FPSO原油裝載系統(tǒng)的分析與優(yōu)化

陳國(guó)剛

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

FPSO原油裝載系統(tǒng)的分析與優(yōu)化

陳國(guó)剛

（上海中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，上海 200231）

浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（floating production storage and offloading），簡(jiǎn)稱FPSO，用于將原油處理后儲(chǔ)存于原油儲(chǔ)存艙中，并定期外輸至穿梭油輪。原油裝載作為FPSO的重要功能之一，起止于上部處理模塊和儲(chǔ)存艙底部，為典型的大落差系統(tǒng)。文章結(jié)合現(xiàn)有項(xiàng)目案例，研究如何實(shí)現(xiàn)合理的原油裝載方案，并通過(guò)研究管網(wǎng)水力學(xué)計(jì)算，詳細(xì)分析該類大落差管道的特點(diǎn)，為完成類似系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供參考。

FPSO；原油裝載；大落差管道；水力計(jì)算

0 引言

FPSO作為重要的油氣開發(fā)裝備，其原油裝載系統(tǒng)的安全運(yùn)行對(duì)于整個(gè)海上油田開發(fā)活動(dòng)具有非常重要的意義。然而，在設(shè)計(jì)這類大落差管道時(shí)，往往會(huì)考慮水擊的影響，經(jīng)常會(huì)忽略由重力引起的重力流問(wèn)題，而想當(dāng)然地認(rèn)為管道中不存在不滿流，都是滿管流。因此很多相關(guān)設(shè)計(jì)的管道，在設(shè)計(jì)運(yùn)行時(shí)候，大落差管道的垂直管段中不是噪聲很大就是振動(dòng)很厲害。經(jīng)過(guò)管網(wǎng)水力學(xué)計(jì)算，可以通過(guò)能量梯度直觀地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

1 工程概況

位于巴西某油田的 FPSO原油處理總量約為150 000桶/天，該裝載系統(tǒng)則擔(dān)任將處理好的穩(wěn)定原油通過(guò)DN300管線分配到12個(gè)32 m深的儲(chǔ)艙內(nèi)的作用。已知每個(gè)艙室內(nèi)的壓力恒定為0.07 kg表壓，以艙底末端為EL 0.0 m標(biāo)高計(jì)算，主甲板管線的標(biāo)高為EL 35.0 m。

首先通過(guò)管網(wǎng)水力計(jì)算軟件模擬該系統(tǒng)原油儲(chǔ)存的狀況。

1.1 穩(wěn)定原油的工藝參數(shù)

表1

1.2 示例儲(chǔ)油艙的工況模擬

考慮到空艙時(shí)候垂直管道落差最大，為最苛刻工況，且每組儲(chǔ)油艙的結(jié)構(gòu)和管道走向布置都類似。本文以其中一組的兩個(gè)空艙進(jìn)行裝載原油時(shí)為例，對(duì)應(yīng)其平均需要完成裝載的源流流量進(jìn)行工況模擬，如圖1所示。

1.3 工況計(jì)算和結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)核查計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，管道內(nèi)原油的流速偏高，各節(jié)點(diǎn)均出現(xiàn)了不同程度的負(fù)壓，最小壓力均遠(yuǎn)小于原油的飽和蒸氣壓。由此可以判斷，由于原油各質(zhì)點(diǎn)的速度不同，前端部分由于重力加速度原因與末端流體的速度差值逐漸增大，直到發(fā)生液柱被拉斷的狀況，造成空腔處壓力低于原油的飽和蒸汽壓，最終管線中會(huì)出現(xiàn)液相夾帶氣相的情況，并導(dǎo)致管道原油紊亂而發(fā)生劇烈的橫向振動(dòng)。

當(dāng)該原油裝載系統(tǒng)長(zhǎng)期處于負(fù)壓狀態(tài)，主甲板總管上的波紋管膨脹節(jié)等薄弱原件極可能被負(fù)壓破壞，造成原油泄漏事故。同樣危害的是，儲(chǔ)油艙連續(xù)注滿需要7天時(shí)間，如果管道長(zhǎng)時(shí)間處于振動(dòng)的狀況，極易產(chǎn)生金屬材料疲勞，造成管道斷裂。所以必須對(duì)原油在大落差垂直管線的流動(dòng)進(jìn)行分析，并采取措施消除負(fù)壓的產(chǎn)生。系統(tǒng)警告截圖見(jiàn)圖2。

2 優(yōu)化及驗(yàn)證方案

通過(guò)分析，由于原油的各質(zhì)點(diǎn)的速度差，出現(xiàn)了液柱分離的情況，可以通過(guò)在垂直管線設(shè)置孔板等節(jié)流裝置，減慢流體的速度，保持整個(gè)管道內(nèi)的流體能夠連續(xù)流動(dòng)，維持各個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力都高于原油的飽和蒸氣壓；或者添加破壞真空裝置來(lái)消除管道內(nèi)部負(fù)壓?jiǎn)栴}。

2.1 優(yōu)化方案一

采用添加節(jié)流孔板的辦法，通過(guò)不斷地試驗(yàn)和優(yōu)化，分別在EL 5 m、EL 12 m、EL 17 m、EL 24 m和EL 32 m處分別設(shè)置孔板，來(lái)實(shí)現(xiàn)多節(jié)節(jié)流，如圖3所示。

2.2 驗(yàn)證優(yōu)化方案一

通過(guò)對(duì)方案一的驗(yàn)證計(jì)算進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，管道各處最小壓力均大于原油的飽和蒸氣壓，由此可知，管道內(nèi)部的原油已處于穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)。各節(jié)點(diǎn)計(jì)算壓力如圖4所示。

此時(shí)得到每個(gè)節(jié)流孔板對(duì)應(yīng)的孔徑和工作壓降，如表2所示。

表2 泡沫系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量

2.3 優(yōu)化方案二

采用在管道表面增加透氣孔，通過(guò)試驗(yàn)確定，分別在EL 31 m和EL 28 m處分別開設(shè)?50 mm的透氣孔，通過(guò)透氣孔對(duì)真空進(jìn)行消除，開孔方法如圖5所示。

2.4 驗(yàn)證優(yōu)化方案二

通過(guò)對(duì)方案二的驗(yàn)證計(jì)算進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)，管道各處負(fù)壓?jiǎn)栴}均得到有效改善。各節(jié)點(diǎn)計(jì)算壓力如圖6所示。

在方案二中，大落差垂直部分管內(nèi)壓力均為0.007 MPa與艙內(nèi)一致；主甲板以上部分為微負(fù)壓狀態(tài)，其中最小為管廊部分的-0.017 MPa，高于穩(wěn)定原油的飽和蒸氣壓，故仍然可以接受。

3 結(jié)論

本文以35 m大落差管道以及對(duì)應(yīng)項(xiàng)目設(shè)計(jì)流量為例，詳盡闡述了不采取任何措施、垂直管段設(shè)置節(jié)流孔板和設(shè)置透氣孔的三種情況，直觀說(shuō)明了若不采取任何措施會(huì)對(duì)系統(tǒng)的安全造成危害。

雖然兩種解決方案都能解決本案例中的問(wèn)題，但還存在一些不同之處，詳見(jiàn)表3。

表3 兩種優(yōu)化方案各自特征

由于實(shí)際項(xiàng)目對(duì)操作工況的靈活性要求，既可以將150 000桶/天的原油平均裝載到12個(gè)儲(chǔ)存艙內(nèi)，又能實(shí)現(xiàn)注入到同一個(gè)艙內(nèi)，所以最終應(yīng)該采用設(shè)置透氣孔的優(yōu)化方法。

[1]API.Recommended Practice for Design and Installation of Offshore Production Platform Piping System： API RP 14 E[S].1991.

[2]ASME.Process Piping： ASME B31.3[S].2016.

[3]NORSOK.Process Design： NORSOK P-001[S].1999.

[4]NORSOK.Piping Design, Layout and Stress Analysis：NORSOK L-002[S].1997.

Analysis and Optimization of Crude Oil Loading System for FPSO

CHEN Guogang
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

The floating production storage and offloading, FPSO in short, is for crude oil storing in the storage tank after the treatment and being sent out to shuttle oil carriers regularly.The loading of crude oil is one of the important functions of FPSO, which is typical large-drop system from the upper treating module to the storage tank bottom.Combining with the existing project case, the paper studies the realization of reasonable loading scheme for crude oil.Through the study of the calculation of the pipe network hydraulics,it analyzes in detail the features of the kind of large-drop pipe, which offers reference for the optimization design and accomplishment of similar systems.

FPSO; crude oil loading; large-drop pipe; hydraulic calculation

U674.38

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.012

陳國(guó)剛（1976—），男，工程師，研究方向：海洋工程輪機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究。