半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)壓排載系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張 凱張守森祁德路

(海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院,天津 300450)

0 引 言

根據(jù)杜慶貴等[1]對(duì)半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和發(fā)展趨勢(shì)做的研究,目前世界范圍內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的環(huán)型浮箱半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的發(fā)展只有20年左右,在服役和在建的類似項(xiàng)目較少,且立柱儲(chǔ)油的可供參考的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)項(xiàng)目更是屈指可數(shù)。為了推動(dòng)我國(guó)海洋油氣的發(fā)展,迫切需要開(kāi)發(fā)一個(gè)適應(yīng)我國(guó)南海環(huán)境條件,具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型半潛式生產(chǎn)平臺(tái)[2]。

半潛式生產(chǎn)平臺(tái)壓排載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是平臺(tái)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一,該系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到平臺(tái)的穩(wěn)性與安全[3],起到調(diào)節(jié)平臺(tái)吃水及平衡的作用,同時(shí)保障平臺(tái)和工作人員生命財(cái)產(chǎn)安全[2]。

李仁科等[3]對(duì)某深水半潛式生產(chǎn)平臺(tái)壓載系統(tǒng)配置做過(guò)研究,傳統(tǒng)的半潛式生產(chǎn)平臺(tái)多采用浮箱底部設(shè)置海底門,浮箱內(nèi)設(shè)置單環(huán)網(wǎng)總管,且每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)一用一備兩臺(tái)離心式排載泵的壓排載系統(tǒng)形式。但“深海一號(hào)“30年不回塢的總體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,對(duì)南海的惡劣環(huán)境對(duì)壓排載系統(tǒng)提出了更嚴(yán)苛的要求,不僅要滿足船級(jí)社規(guī)范要求,也要滿足附體總體設(shè)計(jì)要求,在此基礎(chǔ)上提高壓排載的效率適應(yīng)儲(chǔ)卸油功能和南海環(huán)境[4]。

“深海一號(hào)”的壓排載系統(tǒng)對(duì)此做出了多項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì),例如海水泵頂部注入壓載水、浮箱雙環(huán)網(wǎng)、液壓驅(qū)動(dòng)排載泵等,本文主要對(duì)這種適用與半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的新型壓排載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)展開(kāi)研究。

1 概 述

“深海一號(hào)”能源站船體部分為口字形環(huán)型浮箱結(jié)構(gòu)加4 個(gè)立柱組成,船體立柱加浮箱總高59 m,立柱尺寸為21 m×21 m,浮箱長(zhǎng)49.5 m。浮箱內(nèi)設(shè)置24個(gè)壓載艙,立柱內(nèi)設(shè)置4 個(gè)壓載艙、4個(gè)貨油艙,以及柴油艙、淡水艙、乙二醇艙和豎井通道,立柱周圍以隔離空艙包圍,防止撞擊破艙漏油,外形效果如圖1所示。

圖1 “深海一號(hào)”總體外形Fig.1 Appearance of Deep Sea No.1

下文中立柱命名為方位縮寫(xiě)。

立柱正下方的浮箱內(nèi)設(shè)置為泵艙,浮箱兩側(cè)設(shè)置壓載艙,中間為管弄,管弄中穿行管路和電纜。立柱內(nèi)壓載艙的作用為在儲(chǔ)卸油工作時(shí)調(diào)整整體傾斜,浮箱4個(gè)角的壓載艙容量適應(yīng)最大儲(chǔ)油量,在儲(chǔ)卸油工作前調(diào)整壓載容量,保證船體吃水在安全范圍。浮箱內(nèi)壓載艙保證船體最小吃水。

2 設(shè)計(jì)原則

壓排載系統(tǒng)是保障平臺(tái)安全運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng),它的作用是通過(guò)將壓載水注入或排出設(shè)置在船體內(nèi)的壓載艙,獲得平臺(tái)在各種工況下的穩(wěn)性,另外可以在假定破艙的情況下,使平臺(tái)恢復(fù)到安全吃水狀態(tài)。

對(duì)于半潛式生產(chǎn)平臺(tái)的壓排載系統(tǒng)設(shè)計(jì),按照船級(jí)社的相關(guān)設(shè)計(jì)要求[5-7]可總結(jié)為以下內(nèi)容:

(1)一般情況下,每一個(gè)壓載艙可以有2臺(tái)獨(dú)立的壓載泵進(jìn)行壓排載操作。

(2)壓載泵能在規(guī)定的3 h內(nèi),使平臺(tái)從最大操作吃水排載調(diào)整至強(qiáng)風(fēng)暴吃水或使平臺(tái)吃水減小4.6 m,兩者取較大者。

(3)系統(tǒng)在任意一臺(tái)壓載泵失效的情況下,能使平臺(tái)在假定破損狀態(tài)下重新恢復(fù)移位吃水或水平縱傾狀態(tài)。另外每一臺(tái)泵應(yīng)具有足夠的壓頭/容量特性和有效的吸入性能(NPSHr),確保在最大破損傾角的情況下泵的容量不小于額定容量的50%。

(4)當(dāng)平臺(tái)處于假定的破損狀態(tài)下要求至少有2臺(tái)泵能夠有效排空任意一個(gè)壓載艙。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與計(jì)算分析

3.1 系統(tǒng)的整體方案

壓載水系統(tǒng)取水方式按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在浮箱底部設(shè)置海底門,就需要在浮箱底部開(kāi)4個(gè)較大的孔,這樣就會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響,這在30年不回塢的總體設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下是不允許的。所以海底門方案不能滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。半潛式生產(chǎn)平臺(tái)上部組塊生產(chǎn)也需用大量海水,故整體取水方案設(shè)計(jì)為壓載水系統(tǒng)與上部組塊的海水系統(tǒng)共用海水泵,海水由足夠排量的海水泵提升海水至上部組塊后分成兩路,其中一路在上部組塊依靠重力和海水泵壓頭余量經(jīng)管網(wǎng)閥門控制選擇注入單個(gè)或多個(gè)立柱中的海水注入管線,并經(jīng)過(guò)閥門控制系統(tǒng)的控制選擇進(jìn)入壓載艙。

為提高系統(tǒng)的卸載快速性和靈活性,浮箱內(nèi)設(shè)置兩條環(huán)型壓載主管并列,環(huán)網(wǎng)連接各壓載艙注入和排出管線。這樣可極大地提高系統(tǒng)冗余度,相比單環(huán)網(wǎng)的設(shè)計(jì),當(dāng)主管或支管的閥門或管線損壞或需維修時(shí),系統(tǒng)仍能正常工作。且可同時(shí)對(duì)兩個(gè)或多個(gè)壓載艙就行壓排載或倒艙操作。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

3.2 排載泵的布置和計(jì)算

按照上述船級(jí)社規(guī)定,壓載泵要能在規(guī)定的3 h內(nèi),使平臺(tái)從最大操作吃水排載調(diào)整至強(qiáng)風(fēng)暴吃水或使平臺(tái)吃水減小4.6 m,兩者取較大者。

本項(xiàng)目最大載重吃水線為40 m,風(fēng)暴吃水須達(dá)到37 m,平臺(tái)從最大操作吃水排載調(diào)整至風(fēng)暴吃水僅需調(diào)整3 m,所以泵排量需按照調(diào)整吃水4.6 m計(jì)算。

調(diào)整壓載水量估算為Q=4.6×21×21×4=8 114.4 m3(估算4個(gè)立柱每個(gè)立柱長(zhǎng)寬為21 m×21 m),所以排載泵的總排量為Q/3 h=2704.8 m3/h。考慮設(shè)計(jì)余量3.5%可取總排量為2 800 m3/h,本項(xiàng)目設(shè)置有4×25%的排載泵,每個(gè)節(jié)點(diǎn)機(jī)械處設(shè)一臺(tái),單臺(tái)排載泵需求額定流量為700 m3/h。

除流量外,排載泵的揚(yáng)程也是本項(xiàng)目非常重要的參數(shù)。

立柱頂部要求壓力Pc=12.33 m(10.33 m大氣壓力+2 m 管阻)。

管線阻力損失Pf=13 m(1 m 泵管阻力損失+3 m 泵出口至立柱頂部管阻損失+9 m 泵前管線阻力損失)。

水位上壓力PI=10.33 m(大氣壓)。

壓載艙液位L1=0.2 m(假定最低液位)。

泵安裝高度差L2=1.2 m。

立柱頂部至管線最高處高差L3=1.7m。

泵吸入端至管線最高處高差Ps=59+L3=60.7(m)。

泵揚(yáng)程Pd=Pc+Ps+Pf+L2-PI-L1=12.33+60.7+13+1.2-10.33-0.2=76.7(m)。

即需求泵揚(yáng)程為76.7 m,加余量取整為80 m。計(jì)算結(jié)果可作為最終泵選型參數(shù)的參考值。

排載泵最終選型為液壓驅(qū)動(dòng)型,由各自立柱內(nèi)的液壓?jiǎn)卧峁﹦?dòng)力。相比其他類型常用的排載泵,例如離心泵、液壓浸沒(méi)泵,具有結(jié)構(gòu)緊湊、排量大、揚(yáng)程大、可無(wú)級(jí)調(diào)速、安全可靠且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作等優(yōu)點(diǎn)[8]。

排載泵接入雙環(huán)網(wǎng),各壓載艙通過(guò)閥門開(kāi)閉與環(huán)網(wǎng)連接。以上壓排載系統(tǒng)的布置滿足本文第2節(jié)設(shè)計(jì)原則第(1)條。

3.3 破艙分析

壓排載系統(tǒng)應(yīng)在發(fā)生破損并且有任意一臺(tái)泵失效的情況下重新使平臺(tái)恢復(fù)水平吃水狀態(tài)。另外,每一臺(tái)排載泵需要有足夠的揚(yáng)程和流量性能,在破損傾斜狀態(tài)下以50%的能力進(jìn)行排載操作。

通過(guò)破損穩(wěn)性模擬分析,在所有的破損和浸水情況下,隔離空艙SW4B在生產(chǎn)后期滿載狀態(tài)下發(fā)生破損浸水后,SW 立柱的吃水最大(見(jiàn)表1),SW立柱吃水最大可達(dá)到49.1 m。

表1 破損穩(wěn)性分析Tab.1 Analysis of damage stability

在這種情況下,要重新使平臺(tái)恢復(fù)水平狀態(tài),一些壓載艙需要排出壓載水,同時(shí)一些壓載艙需要加注壓載水。經(jīng)過(guò)穩(wěn)性模擬分析,NW1、W4、S2、SE1和SE3總共需要排載約3 149 m3(圖3中所示位置)。另外,NE3、N2 和E3 總共需要加載1 223 m3(圖3中所示位置)

圖3 壓載艙加載方案Fig.3 Loading scheme of ballast tank

壓載水由安裝在SE立柱外側(cè)的海水提升泵提升海水,而海水提升泵的吸口位置在10 m 吃水位置,在上述破損傾斜情況下可以滿足海水提升用于加載的要求。

為驗(yàn)證在最壞的工況下,排載系統(tǒng)能滿足每一臺(tái)泵應(yīng)具有足夠的壓頭/容量特性和有效的吸入性能(NPSHr),假設(shè)SW 立柱的排載泵不能操作,將使用相鄰的NW 立柱排載泵對(duì)W4壓載艙排載,SE立柱排載泵對(duì)S2壓載艙排載。排載泵的吸入能力體現(xiàn)在泵的NPSHa 即有效氣蝕余量上,如果NPSHa大于泵自身NPSHr,即必需氣蝕余量,就表明泵可以在相應(yīng)工況下工作[7]。

因船體傾斜導(dǎo)致的泵入口和壓載艙吸口之間的高度差分別為3.87 m 和4.57 m,如表2所示。

NPSHa=大氣壓(Ha)-入口高差(E)+靜水壓(Hh)-飽和蒸氣壓(Hvp)-管阻(Hf),表3(1 bar=105Pa=0.1 MPa,bar(a)為絕對(duì)壓力)為計(jì)算在排載泵在調(diào)載后壓載艙水位6 m 的工況下,泵的吸入能力有效氣蝕余量(NPSHa)的計(jì)算內(nèi)容。

表3 有效氣蝕余量計(jì)算Tab.3 Calculation of effective NPSH

同時(shí)對(duì)比排載泵性能曲線(圖4,曲線3 為在150 bar液壓驅(qū)動(dòng)力情況下泵的性能),結(jié)論為在排載泵驅(qū)動(dòng)液壓壓力為150 bar時(shí),排載泵流量為480 m3/h,NPSHr為5.6 m,最終調(diào)整艙內(nèi)水位在6 m 以上時(shí),有效氣蝕余量NPSHa大于泵自身必須氣蝕余量NPSHr,可以完成排載操作,且泵的排量大于額定流量的50%。

圖4 排載泵性能曲線Fig.4 Performance curve of discharge pump

設(shè)計(jì)原則第4條要求當(dāng)平臺(tái)處于假定的破損狀態(tài)時(shí)要求至少有2臺(tái)泵能夠有效排空任意一個(gè)壓載艙。這就要求排載泵不僅能對(duì)連接到泵所在機(jī)械處所的浮筒內(nèi)的壓載艙進(jìn)行排載,而且能對(duì)相鄰節(jié)點(diǎn)和立柱的壓載艙進(jìn)行排載。

因?yàn)楸卷?xiàng)目的排載泵為液壓驅(qū)動(dòng)離心泵,不同于其他電驅(qū)離心泵等類型的泵,只要液壓系統(tǒng)正常,液壓潛沒(méi)泵在浸水狀態(tài)下仍然可以正常運(yùn)行。以 節(jié)點(diǎn)處壓載艙為例,對(duì)應(yīng)機(jī)械處所的排載泵算一臺(tái)符合要求的泵,相鄰機(jī)械處所內(nèi)的排載泵在設(shè)計(jì)中作為另一臺(tái)按要求設(shè)置的泵。這其中最不利的工況如下:相鄰機(jī)械處所的排載泵對(duì)破損節(jié)點(diǎn)處的壓載艙進(jìn)行排載操作。以下為驗(yàn)證此不利工況下,泵的能力能否滿足要求。

在壓載艙滿艙狀態(tài)(9 m 液位),泵可以在額定流量下操作。隨著液位下降,當(dāng)有效氣蝕余量NPSHa接近或小于必須汽蝕余量NPSHr時(shí),泵吸入能力下降或不能抽吸壓載水,根據(jù)液壓離心泵的特性,這時(shí)需要下調(diào)驅(qū)動(dòng)液壓壓力,降低泵流量。表4為相鄰排載泵對(duì)節(jié)點(diǎn)艙不同液位的排載性能。

表4 相鄰排載泵對(duì)節(jié)點(diǎn)艙排載性能Tab.4 Discharging performance of adjacent discharge pumps on node tanks

對(duì)比泵流量-液壓壓力曲線圖(圖5,曲線3為在150 bar液壓驅(qū)動(dòng)力情況下泵的排量性能,曲線4為100 bar液壓驅(qū)動(dòng)力情況下泵的排量性能),在滿艙容狀態(tài),即9 m 液位到吸口最低液位0.2 m,排載泵在液壓壓力分別為235 bar、200 bar、150 bar和100 bar的情況下,NPSHa大于NPSHr,可以進(jìn)行正常排載操作。

圖5 泵流量-液壓壓力曲線Fig.5 Curve of pump flow-hydraulic pressure

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)船級(jí)社規(guī)范對(duì)柱穩(wěn)式半潛平臺(tái)的壓排載系統(tǒng)的要求,結(jié)合破損穩(wěn)性分析,詳細(xì)闡述了世界首例萬(wàn)噸級(jí)半潛式深水生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)的壓排載系統(tǒng)和排載泵的設(shè)計(jì)和分析計(jì)算過(guò)程,對(duì)其他柱穩(wěn)式半潛平臺(tái)的壓排載系統(tǒng)和排載泵的設(shè)計(jì)有很大的借鑒意義。