南海FPSO臺風工況熱負荷分析及優化

杜 佳

（中海油研究總院 北京 100028）

杜佳.南海FPSO臺風工況熱負荷分析及優化［J］.中國海上油氣，2015，27（6）：111-115.

熱站是FPSO必不可少的關鍵設備之一，根據不同服務海域環境條件，其規模及負荷組成特點不同。FPSO上熱站負荷分為上部設施的工藝處理流程熱負荷和船體本身各艙室的加熱維溫負荷兩部分，其中上部設施的工藝處理流程熱負荷與流程處理中的物流特性、處理量等有關，而FPSO船體本身各艙室的加熱維溫負荷又可分為在正常生產工況下和與環境條件有關的冬夏季艙室維溫負荷、洗艙時海水艙的加熱工況負荷（海水洗艙）等。對于運行在南海海域的FPSO來說，其特殊之處在于熱站規模分析時還要考慮因躲避臺風停產撤離，在人員返回后恢復生產之前各艙室的重新加熱工況負荷（簡稱臺風工況熱負荷）。表1列出了南海某油田開發項目中FPSO各工況下的熱負荷情況。

表1 南海某油田FPSO熱負荷組成Table 1 FPSO re-startup heat load analysis in an oilfield，South China Sea

南海海域已投入運行的FPSO熱負荷顯示，臺風工況熱負荷相比正常生產工況、洗艙工況熱負荷都要大很多，以往南海海域多個項目中FPSO熱站規模實際由臺風工況熱負荷的大小所確定。本文主要針對南海FPSO臺風工況熱負荷特點進行分析研究，目的在于合理降低熱站系統設備配置規模，減少系統設備投資，同時縮小不同工況下熱負荷的差值，使系統設備在不同工況下盡可能高效運行，從而節約熱介質加熱爐的燃料成本，實現降本增效。

1 臺風工況熱負荷分析

1.1 熱負荷組成

夏季南海海域經常會遭到臺風侵襲，臺風級別達到一定程度時會對FPSO正常生產及人身安全造成不利影響，臺風來臨前FPSO將停止生產，船上所有人員撤離；臺風過后生產人員返回FPSO，重新開始正常生產作業。由于人員撤離前FPSO上包括熱介質加熱系統在內的所有系統均停止運行，避臺撤

1.2 主要因素分析

1.2.1 影響熱負荷的主要因素

式（1）中，無論是將冷卻的油品加熱至一定溫度所需熱量Q1，還是加熱過程中的散熱損失Q3，都與臺風撤離期間油品冷卻過程的終了溫度，即恢復生產時的加熱初始溫度t初密切相關。以南海某15萬噸級FPSO的10個儲油艙為例，假設原油需加熱至60℃，加熱時間為48 h，初始溫度在析蠟點以上，則臺風工況下該FPSO熱負荷隨初始溫度的變化情況如圖1所示。

由圖1可知，該FPSO儲油艙艙容及油品性質確定后，在一定的加熱時間內，臺風工況加熱負荷只與加熱前后艙室溫度的變化有關，且溫差越大，加熱負荷也越大，即臺風撤離期間艙室冷卻的終了溫度越低，返回后恢復生產所需的重新加熱負荷將線性增加。雖然終了溫度降低可降低油品加熱過程中的平均溫度，縮小平均溫度與艙室周圍介質的溫度差，從而使加熱過程中的散熱損失隨著加熱初始溫度的離期間FPSO船體各油艙、生產水艙等所有艙室不再有外部熱源供熱維溫，各艙室均處于慢慢冷卻狀態，導致艙室溫度下降；人員返回后為恢復正常生產作業，熱介質系統首先啟動運行，加熱生產水艙、貨油艙等使其達到一定溫度，這時的加熱總負荷Q總由以下幾部分組成：

1）將油品從撤離期間冷卻下來的溫度加熱到正常生產工況的維溫溫度所需熱量Q1；

2）如果撤離時間較長，導致油品溫度降到析蠟點或凝點以下，已有部分原油凝固，溶解這部分原油所需熱量Q2；

3）避臺返回復產前的各艙室加熱時間往往為48 h或更長［1］，在此加熱過程中散失到周圍介質中的熱量Q3。

因此，加熱總負荷Q總可表示為降低而減少，但散熱損失減少的幅度遠低于由于初溫降低使加熱負荷增加的幅度，因此，臺風工況FPSO加熱總負荷受加熱初始溫度的影響較大。

莊子將死，弟子欲厚葬之。莊子曰：“吾以天地為棺槨，以日月為連璧，星辰為珠璣，萬物為赍送。吾喪具豈不備邪？何以加此？”弟子曰：“吾恐鳥鳶之食夫子也！”莊子曰：“在上為鳥鳶食，在下為螻蟻食，奪彼與此，何其偏也！”(《莊子·列御寇》)

圖1 臺風工況下南海某15萬噸級FPSO熱負荷隨初始溫度的變化Fig.1 The variation of 150 000-ton FPSO re-startup heat load with initial cargo tank temperature after typhoon retreat，South China Sea

1.2.2 影響初始溫度的主要因素

1）船體結構。船體儲油艙等艙室側面、底面被海水包圍，艙室頂部為上甲板。由于艙室溫度高于海水、空氣等周圍介質溫度，在臺風撤離期間艙室內熱量通過艙壁散發。經艙壁散失到周圍介質中的熱量除與艙壁散熱面積、周圍介質溫差有關外，還與儲油艙各艙壁的傳熱系數成正比，而儲油艙各艙壁的傳熱系數大小取決于船體的結構型式、材料等［1］。

出于保護海洋環境安全和防止油污染的需要，雙舷側結構已成為FPSO的強制標準設計模式［2］，但是否采用雙層底結構，規范中并沒有強制規定。對于服務于南海海域的FPSO，由于水深可達90～100 m，甚至更深，雖然對采用雙層底結構并不是必須的要求，但隨著技術的不斷進步，FPSO設計壽命較長，在設計之初就應考慮到除在南海海域外，還會有在其他海域服務的可能，而在美國墨西哥灣為保護海洋環境，防止海洋污染，雙層船體已是強制性要求［3］，所以采用雙舷雙底結構的FPSO對于艙室保溫更為有利。以避臺撤離時間3d為例，南海某15萬噸級FPSO采用雙層底結構與單層底結構相比，10個儲油艙平均溫度提高約0.7℃，臺風工況加熱總負荷約降低1 000 k W。

2）避臺撤離時間。人員避臺撤離時FPSO熱介質系統停止供熱，艙室處于逐漸冷卻狀態，隨著撤離時間的延長，艙室溫度從原維溫溫度降低到避臺返回后恢復生產時的初始加熱溫度，此時單位時間內損失的熱量Q損為

式（2）中：τ為避臺撤離時間，s。

艙室損失的熱量通過艙壁散失于周圍介質中。通過艙壁散失的熱量Q散為

假設在艙室冷卻過程中油溫處處均勻一致，且油品中無蠟析出，這時艙室損失的熱量與從艙壁散失的熱量相等，則由式（2）及式（3）可變換為為定值，因此避臺撤離時間τ的延長會導致艙室冷卻的最終溫度與撤離初期的艙室維溫溫度的差值越來越大。

3）艙容大小。在式（4）中，當儲油艙液位越高即艙容越大時，油艙裝油量G也越大，雖然相應的散熱面積F總也會有所增加，但F總與G的比值仍會變小，避臺撤離期間艙室溫度的變化也仍會減少。也就是說，艙容的增加會使臺風工況初始加熱溫度升高。以南海某15萬噸級FPSO為例，10個儲油艙在60%、95%艙容條件初始加熱溫度的變化見圖2。

圖2 南海某15萬噸FPSO不同艙容對初始溫度的影響Fig.2 The influence of 150 000-ton FPSO tank capacity on initial temperature，South China Sea

對于特定的項目條件

由式（1）可以看出，將艙室溫度加熱到維溫溫度的加熱負荷與艙容成正比，艙容增加使加熱負荷相應增加的幅度遠遠大于初始加熱溫度升高使加熱負荷減少的幅度。同時，艙容增加意味著艙壁散熱面積的增加，也會使加熱期間的散熱損失Q3增大。圖3為艙容變化對南海某15萬噸級FPSO臺風工況總加熱負荷的影響。

圖3 南海某15萬噸FPSO不同艙容對臺風工況總加熱負荷的影響Fig.3 The Influence of 150 000-ton FPSO tank capacity on re-startup heat load after typhoon retreat，South China Sea

2 臺風工況熱負荷優化

上述分析表明，FPSO避臺返回后恢復生產時的艙室初始溫度是影響臺風工況加熱負荷大小的關鍵因素，但初始溫度的確定又與海域的環境條件如海水、空氣溫度、臺風遷移速度等客觀因素以及船體結構、油品性質等具體項目條件密切相關，因此臺風工況熱負荷優化至關重要。

2.1 優化內容

1）選取適宜的環境條件參數。臺風期間FPSO所在海域的海水、空氣溫度越低，意味著艙室與外界介質的溫差大，艙室散熱量將增大，恢復生產時的初始加熱溫度也就越低，即臺風工況熱負荷增加。同樣地，避臺撤離時間也受當地海域的臺風遷移特點、遷移速度等環境條件影響，撤離時間選擇越長，臺風工況熱負荷就會越大。因此，在臺風工況熱負荷設計時應盡可能準確掌握相關基礎資料，合理選取環境參數。

2）選取適當的傳熱系數。南海海域環境溫度相對較高，艙室散熱速度較慢，特別是對于雙層雙底的雙體FPSO，在臺風工況熱負荷設計時傳熱系數在可取范圍內宜選擇較小值。

3）確定適當的加熱終了溫度。油田生產物流經FPSO上部工藝處理設施處理成合格原油后儲存在船體儲油艙內等待穿梭油輪外運，除要滿足雷德蒸汽壓力低于大氣壓力的條件外［4］，還要使油品保持一定的流動性。由于穿梭油輪自身配有加熱系統，一般FPSO儲油艙的維溫溫度取油品析蠟點以上5～10℃［5］。

FPSO避臺返回后恢復正常生產初期，艙室溫度變化的實際工況是新生產的原油入艙溫度較高，熱介質加熱系統也已開始正常運行，艙室溫度處于逐步升高的過程。在這種情況下，在臺風工況熱負荷設計時，如果艙室溫度已降到析蠟點以下，可以考慮只要加熱負荷能夠滿足溶解部分已凝固的原油的熱量需求即可，即適當降低油艙加熱終了溫度，不必在恢復生產前就使艙室加熱到正常維溫溫度，這樣臺風工況熱負荷就可以大大降低。

2.2 降低熱負荷的有效措施

1）撤離前適當提高艙室溫度。為提高避臺返回后艙室的初始溫度，可在避臺撤離前適當提高艙室的維溫溫度。如南海某FPSO項目中儲油艙的正常維溫溫度為60℃，但艙室加熱器及潛沒式原油外泵等艙內設備設施的高溫關斷溫度設計值為75℃，正常生產工況下熱介質加熱爐總會有1臺作為備用。因此，在滿足設計條件及外輸作業操作規程的前提下，避臺撤離前加熱相關艙室，將艙室溫度保證在正常維溫溫度或以上，以提高避臺返回后的艙室溫度，這種方法在現場操作上完全可以實現。

2）有區別地滿足不同艙室的加熱需求。FPSO避臺返回后恢復生產前的熱介質系統用戶主要包括生產水艙、污油艙、燃油艙及儲油艙等，這些艙室的加熱也有優先順序。例如，如果生產水是用作恢復生產前的海管加熱，可優先對生產水艙進行加熱，確保其熱負荷需求，為預熱海底管線做準備，以保證盡快恢復生產；如果主電站機組是以原油為主要燃料，則燃油艙也要優先加熱，以使原油燃料盡快替換柴油，節約燃料操作成本；而其他負荷如儲油艙等的加熱，可根據油艙實際溫度等具體情況而定。如果因氣候條件惡劣而使避臺撤離時間延長，造成加熱負荷較大時，則可采用這種方法，優先保證重要用戶用熱需求，而對儲油艙等的加熱終了溫度要求再適當降低。

3）減小油艙儲油量。雖然避臺返回后的艙室溫度將隨著艙容的減少而降低，但艙容的減少卻會大大降低艙室的加熱負荷需求。現場實際操作經驗是，臺風來臨前只要時間允許，FPSO儲存的原油盡可能外運，減少臺風期間FPSO原油裝載量。這樣做的目的雖然主要是出于安全性考慮，但間接的益處是也降低了臺風工況熱負荷。

3 案例分析

以南海某15萬噸級FPSO項目為例，臺風工況主要加熱用戶為儲油艙、生產水艙、污油水艙及燃油艙，采用雙層底結構，其基本設計參數見表2。按照上述思路，對該FPSO避臺撤離時間及儲油艙加熱終了溫度進行了優化，優化前后設計參數及熱負荷計算結果對比見表3。

表2 南海某15萬噸FPSO熱介質用戶基本設計參數Table 2 Basic design parameter of 150 000-ton FPSO，South China Sea

表3 南海某15萬噸級FPSO優化前后設計參數及熱負荷計算結果對比Table 3 The Comparison of design parameter and re-startup heat load before and after optimized of 150 000-ton FPSO，South China Sea

以往南海海域FPSO避臺撤離時間通常按5 d（120 h）考慮，經與作業區相關人員了解，現場避臺、返回到恢復生產一般在3d左右，因此將避臺撤離時間優化為3 d（72 h），這樣返回時艙室溫度提高了近3℃。原設計計算熱負荷時各艙室加熱終了溫度為日常的維溫溫度，而優化后將儲油艙終了加熱溫度設定在高于原油析蠟點以上4～5℃，其他艙室維持原設計值不變，這樣優化前后臺風工況熱負荷降低了約1／3。另外，考慮到該項目主電站是以原油為主要燃料，優化時適當縮短了原油燃油艙的加熱時間，這部分負熱荷僅略有增加。

4 結束語

根據本文分析，通過優化FPSO臺風工況熱負荷來合理降低南海FPSO熱站配置規模是完全可行的，但計算臺風工況熱負荷的關鍵設計參數如維溫溫度、初始加熱溫度、臺風撤離時間等如何選取，還需要根據項目的具體情況如生產原油的油品性質、服務海域的環境條件等因素綜合考慮。我們相信，FPSO處理能力和儲存規模越大，通過減小臺風工況熱負荷來合理降低熱站系統設備配置規模所帶來的經濟效益也將會越加顯著。

致謝：中海石油（中國）有限公司深圳分公司徐國發、吳奇林、周楊柳、陳小剛等在該文撰寫中提供了寶貴的現場操作經驗，在此深表感謝！

［1］中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊：輪機分冊［M］.北京：中國交通科技出版社，1999.

［2］International Maritime Organization.International convention for the protection of pollution from ships［S］.2006.

［3］金曉劍.FPSO最佳實踐與推薦做法［M］.東營：中國石油大學出版社，2012.

［4］國家安全生產監督管理總局.浮式生產儲油裝置（FPSO）安全規則［S］.2010.

［5］郭光臣，董文蘭，張志廉.油庫設計與管理［M］.東營：中國石油大學出版社，2006.