FSO原油輸儲駁系統關鍵設備選用研究

李芳　陳聰

摘 要： 原油內輸、外駁系統是浮式儲油卸油船（Floating Storage and Offloading，FSO）上最重要且組成復雜的系統.簡要介紹了FSO艉部內輸設備、外駁系泊設備和艏部單點系泊設備的選用及其組成、設備布置和工作流程等，同時對艉部內輸系統、艏部外駁系統（外駁系統與單點系泊系統的集成）的特點和設計要點進行了分析研究.選用的艉部縱向卷筒式內輸設備和艏部懸臂式外轉塔式單點系泊外駁設備在操作、維護及安全性等方面具有世界領先水平，可為FSO改裝設計的設備選型提供參考.

關鍵詞： 浮式儲油卸油船； 原油輸儲駁系統； 內輸設備； 外駁系泊設備

中圖分類號： U 672 文獻標志碼： A

Research on the key equipment selection in floating storage and

offloading system for crude oil transfer

LI Fang， CHEN Cong

（Shanghai Bestway Marine Engineering Design Co. ， Ltd. ， Shanghai 201612， China）

Abstract： Crude oil inloading and offloading system is the most important and complicated units in Floating Storage and Offloading （FSO）.Its selection，composition，arrangement，and operation process including stern infloading equipment，offloading mooring equipment，and stem single point mooring equipment were introduced briefly in this paper.Meanwhile，the characteristics and key points of stern infloading system and stem offloading system design was analyzed.The stern vertical reel type inloading equipment and stem turret single point mooring equipment selected in this paper had a worldclass level in the aspects of operation，maintenance，and security，which can provide references for the equipment selection in the FSO modification design.

Keywords： FSO； crude oil transfer system； inloading units； offloading units

浮式儲油卸油船（Floating Storage and Offloading，FSO）是集內輸、存儲和轉駁為一體的海上原油中轉站，具有適應水深范圍廣、移動靈活和儲油量大等特點，是海洋石油開發中非常重要的工程設備之一[1].與浮式生產儲卸油裝置（Floating Produciton Storage and Offloading，FPSO）不同的是，FSO上沒有生產模塊，不能對開采出的油進行處理.近年來隨著原油價格下跌，散貨及油輪市場越發不景氣，大量大齡油輪又面臨新的規范規則限制，亟待改裝或報廢.與此同時，海上油田開發突飛猛進，船舶改裝技術日益進步.選用先進的、適用的技術與設備，將廢舊超大型油輪（VLCC）改裝為FSO/FPSO，具有更高的性價比，有利于降低初始投入，提高運營效益，能早日收回成本[2].因此，探討對FSO原油輸儲駁系統內輸與存儲、浮筒外駁、油船轉駁三大關鍵工藝流程及其相應的關鍵設施和適用設備的選用研究具有重要意義.

1 FSO原油輸儲駁系統

FSO原油輸儲駁系統主要由中小型專用穿梭油船（DP）、浮式儲油卸油船（FSO）、懸鏈錨腿系泊浮筒、大型穿梭油船及相應撓性立管和海底剛性輸油管組成.FSO通過內輸作業流程完成原油內輸與存儲作業，借助艏部系泊外駁設備和懸鏈錨腿系泊浮筒完成原油外駁作業.

1.1 流程一：內輸作業流程

內輸作業主要由具有動力定位（Dynamic Positioning）的中小型穿梭油船和FSO完成.圖1為艉部內輸系統示意圖.DP在油田處裝滿原油，航行至FSO的艉部附近，FSO用撇纜槍將撇纜和先導索拋到DP上，DP牽引絞車將先導索及前端摩擦鏈拉上船并固定在掣鏈器上，后端摩擦鏈固定于FSO掣鏈器上，完成DP和FSO之間的系泊作業.將FSO的輸油軟管接到輔助拖船上，輔助拖船將其拖至DP中部集管區，借助吊機與DP輸油管路連接.打開DP輸油閥門，原油通過輸油管路進入FSO指定油艙內，開始內輸作業.內輸作業完成后，關閉輸油閥，收回輸油管并解除兩船之間的系泊.FSO利用油管卷車和系纜絞車將輸油軟管和撇纜索、摩擦鏈、先導索等收回.最后，用水沖洗輸油管并填充惰性氣體進行惰化[3].

1.2 流程二：外駁作業流程

承擔外駁作業的外駁系泊設備（Offloading系統）共分為三大模塊：艏部外轉塔式外駁系泊裝置、海底輸送系統、懸鏈錨腿系泊浮筒.

（1） 艏部外轉塔式外駁系泊裝置.該裝置集單點系泊和轉塔外駁功能為一個整體，主要由轉塔、液體傳輸系統、轉塔旋轉系統、界面連接系統四個部分組成[4].

（2） 海底輸送系統.該系統由與艏部外轉塔式系泊裝置相連的高彎度S型撓性立管（Sshaped risers）、海底管路終端PLET（Pipeline End Termination）、海底剛性輸油管道、FSO集中控制的管道終端管匯PLEMs（Pipeline End Manifolds）及與浮筒終端相連的高彎度S型撓性立管組成，實現FSO的原油海底輸送.

（3） 懸鏈錨腿系泊浮筒（CALM buoy）.浮筒與FSO間距為2.5 km，通過懸鏈錨腿固定在海床上，由旋轉接頭、駁油管匯和系泊臂等裝置組成[5]，是原油外駁的終端設備.

外駁作業流程分為兩種工況：DP與大型油輪交錯時間抵達或同時抵達.

（1） 工況一：DP與大型油輪交錯時間抵達.DP執行流程一的操作，將原油內輸至FSO油艙內存儲，等待大型油輪外駁.FSO借助艏部外轉塔式系泊裝置，通過海底輸送系統與浮筒終端相連，大型油輪由纜繩系泊到浮筒上.外駁時，FSO啟動駁油系統，貨油泵（4 000 m3·h-1）、計量設備（Metering Unit）、液壓動力單元及供電系統等開始工作，艙內原油經由甲板上的計量設備、艏部外駁設備、海底輸送系統，輸送至浮筒終端，浮筒上的駁油設備經漂浮的輸油軟管與大型油輪集管區相應輸油管相連，將原油駁送至大型油輪.

（2） 工況二：DP與大型油輪同時抵達.當DP與大型油輪同時抵達FSO附近時，不需執行流程一.原油不進入FSO油艙，而是經DP自備的計量設備、FSO內輸設備、主甲板上的輸油管旁通閥、增壓泵，通過FSO艏部外駁設備、海底輸送系統，將原油駁送至浮筒終端連接的大型油輪，完成直接駁送.

1.3 完成原油輸儲駁的關鍵設備

對FSO自身而言，原油輸儲駁無論采取哪種工藝流程，均需啟動原油內輸設備（Inloading系統）和外駁系泊設備.從提高FSO整體性能的角度考慮，原油內輸設備和外駁系泊設備的選用，必然是FSO技術與設備選用的重中之重.

2 FSO關鍵設備的選用

FSO通常是從艉部拋送輸油軟管進行縱向內輸作業，通過船首外駁系泊設備將其固定進行外駁作業.據此可對FSO原油內輸設備和外駁系泊設備的選用與設計進行深入全面的研究.

2.1 原油內輸設備的選用與設計

原油內輸設備是FSO的重要組成部分，對輸油管拋送和連接的便利性、可靠性要求甚高.原油內輸系統布局可分為艉（艏）部縱向系統和舷部橫向輸油系統.輸油管采用軟管系統，有漂浮式（簡易式、改進式）、卷筒式、滑道式之分[6].縱向輸油系統中，DP往來于油田與FSO之間，FSO從艉部拋送輸油軟管給DP，進行原油縱向內輸作業.

經過對比后，決定采用艉部縱向卷筒式輸油系統，設備布置情況如圖2所示，其主要組成為：① 輸油管及油管卷車；② 系纜索及系纜絞車；③ 艉部導纜孔；④ 服務吊機，安裝在艉部輸油區；⑤ 掣鏈器，其可就地應急釋放，也可在中央控制室（CCR）中應急釋放；⑥ 液壓控制臺，設在艉部右舷內輸軟管正下方的舵機艙內，主要功能包括控制輸油軟管絞車和系纜絞車、啟/停液壓泵站的馬達和指示液壓系統的壓力，安裝在油管卷車的平臺上；⑦ 閥箱、蓄能器和可編程控制器（PLC）控制箱集成為一個單元，設置在艉部右舷內輸軟管正下方的舵機艙內；⑧ 輔助和啟動器控制箱集成為一個單元，設置在艉部右舷內輸軟管正下方的舵機艙內；⑨ 應急輸油管及油管卷車；⑩ 應急系纜索及系纜絞車等.

圖2 卷筒式輸油設備

Fig.2 Reeltype oil transporting device

2.2 外駁系泊設備的選用與設計

外駁系泊設備是FSO 最關鍵的設備，技術先進、運行可靠是選用設備的唯一出發點.系泊系統包括單點系泊系統和多點系泊系統，單點系泊是指錨泊系統與船體只有一個接觸點，多點系泊是指錨泊系統與船體有多個接觸點[7].經研究，首先確定采用單點系泊設備.單點系泊的最大特點是“點系泊”，較靈活，可適應水流和風向的變化.美國船級社將單點系泊系統分為懸鏈錨腿系泊系統、單錨腿系泊系統、轉塔式系泊系統和軟鋼臂四大類[8]，無不技術復雜，設計和建造的難度很大.單點系泊又要兼顧外駁設備，更增加了設計和建造的難度.

經多方對比，采用美國SOFEC公司研發的艏部懸臂式外轉塔式外駁系泊系統（cantilever external turret mooring system），是懸鏈錨腿系泊和轉塔式系泊相結合集系泊、油氣和電力輸送為一體的外駁系泊系統[9].圖3為懸臂式外轉塔式裝置示意圖.其轉塔轉頭頂甲板與底甲板均為焊接鋼結構筒體，與FSO的船體艏部伸懸臂鋼質構件固定連接，形成轉塔與船體的單點連接，同時構成轉塔360°旋轉主軸承裝置的安裝基座.轉塔下部由系泊錨鏈固結于海底，相對于海底固定.借助基座上360°旋轉主軸承裝置，FSO可繞轉塔360°轉動，從而形成單點系泊.

圖3 懸臂式外轉塔式裝置示意圖

Fig.3 Schematic diagram of cantilever external

turret mooring unit

艏部懸臂式外轉塔式外駁系泊系統所有附屬設備縱向布置在不同的作業平臺. FSO 借助單點系泊構件繞轉塔旋轉，借助軸承減少旋轉摩擦力，在風、浪、流的作用下產生“風向標效應”[4]，盡可能保證FSO正向迎浪，處在最小受力位置，從而降低系泊負荷，緩沖風浪對系統的沖擊，減小應力影響.

外轉塔式系泊系統主要由單點系泊系統、原油傳輸系統、轉塔旋轉或轉臺系統、界面連接系統四部分組成，轉塔式系泊裝置剖視圖如圖4所示.按其具體布置情況及功能，設備自上而下分為四層平臺.

（1） 轉塔通道平臺，如圖5所示.該層設于轉

圖4 轉塔式系泊裝置剖視圖

Fig.4 Section view of turret mooring unit

塔通道甲板之上，主要布置通向轉塔的通道，塔中處為旋轉堆棧，偏左舷處為扭矩臂支撐架；FSO主體的外駁管路及電纜都在此層與單點系泊裝置相關系統連接，是原油外駁裝置的輸入端口.

（2） 操作平臺，如圖6所示.設于第一層甲板，單點系泊的控制面板及主要電氣開關設置在該層，原油外駁管路通過轉塔通道輸至該層，其總管及閥件均在該層操作，即外駁系泊裝置控制平臺.

圖5 轉塔通道平臺

Fig.5 Turret channel platform

圖6 操作平臺

Fig.6 Operating platform

（3）主甲板和牽引平臺，如圖7所示.該層設于轉塔轉頭頂甲板，設有兩臺牽引絞車，通過四個不同位置的固定式導向輪及兩個可移動式錨鏈腿導向輪，經由8只帶蓋錨鏈筒，回收系泊錨鏈；原油外駁管路經由此層繼續向下延伸.

（4）錨鏈平臺，如圖8所示.平臺設于錨鏈中間甲板，12只錨鏈系泊腿的系泊力通過底部的主軸承傳遞到轉塔上，并將FSO定位于基地；兩套外駁油管路在此層平臺連接高彎度S型撓性立管，經由導向器深入海底；另有臍帶纜（Umbilical），它是電纜（動力纜或信號纜）、光纜

圖7 主甲板和牽引平臺

Fig.7 Main deck and traction platform

圖8 錨鏈平臺

Fig.8 Anchor platform

（單模或多模光纜）、液壓或化學藥劑管（鋼管或軟管）的組合，能為水下管道終端管匯PLEMs提供液壓通道，并傳遞上部平臺的運行信號.

艏部懸臂式外轉塔式外駁系泊系統的最大特點是單點系泊、結構簡單，在正常操作條件下，轉塔、主軸承、錨鏈、立管連接部分以及轉塔均位于水面之上，便于檢查和維修，后期維護費用大大降低[10].

由于轉塔式單點系泊裝置具有快速解脫與回接的功能[7]，國外許多公司認為它是性價比最高的單點系泊裝置，適用于在氣候、水文條件惡劣或深水海域作業的大型浮式儲油卸油船.

3 結 語

浮式儲油卸油船/浮式生產儲油卸油船（FSO/FPSO）改裝過程中，原油內輸與外駁系泊設備的選用是技術設備選用的重中之重.選用的艉部縱向卷筒式內輸設備和艏部懸臂式外轉塔式單點系泊外駁設備，雖然技術復雜，造價較高，但在使用操作、后期維修、安全性和經濟性方面，均領先于國內乃至世界以往選用的同類設備，可供將來FSO/FPSO改裝設計的設備選型參考.

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