半潛式平臺壓排載系統設計與調載應用

李 杰，徐亞玲，王君如，畢華奇，梁憲超

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

隨著采油水域的不斷加深，半潛式生產儲油平臺逐漸脫穎而出，其集生產、儲油、卸油[1]為一體，是一種快速、有效、經濟的開發海上油氣資源不可替代的開發裝置。壓排載系統是半潛式生產儲油平臺的重要組成部分，其主要功能是調整整個平臺的重心、縱傾、橫傾和吃水[2]，以保持平臺較好的穩定性和操作性，并且可以適應不同環境和工況條件。因此壓載系統的集成技術與其他集成技術同樣重要。

P W Penney 和R M Riiser[3]通過手機大量平臺的設計資料，給出設計流程，將常見的半潛式平臺分為浮體、立柱、撐桿和甲板四部分，建立了各部分尺寸與其重量的回歸公式，可用于平臺的初步設計。

張茴棟[4]針對大型起重船壓載艙的特點，提出了數值分析法的數學模型和優化原則，運用數值分析法對其壓載艙進行具體的優化設計。

岳吉祥等[5]在基于作業流程層次分解布局法，提出了布局理論、算法和布局流程。研究了以作業流程為基礎，按材料輸送系統輸送模式劃分子空間，子空間以模塊為布局基本單位，對不同空間采用相應的優化算法，并對立柱和下浮體的存儲區進行規劃，然后根據重心對平臺的布局進行調整，以提高穩定性，完成布局的詳細設計。

本文介紹了某半潛式生產儲油平臺壓排載系統的結構、功能和基本設計原理，以及調載方式的應用，并以大合攏工況為例，介紹該工況下的調載方案及操作流程，為后續海上拖航及回接工況調載方案的設計和應用提供參考。

1 壓排載系統

本文介紹的半潛式生產儲油平臺分為上部模塊和船體兩大部分，船體承載著上部模塊，船體總尺寸為L91.5 m×B91.5 m×H59 m，浮筒為L49.5 m×B21 m×H9 m，立柱為L21 m×B21 m×H59 m，生存工況吃水為35～40 m，生存工況立柱最小干舷為22 m，下甲板標高為60.5 m。壓排載系統相關的設備及管路均位于船體。

1.1 壓載艙設置

船體的艙室組成主要包括28 個壓載艙、2 個淡水艙、2 個柴油艙、4 個凝析油艙、2 個污油艙、2 個MEG艙。其中28個壓載艙主要用于裝載海水，壓載艙數量之多，可以大大減小每個艙室的自由液面，且每個艙室并未設置海底門，避免了壓載艙與海水直接接觸，大大提高了其安全性。

船體壓載艙由16 個浮筒艙、8 個節點艙和4 個柱艙組成，每個旁通上分別有4 個浮筒艙，分別為E1～E4，N1～N4，S1～S4，W1～W4，8 個節點艙分為位于船體的4 個拐角處，分別為NW1、NW9、NE1、NE9、SW1、SW9、SE1、SE9，4 個柱艙分別位于船體的4 個立柱中，分別為NW3、NE3、SW3、SE3。由于各艙室的位置不同，艙室的高度、容積等參數也略有不同的，各艙室的參數如表1 所示。船體的調載即通過調節壓載艙的水位進而調節船體的吃水并保持整個平臺的穩定。

表1 船體壓載艙參數

1.2 壓排載管路設置

該半潛式平臺的壓排載系統為雙壓排載環網，即一路是壓載管路，一路為排載管路，且每路管線既可作為壓載管路又可作為排載管路，28 個壓載艙用于裝載海水，壓載管路連接上部模塊海水系統，海水經壓載管路灌入壓載艙內。為滿足不同的施工條件，當平臺需要進行調載時，壓載艙中的海水將通過排載管路排出船體，或通過倒艙的方式將船體調平[4]，船體的調載作業主要由排載系統完成。壓載艙室布置及壓排載管路如圖1所示。

圖1 壓載艙室布置和壓排載管路

2 壓排載系統調載方法

2.1 調載方式確定

根據《船舶壓載水管理計劃編制指南》中的壓載水及安全評估[6]等相關規定，在進行壓排載系統調載前，需結合具體的施工工況編制對應的調載方案。目前，常用的排載方式有排載水泵排載方式、壓縮空氣排載方式和重力自流排載方式[7-8]。3 種排載方式的優缺點見表2。如表所示，3 種排載方式具有各自的優缺點，由于該半潛式平臺壓載艙較多，且為保證半潛式平臺的穩性，該半潛平臺采用挑撥性能較好、技術比較成熟的排載水泵的方式進行排載。

表2 船舶常用排載方式性能對比表

2.2 壓排載動力系統

壓載水來自上部模塊海水系統，在東北立柱懸外安裝有海水提升泵，海水提升泵的海水提升流量為1 100 m3/h立柱，海水經海水提升泵到達上部模塊海水系統，經反沖洗濾器系統進行相應處理后經壓載管線進入船體的壓載艙，此過程為下潛過程。

上浮過程即排載過程，排載工作由4 臺排載水泵完成，4臺排載泵分別位于船體4個立柱的最底層，其最大排量為700 m3/h/立柱，最大操作壓力為800 kPa。4 臺排載水泵采用液壓驅動的方式進行驅動，船體每個立柱B層的公用設備間均設有液壓驅動站，每個液壓驅動站包括4個主馬達和3個輔助馬達，為排載水泵提供動力，液壓動力操作站位于船體的C 層應急開關間，通過操作HPU 控制盤或壓載控制系統（BCS）操作站驅動排載水泵。對于該半潛式平臺，最重要的就是要始終保持平臺處于平穩狀態，因此需要始終保持排載水泵的排水能力處于合理范圍[8]。

排載水泵的理論揚程：

式中：r為葉輪半徑；ω為葉輪旋轉角速度；Q為泵的體積流量；b為葉片寬度；β為葉片裝置角。

排載水泵的管路損失：

式中：λ為管道沿程阻力系數；d為管內徑；l為管長；∑ξ為管路上各局部阻力系數的總和。

排載水泵的揚程為：

式中：Δz為靜揚程；Δp為出入口壓力差。

排載水泵的機械效率：

式中：N為軸功率。

該半潛式平臺的排載水泵的性能參數如圖2所示。

圖2 排載水泵的性能參數

2.3 排水量計算法

圖3 所示為平臺某一壓載艙φ角度后橫剖面處的入水和出水楔形。

圖3 某壓載艙入水和出水楔形

首先討論入水楔形，把入水楔形L0OLΦ分成無窮多的小楔形[9]。在φ處取一夾角為dφ的小三角形，設底邊的距離為a，則小三角形面積為：

在平臺方向取dx一段，則小三角形的體積為dAdx，沿整個平臺L積分便得到楔形的體積：

于是在橫傾角φ范圍內的入水楔形的體積為：

同理，可求得出水楔形體積：

因此，入水與出水楔形的體積差為：

3 大合攏工況調載方案

3.1 前置條件

為保證船體進塢后與上部模塊保持相對合理的距離，船體靠泊碼頭后需加注壓載水7 637.9 t，達到基本正浮吃水7.2 m。根據排水量計算法，通過裝載計算機計算出各壓載艙需加注的水量和各艙室液位高度如表3所示。

表3 艙室加注水量和液位高度

壓載時，開啟對應管線和壓載艙的遙控蝶閥，啟動海水提升泵，將海水從海里抽吸至壓載艙，觀察液位測深系統，當壓載艙液位達到指定位置時，海水提升泵停用，關閉管線上的遙控蝶閥，壓載操作完成。具體的壓載操作如圖4所示。

圖4 壓載操作流程

3.2 船體與上部模塊合攏

在大合攏過程中，上部模塊釋放壓力到船體，合攏過程中船體需要向外排出壓載水用以調節4 個立柱受到的內應力，直至上部模塊與船體合攏到位，上部模塊總重為15 000 t，上部模塊向船體轉移重量的同時進行排載作業。當吊機卸載上部模塊重量3 500 t 時，開始準備排水。各壓載艙需排出的水量和各艙室液位高度如表4所示。

表4 艙室排水量和液位高度

排載時，檢查相關的遙控蝶閥，避免誤操作造成船體傾斜，啟動排載水泵，通過排載泵抽吸相應壓載艙內的海水，通過液位測深系統觀察相應壓載艙液位直到降至目標高度，停用排載泵并關閉相應的遙控蝶閥，排載操作完成。具體的排載操作如圖5所示。

圖5 排載操作流程

4 結束語

壓排載系統是半潛式生產平臺非常關鍵的系統，對于維持整個平臺的穩定起著不可替代的作用，對于平臺上其他設備的安裝和操作有著直接的影響[10]。半潛式生產平臺的壓載與排載需要壓排載動力系統、壓排載管路系統、壓載控制系統、液位測深系統以及操作人員等相互配合完成。本文對艙室及管路設計原理進行了詳細介紹，并對調載方式及穩態計算方法進行詳細分析，在該半潛式平臺的實際建造和調試的過程中，可以驗證以排載水泵為動力源的壓排載技術方案是成功的，本文的設計方案完全滿足半潛式平臺的各種作業需求。