例。

1 設計基本思想

1.1 浮體的固有周期優化設計法

在初期研發階段，通常以穩性和水動力性能作為浮體形式和主尺度確定的兩個主要約束條件。初穩心高是衡量浮體初穩性的重要指標，初穩心高的大小對靜穩性曲線的形狀有直接影響，初穩心高越大，復原力矩越大，抵抗傾斜力矩的能力也越強。固有周期是浮體運動性能的重要指標，增大固有周期既可以使浮體的搖蕩幅度減小，又可以改善FPSO的可操作性、生產原油的質量和人員的居住環境。

船型浮體形式的FPSO運動性能較差，在惡劣環境條件下常因不能滿足生產和輔助設施的操作條件而停產，造成油氣產量損失。因此，新建FPSO時應格外關注運動性能的改善。優化FPSO的固有周期，使之與作業海域極端環境條件相適應，避免結構與海浪集中的頻率發生共振，是減少因環境惡劣而引起FPSO停產的根本措施。

研究發現，浮體外形和主尺度是浮體固有周期的決定性因素，而壓載量及其分布、儲油量、甲板載荷等對浮體的固有周期的影響是次要的[2]。因此，本文提出“固有周期優化設計法”這一改進FPSO性能的新思路，即通過綜合考慮多方面因素的影響，仔細設計FPSO外形，并合理選擇浮體主尺度，來優化浮體固有周期，使其運動最小化，從而盡可能減少FPSO的停產時間，并減小結構的設計荷載，降低FPSO及其系泊系統的設計成本。

1.2 改善運動性能的措施

根據船舶靜水力學理論[3]，有

(1)

(2)

h=zB+r-zG

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Tθ——橫搖固有周期；

▽——排水體積；

h——初穩心高；

Ix——浮體的總慣性矩；

r——初穩心半徑；

I——浮體水線面橫向慣性矩；

zB——浮心垂向坐標；

zG——重心垂向坐標；

μθ——無因次衰減系數；

Nθ——阻尼系數；

θ——橫搖角；

B——浮體寬度。

由式(1)可知，當排水量給定時，固有周期的提高可以通過減小初穩心高或增加慣性矩兩個途徑達到。

由式(2)、(3)、和(1)可知，當排水量一定時，采用較小的滿載水線面，可使I迅速減少，從而使r降低，并盡量使浮心下移，進而使h減少，從而達到提高Tθ的目的。并且，由式(4)和(5)可見，h的減少可使μθ增大，減小浮體的搖擺角度。但水線面減小會引起垂蕩運動變大，這可通過設置舭龍骨增大粘性阻尼來解決。

從式(4)～(6)可知，增大浮體的寬度B，可使Ix增大，Tθ提高，但會使μθ減小，浮體的搖擺幅度增大，這一矛盾也可以通過設置舭龍骨增加Nθ來解決。

綜上所述，采用小水線面線型和增大浮體寬度是全面改善浮體橫搖性能的有效措施。另外，浮體采用傾斜的側邊也有利于增大繞射阻尼，從而增加垂蕩固有周期，降低垂蕩運動[4]。

1.3 改善穩性的措施

改進浮體穩性的措施有很多。例如，增大浮體的寬度B，可使浮體水線面橫向慣性矩和出水及入水楔形的體積靜矩增加，浮體的初穩心高和靜穩性臂增大，從而改善浮體的橫穩性；盡量降低浮體的重心，或適當加大型深，增加干舷高度，可增大浮體的靜穩性臂、極限靜傾角和穩距，有效地改善浮體的穩性；此外，設計浮體時，使水線以上的橫剖線適當外飄，以增加傾角較大時的回復力矩，也能獲得增強浮體穩性的效果。

由以上討論可知，初穩心高是決定浮體搖擺快慢的一個重要特征數。初穩心高較小的浮體搖擺周期長，搖擺緩和；反之，初穩心高過大的浮體，搖擺周期短，風浪作用下會產生劇烈的搖擺。但是，減小初穩心高又與穩性要求相矛盾。因此，在設計中必須全面衡量，統籌考慮，合理的原則是運用協同優化原理[5-6]，在保證浮體運動性能優良的前提下，通過調整影響FPSO性能的設計變量，獲得較理想的穩性特性，使穩性和水動力性能都能得到很好的滿足。

2 圓角倒棱臺形浮體概念

2.1 圓角倒棱臺形浮體簡述

如圖1所示，所研發IQFP浮體采用單甲板雙層底雙舷側結構。

圖1 圓角倒棱臺形FPSO(IQFP)浮體三維模型示意

雙層底和雙舷側的內空間用作壓載艙，同時可防止底部擱淺破損溢油，確保生產安全，平整的內底也便于清艙和洗艙。浮體的上部主要部分采用軸對稱圓角倒四棱臺體結構，倒棱臺體下面為圓角棱柱體形狀的底部壓載艙。浮體中部設圓柱形中央艙，用于敷設管線，直接通往所有的液體艙，而在油、水艙中不再需要任何管線，各種管線和電纜等原材料可比船型FPSO節約30%。儲油艙呈環扇形，均勻分為8個艙室，布置在倒棱臺體部分中央艙的外圍。從結構連續性的角度考慮，舷內側的邊壓載艙的分艙方式同儲油艙，也分為8個艙室，有利于提高鋼材利用率，節約鋼材。儲油艙和邊艙之間的艙室可根據需要用作機艙、泵艙、燃油艙、滑油艙、淡水艙、錨鏈艙、雜物艙(放置纜繩、救生艇、工具等)和油處理艙、水處理艙、合格油緩沖艙、凈化水緩沖艙、污水艙等，各艙的容積由工藝流程的要求確定。污水艙的容積應滿足MARPOL要求，最小容積為儲油艙容積的1.5%～2.0%。

2.2 圓角倒棱臺形浮體的優點

圓角倒棱臺形浮體具有較小的水線面面積，能保證獲得足夠大的固有周期。浮體的長、寬尺度相同，與船型FPSO相比，可以保證浮體對不同方向的海洋環境載荷都有良好的適應性，使浮體各個方向的穩性更好，在不同方向的風、浪、流作用下具有相似的運動響應，消除了艏搖激勵，適于采用多點系泊系統，而沒有必要使用昂貴的轉塔和流體接頭。雙層底壓載艙還起到舭龍骨的作用，增加橫搖阻尼，進一步減小浮體的橫搖運動和垂蕩運動。與圓筒形FPSO相比，倒棱臺體形狀浮體的甲板使用面積更大，更能滿足甲板工藝模塊的操作流程要求。

另外，在保證穩性和保持主甲板面積不變的情況下，FPSO還盡量加大型深，以加大浮體的橫截面面積，提高浮體的中剖面模數，進一步增大結構強度，減小結構應力，提高浮體的承載能力；并且因此來獲得較大的排水量，免受大水線面面積所帶來的大波浪力影響。浮體側面的棱邊均進行圓弧倒角，規則的圓弧形狀比大面積平板折角更能分散海流的沖擊作用，有利于減小阻力。

非圓形截面和傾斜的側邊有利于抑制渦激振動，減小搖蕩運動幅值。相同的長寬尺度和適當外傾的橫剖線也使浮體各個方向的穩性更好、工作甲板的承載能力更大。當浮體側面傾斜角度較大(35°～55°)時，可使作用于其上的海冰以較弱的受彎方式破壞，因此具有明顯的抗冰能力。

浮體的緊湊型設計可使其結構件的彎曲載荷和疲勞強度最小化；顯著提高浮體的儲油效率；安裝與維修時，減少與工作船碰撞的危險。而且，緊湊的浮體能顯著節約用鋼量，經計算，與同樣儲油量的船型FPSO相比，本文開發的FPSO浮體的用鋼量可節約30%～40%。浮體呈對稱形狀，結構簡潔，適合進行模塊化建造以降低成本、縮短建造工期，并且由于各模塊結構的相似程度高，進一步降低了設計和建造的難度。

3 IQFP設計實例

根據渤海海域某區塊油田的海洋環境條件和油田生產要求，設計一座IQFP總體方案實例。該油田最大年產原油200 000 t，海域水深20～22 m。

根據所研發IQFP概念的特點，以浮體的穩性和運動性能為主要約束條件，運用交互式設計流程思想和“固有周期優化設計法”，考慮FPSO在位水域的水深、設計儲油量和生產工藝流程模塊的尺度和布置等因素，先提出一個初步設計方案，再根據設計方案的簡化計算模型[7]，計算浮體的固有周期，并校核穩性是否滿足規范，如穩性不滿足或固有周期與最高波浪周期相差3 s之內，則調整浮體主尺度與艙室布置，直到兩個主要約束條件都能得到較好的滿足。經過不斷地循環調整過程，平衡各方面因素，最終得到一個優化的FPSO的主體尺度、艙室布置和上部設施布置方案。

3.1 主體尺度和艙室布置

從經濟、安全和連續生產的角度出發，設計IQFP平均生產時間為340 d/年，外輸一次的生產時間為14 d。IQFP的主尺度主要取決于原油儲量及甲板工藝模塊布置的要求，其中，IQFP的設計儲油量可由公式(7)求得[8]：

Q=(t1+t2+t)q+ω

(7)

式中：Q——設計儲油量；

t1——外輸一次的生產時間；

t2——穿梭油輪的受載期；

t——連續壞天氣時間；

q——油田原油日產量；

ω——死艙油量。

經計算，得到IQFP的設計儲油量為11 765 t。

IQFP的主體設計見圖2。考慮到穩性要求，邊艙沿高度方向在中部設一道橫艙壁。工藝艙可根據需要進行不同的布置，容積由工藝流程的要求確定。圖2 d)給出了各艙室布置的一個示例。可算得IQFP的儲油艙容積為14 441 m3，壓載艙的總容積為6 445 m3，滿足壓載要求。穿梭油輪可選用10 000 t級的船舶。

圖2 IQFP浮體主尺度和艙室布置示意 (單位: m)

3.2 上部設施布置

FPSO上部設施布置的設計內容包括總平面布置、油氣處理部分、注水部分、水處理部分、供配電部分、輔助生產系統和公用部分等。生產模塊的首要任務是處理從井流中分離出的原油，并把處理合格的原油送入儲油艙，保持50°～60 ℃等待外輸。FPSO生產過程中將伴隨分離出可燃氣體，需將其進一步處理達到燃燒氣標準，供電站使用，余下部分作火炬放空或燃燒。污水處理是生產模塊的另一主要功能，也是FPSO的一項重要指標，污水處理達標后回注地層或排海。

上部生產模塊布置的原則要求安全可靠，必須滿足規范對防火、防爆、安全區域分隔和安全逃生方面的要求[9]。如生產平臺位于主甲板以上至少3 m，以使生產過程中排出的有害氣體自由流動；生產甲板的外邊緣離浮體的舷側板有大于2 m的距離，以保證主甲板上的吊物空間；非危險區的模塊間距約100 mm，危險區模塊與安全區模塊間距約3.0 m，留有隔離區，同屬危險區的模塊間，應每隔3.5 m設隔離帶；應急電站、應急消防設備、直升飛機平臺等要布置在遠離油氣處理區的安全區域等。整個布置還要便于操作、檢修。為便于操作，通常將生活樓布置在機艙之上。從安全生產方面考慮，生活樓應與火炬分開布置，與生產處理設施保持一定距離，中間用動力模塊隔開；火炬塔應遠離生活樓和直升機起降區。

生產模塊的規格根據油田生產的特點確定。目標油田的原油物性和天然氣物性參考埕島油田的相關數據。其中，原油物性：油層原油密度0.868 2 g/cm3，粘度12.6 MPa·s，含硫0.13%，凝固點33 ℃，具有低密度、低粘度、低含硫和高凝固點的特點，屬低含硫輕質原油。天然氣物性：甲烷含量為87.95%，乙烷含量6.21%，丙烷2.72%，丁烷0.20%，異丁烷0.52%，二氧化碳2.22%，氮氣0.29%。經計算，天然氣相對密度為0.643 3。

根據油藏工程提供的產量預測及鉆采工程提供的新井組的年度排產計劃，確定IQFP的建設規模為：處理液量700 m3/d；天然氣處理能力60 000 m3/d；注水站建設規模1 000 m3/d；污水處理規模：2 000 m3/d。

設計IQFP具有如下功能：①油、氣、水處理；②儲油約為11 000 t；③通過輸油臂向10 000 t穿梭油輪輸油；④向周圍井口平臺輸電和注水。

根據上述條件，進行了IQFP的上部設施布置。如圖3所示，IQFP的各種處理設備用不同的模塊來表示，包括油氣處理模塊、水處理模塊、動力模塊等。工藝模塊的尺度根據已有FPSO按比例換算成可適應日處理液量為700 m3/d的規模。生產甲板位在主甲板之上，間距為3 m(見圖4)。主甲板上設2臺吊機，供工藝設備維修及備品備件起吊用。生活樓位于舷側，可供30人工作與生活，與生產甲板之間用堆貨區和熱煤模塊隔開。由于單個邊際油田的生產周期短，設計IQFP的油氣處理設施和系統時，考慮了其在不同邊際油田的適應性，最大可能地優化了系統和布置，增強了IQFP的靈活性，如預留空間，以便根據不同邊際油田的開發需要進行改造或靈活調換生產模塊。

圖3 IQFP上部設施平面布置示意(單位:m)

圖4 IQFP浮體立面示意

4 結論

為了充分發揮FPSO在海上油田開發中的應用潛力，本文研究了影響FPSO安全性和操作性的諸多因素，提出了一種新穎的圓角倒棱臺形FPSO(IQFP)概念。理論分析證明，IQFP具有穩性儲備充足、水動力性能優良、儲油效率高、承載能力強、甲板易于工藝流程布置等諸多優點，而且，浮體形式適合采用多點系泊，大大降低了IQFP的建造和運營成本。本文是新概念FPSO IQFP的系列研究之一，在后續的研究中，將采用定量分析和對比研究等方法，進行IQFP的穩性和水動力性能分析及多點系泊系統的設計研究等工作。

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