某深水半潛式生產平臺壓載系統配置研究

李仁科 于再紅 許婉瑩

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

半潛式生產平臺（Semi-submersible floating production system， Semi-FPS）是浮動式海洋油氣生產平臺的一種，主要從事海上油氣生產性的開采、處理、貯藏、監控、計量等作業，其主體結構由上船體、立柱、下浮體以及立柱之間或下浮體之間的橫撐結構組成［1］。半潛式生產平臺壓載系統的設計是平臺設計的關鍵技術之一，該系統設計直接關系到平臺的穩性與安全。

1 壓載水系統的作用

壓載水系統的任務是通過壓載水泵、閥箱和壓載管路將壓載水注入各壓載艙，將壓載水從各壓載艙排出和進行各壓載水艙之間調駁，而在調駁過程中的關鍵是如何分配各壓載艙的壓載水量和壓載速率，也就要求必須即時根據載荷特性、船舶狀態等因素對壓載水進行調節分配。壓載水系統一般主要由壓載水艙、壓載水泵、管路、液位測量和閥門控制裝置等組成，用于保證全部壓載水管系功能的實施。

平臺效果圖以及平臺下浮體示意圖如圖1、圖2所示。

圖1 平臺效果圖

圖2 平臺下浮體示意圖

從圖1和圖2中可見，該半潛平臺下浮體構造比較特殊，由4個彼此聯通的橫梁結構組成，橫梁的連接處向上設置有4根立柱，立柱與下浮體連接的四角分別設置一個壓載泵艙，通過在下浮體橫梁中間設置的管弄彼此聯通，管弄中穿行管路和電纜。

對半潛式生產平臺來說，設置壓載水系統的主要原則可歸納為：

（1）對平臺進行壓載和排載，以保證其在各工況下的吃水；

（2）保證平臺在假定破艙、臨海水密艙失效浸水和水密艙室內海水管路失效進水傾斜的情況下，使平臺恢復到無傾斜和安全吃水狀態。

為達到該目的，半潛式生產平臺壓載系統應具有以下功能：

（1）壓載系統具有在強風暴來臨前使平臺從操作吃水迅速調整至強風暴吃水的能力；

（2）壓載系統具有冗余性；

（3）壓載系統具有避免疏忽操作而使平臺過度傾斜的安全特性；

（4）壓載系統具有失效保護的特性；

（5）壓載系統具有在假定破損或浸水（如泵艙、海水系統所在艙、鄰接海水的艙的事故浸水）情況下工作的能力；

（6）壓載系統可隨時獲得應急電源；

（7）壓載系統具有遙控控制和就地控制能力［2］。

2 壓載系統的設計計算

2.1 壓載泵的布置與排量

為確保壓載系統具有足夠的冗余性，需要對壓載泵的具體型式與排量進行設計計算。壓載水的注入、排出以及各艙之間的調配，是通過自流或壓載水泵來實現的。壓載水泵要求排量大，而壓頭較低，通常壓載水泵裝于船底，有一定液柱高度，對自吸要求較低，多選用離心泵。根據ABS MODU Rules 2012-4-2-4/13.1 和 CCS 海上移動平臺入級規范2012-4/3.4.1要求：當遭遇惡劣海況時，即風力達到生產作業的極限條件，或平臺出現了不滿足穩性要求的情況，或由于空氣間隙不足發生了波浪沖擊平臺甲板下側的情況時，就必須減小吃水使平臺處于對抵抗風暴更為有利的風暴保全工況。從作業工況轉為風暴保全工況過程中，要求壓載泵能在規定的3 h內，使平臺從最大操作吃水排載調整至強風暴吃水或使平臺吃水減小4.6 m，取較大者。這意味著規范對壓載系統的壓載/卸載速率有一個快速性的強制要求。

ABS MODU規范2012-4-2-4/13.1章節以及CCS規范要求“壓載系統應能在平臺假定破損條件下保證有效操作，并能在任意一臺壓載泵不工作的情況下使平臺恢復到一個平衡位置和正常操作吃水或拖航吃水狀態”。

同時，ABS MODU 規范對壓載泵的配置有失艙要求，在MODU規范4-2-4/13.5.2章節中明確要求平臺在最大操作吃水工況，當平臺處于假定的破損狀態下要求至少有兩臺泵能夠有效的排空每一個壓載艙［3-4］。這里的破損狀態包括含有壓載泵處所（泵艙）的破損工況。

從規范要求中可以看出：如何在有效的時間內轉換（控制）平臺狀態，以及如何合理、經濟地配備壓載系統，是該系統設計的關鍵；而如何解決平臺在假定破損狀態下至少有兩臺泵能夠有效地排空每一個壓載艙，以及平臺在規范允許的最大傾斜角破損工況下系統仍能正常吸入則是系統設計中的技術難點。

壓載泵設置臺數和布置，應從平臺安全、操作靈活性和總體對泵艙的分配布置情況以及離心水泵本身特性等多方面加以綜合考慮，同時滿足規范、規則的相關要求。為滿足以上要求，本平臺下浮體四角分別設置一個壓載泵艙，每個壓載泵艙內設置兩臺壓載泵，兩個海底門，所以平臺共有8臺壓載泵，各泵艙互相之間采用水密艙壁隔開，保持各自獨立。相鄰的兩個泵艙通過管路連接，共同組成環管系統，在泵艙與管弄間的隔艙壁安裝隔斷閥，關閉隔斷閥則每個泵艙的壓載水系統可以相對獨立。

下浮體管理原理如下頁圖3所示。4個泵艙對稱分布，如果因為破損等原因失去其中任一個泵艙，立即關閉管弄內臨近浸水艙室的隔離閥，使壓載管路系統與浸水泵艙相隔離。此時啟動任意泵艙內的壓載泵，通過環形分布的壓載水管路就可以順利完成破損泵艙附近各壓載艙的壓載和減壓載。這樣不僅滿足了規范關于“當平臺處于假定的破損狀態下要求至少有兩臺泵能夠有效排空每一個壓載艙。這里的破損狀態包括含有壓載泵處所（泵艙）的破損工況。”的要求，且大大增強了系統的生命力。同時在每個管弄內的壓載水總管也設置有隔離閥，關閉該隔離閥，使得該管弄所連接的壓載水艙也可以分為獨立的兩個壓載系統，因而將環管的局部破損限制在更小的范圍內。

圖3 下浮體管路原理圖

該平臺參數如下：

因而通過壓載系統從最大操作吃水排載至強風暴吃水為：33.00 - 4.60 = 28.40 m。

吃水從33.00 m抬升至28.40 m，總排水量是每根立柱排水量的4倍，共需排水約4 400 m3，應在3 h內完成，因而排水速率約為1 467 m3/h。

考慮一個壓載泵艙失效的情況，每臺壓載泵的排量是1467/6 = 244.5 m3/h，計及泵的損失和安全余量，壓載泵的最終選型排量為250 m3/h。

2.2 壓載泵吸入高度

壓載泵吸入高度的計算按最快設計流速下的管阻（最大管阻）情況進行考慮。管路阻力分直管阻力和局部阻力兩種，兩者之和即管路阻力。設管路總阻力為P（單位為米水柱），壓載泵安裝位置與壓載吸口最末端的高度距離應該小于10.33-NPSHr-P，其中NPSH是指泵的凈正吸入壓頭。

2.3 壓載系統控制

半潛式生產平臺壓載系統采用液位遙測和閥門遙控系統進行遙控操作。

半潛式生產平臺壓載艙數量多、容積大。由于船型的特點，大多數壓載艙位于下浮體內。本平臺下浮體型深為8 m，平臺的作業吃水和生存吃水分別為33 m和31 m，故液位測量系統采用雙冗余的傳感器。取消手動測深的設計，雙冗余傳感器可以互相校核，提高測量精度。

壓載系統所有閥門采用遙控操作，壓載泵、閥門均可遙控和就地控制，閥門采用失效關閉型式，控制系統失效時，自動關閉壓載艙進出口閥門。

壓載系統是半潛式生產平臺的重要系統，壓載泵、液位遙測及閥門遙控系統均由主電源、應急電源同時供電，應急電源隨時可用；同時，液位遙測及閥門遙控系統應設UPS不間斷電源。

3 壓載泵形式論證

半潛式平臺壓載泵形式主要有泵艙泵式和深井式兩種：泵艙泵壓載系統沿用了常規船舶的壓載系統設計，壓載水由壓載泵從泵艙的海底門經過通海閥、海水濾器、海水總管等吸入，泵送至各壓載水艙。深井泵壓載系統則采用深井泵作為壓載泵，泵體直接浸沒在海水中，可不必設置專門的壓載泵室，并且深井泵通過導管伸入到海水中吸水，海水通過水線以上泵的排放彎頭排出，連接到海水總管向用戶供水，不需要在平臺底部和舷側開設海底門。可根據各個平臺自身特點，綜合考慮各種因素，確定壓載泵的形式。

泵艙泵方案與深井泵方案的特點比較[5]見表1。

表1 泵艙泵方案與深井泵方案的比較

半潛式生產平臺壓載泵形式的選擇可參照上表根據平臺實際情況確定，本平臺下浮體為井字形結構，各浮體結構彼此聯通。根據下浮體結構特點在四角布置泵艙，使管路呈環形分布，且彼此通過管弄連通。采用這種布置形式，能夠使得整個壓載系統具有更高的可靠性，因此即便采用泵艙泵形式也能夠很好地滿足規范對平臺壓載系統可靠性的要求；同時由于主要壓載水艙均位于下浮體內，從方便管路布置，減少海水管路長度，降低壓載系統壓排載能耗的角度考慮，采用泵艙泵的型式更為適宜；對于在水質較惡劣的海域工作的生產平臺，壓載系統濾器的清洗維護相對頻繁，此時需要考慮兩種壓載泵形式濾器維護更換的便利性；兼顧本文研究的生產平臺壓載系統初期投資和日后壓載泵自身維修的便利性和經濟性，該平臺最終采用了泵艙泵式壓載系統。

這里需要指出：深井泵形式的壓載系統由于不需要設置泵艙，對于具有儲油功能的生產平臺，如果貨油泵為深井泵，由于沒有專用貨油泵艙，處于危險區域的壓載艙若采用泵艙泵作為壓載泵，則需要設置專用泵艙來安裝泵艙式壓載泵。為簡便起見，這種情況下危險區域的壓載艙一般采用深井泵形式壓載泵，因此具有儲油功能生產平臺的壓載泵形式選擇與其貨油泵的選擇形式相關。目前國內一些正在開發設計的具有儲油功能的生產平臺便采用了深井泵形式壓載系統。

4 結 語

本文對深水半潛式生產平臺壓載系統的船級社規范相關要求進行整理，以某深水半潛式生產平臺為例，對該平臺壓載泵的選型布置進行研究，對各類壓載系統壓載泵的特點進行分析和歸納。在此基礎上，根據該平臺的結構和工作特點，提出采用泵艙泵型式壓載系統布置方案，希望對同類型半潛式生產平臺壓載系統的研究有所裨益。