一種新型海上油田動力定位貨油駁運船舶的設計

仇 明

(南通中遠船務工程有限公司,江蘇 南通 226001)

一種新型海上油田動力定位貨油駁運船舶的設計

仇 明

(南通中遠船務工程有限公司,江蘇 南通 226001)

分析原油駁運船舶CTV的設計要求，考慮船型設計、總布置、動力裝置，貨油駁運系統和直流電站的功能，提出采用“FPSO+CTV+常規油船”的新模式。

動力定位原油輸送裝置；貨油駁運設備；直流電站

目前，全球范圍內服役的FPSO超過100艘，已成為海上采油裝備的主力軍。原油輸送裝備作為FPSO卸油系統重要組成部分需求日益旺盛。目前，穿梭油船是承擔FPSO油料卸載任務的重要工具。但是，穿梭油船造價遠遠高于同等噸位的常規油船，其載重量多在8萬～15萬t間，而常規油船的載重量可達30萬～40萬t。因此，如何在大規模、遠距離深海油氣資源開發與運輸中，充分發揮常規油船數量多、造價低、載重大、運輸成本低的優勢，將現有原油船不加改造就能從事深海油田的原油運輸作業，成為國際原油輸送裝備技術客觀需求和潛在的發展方向。伴隨著深遠海油氣開發技術發展，深海、 長距離、大噸位及低成本的轉駁運輸成為趨勢。一款全新概念的深水動力定位原油輸送裝置(cargo transfer vessel，CTV)成為關注的選擇。這是一款全新概念下的離岸深水FPSO原油轉駁輸送裝置，主要由配置DP(dynamic positioning system)裝置的浮式載體CTV以及由CTV搭載的原油轉駁輸送裝置系統組成[1]。該概念下的離岸深水FPSO原油外輸，是依靠CTV利用其DP裝置全方位推進功能牽引VLCC等常規油輪執行相對于FPSO的機動系泊定位，由此通過大口徑輸油軟管將FPSO原油轉駁輸送至VLCC等常規油船，實現離岸深水FPSO的原油外輸。

擬在CTV的船型設計(見圖1)基礎上，提出一種新的原油外輸作業理念，即“FPSO+CTV+常規油船”的模式，FPSO處理的原油通過CTV上側裝載系統過駁、CTV通過原油外輸系統卸載到常規油船，此原油外輸模式將廣泛地應用于全球從主產油國到原油需求國之間的遠程運輸[2]。

1 船型和總布置

1.1 船型概述

具有貨油駁運6 500 m3/h能力的動力定位DP2型CTV裝置是一種新的原油外輸作業船舶，即采用“FPSO+CTV+常規油船”的新型輸油卸油模式，見圖2。

圖2 FPSO+CTV+常規油船的新型原油輸送模式

該型船舶CTV利用其DP裝置全方位推進功能牽引VLCC等常規油船執行相對于FPSO的機動系泊定位，由此通過大口徑輸油軟管將FPSO原油轉駁輸送至VLCC等常規油船，實現離岸深水FPSO的原油外輸，見圖3。

圖3 CTV工作基本原理

以CTV為核心，通過一進一出2條輸油軟管和輸送泵形成輸送系統：1條受油軟管連接FPSO，1條輸油軟管連接VLCC，CTV通過動力定位保持和FPSO之間的相對位置，油輪通過系泊裝置與CTV連接實現動態跟隨。通過該裝備，常規油船不需要任何改造就可以從事深遠海油田的原油外輸作業[3]。

船體采用流線形船殼設計，中間左右兩側舭部設計成箱形結構代替傳統意義的舭龍骨，并且向艏艉延伸，有效減小船舶作業時的橫搖。

1.2 船級和規范

該船入挪威船級社DNVGL，設計規范采用 DNV Rules for Classification of ship-2015-1。該船還需滿足相應的國際公約和規則，特別是還需要滿足巴西水域要求Brazilian NR 6,10,13,18,23,26,30,33。

1.3 船舶主要要素

船舶主要要素見表1。

1.4 總布置概況

1.4.1 主船體

船艏部由中間的平直部分逐漸圓弧形過渡，設計垂直的艏柱結構，無球鼻艏，布置用于船舶動力定位和輔助轉向的伸縮推和側推。艉部外底板流線形上翹，中間布置用于減小船舶橫搖的艉鰭，兩側布置用于船舶推進的全回轉推進器。

表1 船舶主要要素

1.4.2 主甲板

全船設計從艏至艉全通主甲板。生活區布置于船舶艏部。艏部主甲板上面布置生活區甲板并圍成各種功能艙室。主甲板中部靠艉采用嵌入式設計，布置核心設備——卸油滾輪。滾輪深入主船體上設計的凹坑內，可降低船舶重心。艉部甲板靠左舷采用開槽設計，布置用于卸油軟管的滑道，保證卸油作業能順利進行。艉部左舷甲板布置2臺各7 000 kN拉力的絞車，可實現在海上對油輪進行的拖帶。

1.4.3 居住甲板

主甲板以上布置中間甲板，艏樓甲板，B甲板，駕駛甲板及項甲板。中間甲板靠中部位置布置有增壓泵，保證補償把FPSO上的原油轉駁到油輪過程中的壓力損失。艏樓甲板靠艏部布置系泊絞車，中間雙側甲板采用外漂設計，上面布置側裝載系統，用于輸油時與FPSO的連接。B甲板上布置各種起居艙室，和下層甲板的居住艙室一起滿足36人的居住要求。駕駛甲板上全部為駕駛室，采用360°落地窗帶傾角設計，極大滿足視線要求及舒適度要求，輸油作業時便于觀察，提高了作業的安全性。

2 動力裝置及貨油駁運設備

2.1 動力裝置

機艙由4臺額定功率3 600 kW的變轉速柴油機為全船提供動力。變速柴油機額定功率時的轉速750 r/min，怠速區450～550 r/min。柴油機匹配變轉速發電機，輸出功率3 705 kW，并配有整流器rectifier，可直接輸出直流電。機組根據負載狀況，有電力管理系統集中控制，實時調整柴油機轉速，使得柴油機能一直工作在最低油耗狀態。

在應急發電室配有1臺450 kW的應急發電機組，額定轉速1 800 r/min。發電機輸出功率為562.5 kW，440 V，60 Hz。

船艉部推進器艙配有2臺吊艙式全回轉推進器。采用變頻控制，功率為4 400 kW，螺旋槳直徑3 500 mm，定螺距，最大推力為760 kN。吊艙全回轉推進器主要用于航行和DP動力定位工況。

艏部推進器艙配2臺可伸縮式全回轉推進器，功率2 200 kW，輸入轉速為0～900 r/min，槳葉直徑2 550 mm，定距槳，最大推力366 kN。伸縮式全回轉推進器主要用于DP動力定位工況。

另外在艏部還配有1臺管隧式推進器,功率為700 kW，輸入轉速0～1 160 r/min，螺旋槳直徑1 650 mm，定距槳，最大推力108 kN。該推進器主要用于進出港口，不參與DP動力定位。

2.2 貨油駁運設備

貨油駁運設備由側裝載系統、卸載系統、以及公共系統組成。

2.2.1 側裝載系統

該系統負責與FPSO的軟管對接，從而將原油引入CTV，側裝置系統的主要包括側裝載接頭，軟管提升絞車和控制設備。

側裝載接頭是1個通過液壓驅動的可以橫向和縱向調整角度的快速接頭，接頭上配有壓力感應原件以防受力過大而損壞接頭；該接頭左右舷各1套，根據情況選擇使用。在兩側裝載的中間配有1臺軟管提升絞車，通過纜繩將FPSO的貨油軟管提升并最終于側裝置接頭對接。該系統的控制設備由1臺無線遙控板以及駕駛室內的固定控制臺組成，兩者均可實現對卸載系統設備的控制。

2.2.2 卸載系統

卸載系統用于將原油輸出到油輪上，該系統由帶纜絞車，軟管盤車，軟管滑梯，繩索絞車和撇纜槍組成。

甲板尾部配有2臺液壓絞車，每臺絞車的額度拉力3 500 kN，各配有150 m長的主纜繩，用于在輸油過程中對油輪的牽引控制，絞車上裝有壓力感應元件，作業時隨時將受力數據傳至DP系統和控制系統，超過額定拉力時報警系統開始報警，這時可與通過DP系統來調整推進器從而降低過大拉力。

在左舷裝有1臺液壓驅動的軟管盤車，盤車上裝有420 m貨油軟管，該軟管用于與油船對接從而將原油輸出。左舷艉部裝有1臺軟管滑梯，該滑梯由多個滾輪組成，從而減少軟管收放過程中的摩擦，軟管靠重力滑到舷外。繩索絞車上裝有為70 m長直徑38 mm的軟管纜繩和500 m長直徑18 mm的引纜。用于輔助收放主纜。另配有1套氣動的撇欄槍和1臺充氣泵，撇纜槍將引纜射至150 m外，每充滿一次氣，氣瓶內的壓縮空氣可以保證槍射6次。該系統的控制設備由1臺無線遙控板以及駕駛室內的固定控制臺組成，兩者均可實現對卸載系統設備的控制。

2.2.3 公共系統

公共系統主要由液壓動力單元、應急切斷控制組成。液壓動力單元作為裝載系統和卸載系統所有機械設備的動力來源. 為了避免事故情況下大量原油泄露的情況出現，配備了應急斷開系統，任何泄露將導致整個貨油輸送系統關閉[4]。

3 直流電力配電系統

為了滿足減少二氧化鈦、氮硫化物排放的要求，采用直流電力配電系統。直流電站的顯著優點就是燃油消耗低、排放量少。因為直流配電系統其主機是變速機，主機轉速是可以變化的，根據不同的負荷運行在不同的轉速下，減少了燃油消耗；而常規交流配電系統，其主機是定速機，即轉速是在額定轉速下運行[5]。對大部分船舶來說，都不會一直工作在滿負荷狀態下，尤其像油田作業的船舶，一般只有26%的工作在滿負荷，其他時間都工作在低負荷下。傳統交流電站，尤其在低負荷狀況下，主機工作在額定轉速下，耗油量會顯著增多[6]，定速機和變速機的油耗對比見圖4。

圖4 變速機與定速機能耗對比

由圖4可見，在負荷小于85%時，同等負載下，變速機比定速機所需的油耗低，在15%負荷情況下，可以減少油耗約25%。總燃油消耗降低10%～15%，氮氧化物排放減少80%～85%。

由ABB提供DC GRID LINE UP直流主配電板給推進器，貨油泵及貨油駁運系統提供電力供應，并且通過逆變器連接普通440 V低壓主配電板來給日常負荷提供電力供應。整個電網分成A組和B組，以滿足動力定位DP2運行工況的要求[7]。

4 結論

該新型船舶工作水深和作業環境可以適應現有深海油田FPSO和常規原油輪的工作海況，可以廣泛地應用于全球從主產油國到原油需求國之間的遠程運輸。按照1個CTV服務2條FPSO，即2×FPSO+1×CTV+ 1×VLCC 轉駁裝載模式為例，CTV造價6 000萬美元，5年可回收成本，與“FPSO+穿梭油船”的常規轉駁模式相比更經濟。

新的原油外輸作業理念，與傳統的“FPSO+穿梭油船”相比，預期可實現原油輸送裝載量大、成本低、作業風險小、節能環保、適應性強等效果，該型船舶具有合理的結構穩性及在惡劣海況下較強的操縱性能；高效、靈活的原油輸送系統；實用、安全、可靠的系泊系統及動力定位系統；符合環保低碳綠色海洋工程船舶設計的要求。

[1] 陳德林.西門子BDPC系統在CTV上的可行性研究[J], 船舶工程，2015(12):55-58.

[2] 劉愛俠,榮克佳,張志平.FPSO原油外輸系統研究[J].中國造船,2010(增刊1):135-138.

[3] 周守為,曾恒一,范模.我國浮式生產儲油裝置的研制與開發[J].中國海上油氣,2006(2):54:59.

[4] 鄭曉濤,朱進全,余捷.FPSO串靠外輸安全指揮系統設計與測試[J].中國海上油氣,2015(6):88-91.

[5] 黨學博.浮式生產儲油裝置結構改造原則及關鍵技術[J].中外能源,2013(5):68-72

[6] 單連政,董本京,劉猛,等.FPSO技術現狀及發展趨勢[J]. 石油礦場機械,2008(10):111-117

[7] 袁中立,李春.FPSO的現狀與關鍵技術[J].石油工程建設,2005(6):76-79.

Design of a New Cargo Transfer Vessel with Dynamic Positioning for Offshore Oilfield

QIU Ming

(COSCO Nantong Shipyard, Nantong Jiangsu 226001, China)

The design requirements of the cargo transfer vessel were introduced. The ship type, general layout, engine and propeller, the cargo transfer system and DC power plant is analyzed. A new type of cargo transfer vessel with dynamic positioning was designed, using the mode of FPSO+CTV+ conventional tanker rough the design of a new offshore oil field cargo transfer vessel.

cargo transfer vessel; crude oil transfer system; DC power grid

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.002

2016-06-13

國家重大科技專項(工信部聯裝[2016]26號)

仇 明(1974—)，男，碩士，工程師

U662；U674.18

A

1671-7953(2016)06-0005-04

修回日期：2016-06-27

研究方向:海洋工程船舶建造及設計管理

E-mail:qiuming@cosco-shipyard.com