南海FPSO臺風(fēng)工況熱負(fù)荷分析及優(yōu)化

杜 佳

（中海油研究總院 北京 100028）

杜佳.南海FPSO臺風(fēng)工況熱負(fù)荷分析及優(yōu)化［J］.中國海上油氣，2015，27（6）：111-115.

熱站是FPSO必不可少的關(guān)鍵設(shè)備之一，根據(jù)不同服務(wù)海域環(huán)境條件，其規(guī)模及負(fù)荷組成特點不同。FPSO上熱站負(fù)荷分為上部設(shè)施的工藝處理流程熱負(fù)荷和船體本身各艙室的加熱維溫負(fù)荷兩部分，其中上部設(shè)施的工藝處理流程熱負(fù)荷與流程處理中的物流特性、處理量等有關(guān)，而FPSO船體本身各艙室的加熱維溫負(fù)荷又可分為在正常生產(chǎn)工況下和與環(huán)境條件有關(guān)的冬夏季艙室維溫負(fù)荷、洗艙時海水艙的加熱工況負(fù)荷（海水洗艙）等。對于運行在南海海域的FPSO來說，其特殊之處在于熱站規(guī)模分析時還要考慮因躲避臺風(fēng)停產(chǎn)撤離，在人員返回后恢復(fù)生產(chǎn)之前各艙室的重新加熱工況負(fù)荷（簡稱臺風(fēng)工況熱負(fù)荷）。表1列出了南海某油田開發(fā)項目中FPSO各工況下的熱負(fù)荷情況。

表1 南海某油田FPSO熱負(fù)荷組成Table 1 FPSO re-startup heat load analysis in an oilfield，South China Sea

南海海域已投入運行的FPSO熱負(fù)荷顯示，臺風(fēng)工況熱負(fù)荷相比正常生產(chǎn)工況、洗艙工況熱負(fù)荷都要大很多，以往南海海域多個項目中FPSO熱站規(guī)模實際由臺風(fēng)工況熱負(fù)荷的大小所確定。本文主要針對南海FPSO臺風(fēng)工況熱負(fù)荷特點進(jìn)行分析研究，目的在于合理降低熱站系統(tǒng)設(shè)備配置規(guī)模，減少系統(tǒng)設(shè)備投資，同時縮小不同工況下熱負(fù)荷的差值，使系統(tǒng)設(shè)備在不同工況下盡可能高效運行，從而節(jié)約熱介質(zhì)加熱爐的燃料成本，實現(xiàn)降本增效。

1 臺風(fēng)工況熱負(fù)荷分析

1.1 熱負(fù)荷組成

夏季南海海域經(jīng)常會遭到臺風(fēng)侵襲，臺風(fēng)級別達(dá)到一定程度時會對FPSO正常生產(chǎn)及人身安全造成不利影響，臺風(fēng)來臨前FPSO將停止生產(chǎn)，船上所有人員撤離；臺風(fēng)過后生產(chǎn)人員返回FPSO，重新開始正常生產(chǎn)作業(yè)。由于人員撤離前FPSO上包括熱介質(zhì)加熱系統(tǒng)在內(nèi)的所有系統(tǒng)均停止運行，避臺撤

1.2 主要因素分析

1.2.1 影響熱負(fù)荷的主要因素

式（1）中，無論是將冷卻的油品加熱至一定溫度所需熱量Q1，還是加熱過程中的散熱損失Q3，都與臺風(fēng)撤離期間油品冷卻過程的終了溫度，即恢復(fù)生產(chǎn)時的加熱初始溫度t初密切相關(guān)。以南海某15萬噸級FPSO的10個儲油艙為例，假設(shè)原油需加熱至60℃，加熱時間為48 h，初始溫度在析蠟點以上，則臺風(fēng)工況下該FPSO熱負(fù)荷隨初始溫度的變化情況如圖1所示。

由圖1可知，該FPSO儲油艙艙容及油品性質(zhì)確定后，在一定的加熱時間內(nèi)，臺風(fēng)工況加熱負(fù)荷只與加熱前后艙室溫度的變化有關(guān)，且溫差越大，加熱負(fù)荷也越大，即臺風(fēng)撤離期間艙室冷卻的終了溫度越低，返回后恢復(fù)生產(chǎn)所需的重新加熱負(fù)荷將線性增加。雖然終了溫度降低可降低油品加熱過程中的平均溫度，縮小平均溫度與艙室周圍介質(zhì)的溫度差，從而使加熱過程中的散熱損失隨著加熱初始溫度的離期間FPSO船體各油艙、生產(chǎn)水艙等所有艙室不再有外部熱源供熱維溫，各艙室均處于慢慢冷卻狀態(tài)，導(dǎo)致艙室溫度下降；人員返回后為恢復(fù)正常生產(chǎn)作業(yè)，熱介質(zhì)系統(tǒng)首先啟動運行，加熱生產(chǎn)水艙、貨油艙等使其達(dá)到一定溫度，這時的加熱總負(fù)荷Q總由以下幾部分組成：

1）將油品從撤離期間冷卻下來的溫度加熱到正常生產(chǎn)工況的維溫溫度所需熱量Q1；

2）如果撤離時間較長，導(dǎo)致油品溫度降到析蠟點或凝點以下，已有部分原油凝固，溶解這部分原油所需熱量Q2；

3）避臺返回復(fù)產(chǎn)前的各艙室加熱時間往往為48 h或更長［1］，在此加熱過程中散失到周圍介質(zhì)中的熱量Q3。

因此，加熱總負(fù)荷Q總可表示為降低而減少，但散熱損失減少的幅度遠(yuǎn)低于由于初溫降低使加熱負(fù)荷增加的幅度，因此，臺風(fēng)工況FPSO加熱總負(fù)荷受加熱初始溫度的影響較大。

莊子將死，弟子欲厚葬之。莊子曰：“吾以天地為棺槨，以日月為連璧，星辰為珠璣，萬物為赍送。吾喪具豈不備邪？何以加此？”弟子曰：“吾恐鳥鳶之食夫子也！”莊子曰：“在上為鳥鳶食，在下為螻蟻食，奪彼與此，何其偏也！”(《莊子·列御寇》)

圖1 臺風(fēng)工況下南海某15萬噸級FPSO熱負(fù)荷隨初始溫度的變化Fig.1 The variation of 150 000-ton FPSO re-startup heat load with initial cargo tank temperature after typhoon retreat，South China Sea

1.2.2 影響初始溫度的主要因素

1）船體結(jié)構(gòu)。船體儲油艙等艙室側(cè)面、底面被海水包圍，艙室頂部為上甲板。由于艙室溫度高于海水、空氣等周圍介質(zhì)溫度，在臺風(fēng)撤離期間艙室內(nèi)熱量通過艙壁散發(fā)。經(jīng)艙壁散失到周圍介質(zhì)中的熱量除與艙壁散熱面積、周圍介質(zhì)溫差有關(guān)外，還與儲油艙各艙壁的傳熱系數(shù)成正比，而儲油艙各艙壁的傳熱系數(shù)大小取決于船體的結(jié)構(gòu)型式、材料等［1］。

出于保護(hù)海洋環(huán)境安全和防止油污染的需要，雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)已成為FPSO的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計模式［2］，但是否采用雙層底結(jié)構(gòu)，規(guī)范中并沒有強(qiáng)制規(guī)定。對于服務(wù)于南海海域的FPSO，由于水深可達(dá)90～100 m，甚至更深，雖然對采用雙層底結(jié)構(gòu)并不是必須的要求，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，F(xiàn)PSO設(shè)計壽命較長，在設(shè)計之初就應(yīng)考慮到除在南海海域外，還會有在其他海域服務(wù)的可能，而在美國墨西哥灣為保護(hù)海洋環(huán)境，防止海洋污染，雙層船體已是強(qiáng)制性要求［3］，所以采用雙舷雙底結(jié)構(gòu)的FPSO對于艙室保溫更為有利。以避臺撤離時間3d為例，南海某15萬噸級FPSO采用雙層底結(jié)構(gòu)與單層底結(jié)構(gòu)相比，10個儲油艙平均溫度提高約0.7℃，臺風(fēng)工況加熱總負(fù)荷約降低1 000 k W。

2）避臺撤離時間。人員避臺撤離時FPSO熱介質(zhì)系統(tǒng)停止供熱，艙室處于逐漸冷卻狀態(tài)，隨著撤離時間的延長，艙室溫度從原維溫溫度降低到避臺返回后恢復(fù)生產(chǎn)時的初始加熱溫度，此時單位時間內(nèi)損失的熱量Q損為

式（2）中：τ為避臺撤離時間，s。

艙室損失的熱量通過艙壁散失于周圍介質(zhì)中。通過艙壁散失的熱量Q散為

假設(shè)在艙室冷卻過程中油溫處處均勻一致，且油品中無蠟析出，這時艙室損失的熱量與從艙壁散失的熱量相等，則由式（2）及式（3）可變換為為定值，因此避臺撤離時間τ的延長會導(dǎo)致艙室冷卻的最終溫度與撤離初期的艙室維溫溫度的差值越來越大。

3）艙容大小。在式（4）中，當(dāng)儲油艙液位越高即艙容越大時，油艙裝油量G也越大，雖然相應(yīng)的散熱面積F總也會有所增加，但F總與G的比值仍會變小，避臺撤離期間艙室溫度的變化也仍會減少。也就是說，艙容的增加會使臺風(fēng)工況初始加熱溫度升高。以南海某15萬噸級FPSO為例，10個儲油艙在60%、95%艙容條件初始加熱溫度的變化見圖2。

圖2 南海某15萬噸FPSO不同艙容對初始溫度的影響Fig.2 The influence of 150 000-ton FPSO tank capacity on initial temperature，South China Sea

對于特定的項目條件

由式（1）可以看出，將艙室溫度加熱到維溫溫度的加熱負(fù)荷與艙容成正比，艙容增加使加熱負(fù)荷相應(yīng)增加的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始加熱溫度升高使加熱負(fù)荷減少的幅度。同時，艙容增加意味著艙壁散熱面積的增加，也會使加熱期間的散熱損失Q3增大。圖3為艙容變化對南海某15萬噸級FPSO臺風(fēng)工況總加熱負(fù)荷的影響。

圖3 南海某15萬噸FPSO不同艙容對臺風(fēng)工況總加熱負(fù)荷的影響Fig.3 The Influence of 150 000-ton FPSO tank capacity on re-startup heat load after typhoon retreat，South China Sea

2 臺風(fēng)工況熱負(fù)荷優(yōu)化

上述分析表明，F(xiàn)PSO避臺返回后恢復(fù)生產(chǎn)時的艙室初始溫度是影響臺風(fēng)工況加熱負(fù)荷大小的關(guān)鍵因素，但初始溫度的確定又與海域的環(huán)境條件如海水、空氣溫度、臺風(fēng)遷移速度等客觀因素以及船體結(jié)構(gòu)、油品性質(zhì)等具體項目條件密切相關(guān)，因此臺風(fēng)工況熱負(fù)荷優(yōu)化至關(guān)重要。

2.1 優(yōu)化內(nèi)容

1）選取適宜的環(huán)境條件參數(shù)。臺風(fēng)期間FPSO所在海域的海水、空氣溫度越低，意味著艙室與外界介質(zhì)的溫差大，艙室散熱量將增大，恢復(fù)生產(chǎn)時的初始加熱溫度也就越低，即臺風(fēng)工況熱負(fù)荷增加。同樣地，避臺撤離時間也受當(dāng)?shù)睾Ｓ虻呐_風(fēng)遷移特點、遷移速度等環(huán)境條件影響，撤離時間選擇越長，臺風(fēng)工況熱負(fù)荷就會越大。因此，在臺風(fēng)工況熱負(fù)荷設(shè)計時應(yīng)盡可能準(zhǔn)確掌握相關(guān)基礎(chǔ)資料，合理選取環(huán)境參數(shù)。

2）選取適當(dāng)?shù)膫鳠嵯禂?shù)。南海海域環(huán)境溫度相對較高，艙室散熱速度較慢，特別是對于雙層雙底的雙體FPSO，在臺風(fēng)工況熱負(fù)荷設(shè)計時傳熱系數(shù)在可取范圍內(nèi)宜選擇較小值。

3）確定適當(dāng)?shù)募訜峤K了溫度。油田生產(chǎn)物流經(jīng)FPSO上部工藝處理設(shè)施處理成合格原油后儲存在船體儲油艙內(nèi)等待穿梭油輪外運，除要滿足雷德蒸汽壓力低于大氣壓力的條件外［4］，還要使油品保持一定的流動性。由于穿梭油輪自身配有加熱系統(tǒng)，一般FPSO儲油艙的維溫溫度取油品析蠟點以上5～10℃［5］。

FPSO避臺返回后恢復(fù)正常生產(chǎn)初期，艙室溫度變化的實際工況是新生產(chǎn)的原油入艙溫度較高，熱介質(zhì)加熱系統(tǒng)也已開始正常運行，艙室溫度處于逐步升高的過程。在這種情況下，在臺風(fēng)工況熱負(fù)荷設(shè)計時，如果艙室溫度已降到析蠟點以下，可以考慮只要加熱負(fù)荷能夠滿足溶解部分已凝固的原油的熱量需求即可，即適當(dāng)降低油艙加熱終了溫度，不必在恢復(fù)生產(chǎn)前就使艙室加熱到正常維溫溫度，這樣臺風(fēng)工況熱負(fù)荷就可以大大降低。

2.2 降低熱負(fù)荷的有效措施

1）撤離前適當(dāng)提高艙室溫度。為提高避臺返回后艙室的初始溫度，可在避臺撤離前適當(dāng)提高艙室的維溫溫度。如南海某FPSO項目中儲油艙的正常維溫溫度為60℃，但艙室加熱器及潛沒式原油外泵等艙內(nèi)設(shè)備設(shè)施的高溫關(guān)斷溫度設(shè)計值為75℃，正常生產(chǎn)工況下熱介質(zhì)加熱爐總會有1臺作為備用。因此，在滿足設(shè)計條件及外輸作業(yè)操作規(guī)程的前提下，避臺撤離前加熱相關(guān)艙室，將艙室溫度保證在正常維溫溫度或以上，以提高避臺返回后的艙室溫度，這種方法在現(xiàn)場操作上完全可以實現(xiàn)。

2）有區(qū)別地滿足不同艙室的加熱需求。FPSO避臺返回后恢復(fù)生產(chǎn)前的熱介質(zhì)系統(tǒng)用戶主要包括生產(chǎn)水艙、污油艙、燃油艙及儲油艙等，這些艙室的加熱也有優(yōu)先順序。例如，如果生產(chǎn)水是用作恢復(fù)生產(chǎn)前的海管加熱，可優(yōu)先對生產(chǎn)水艙進(jìn)行加熱，確保其熱負(fù)荷需求，為預(yù)熱海底管線做準(zhǔn)備，以保證盡快恢復(fù)生產(chǎn)；如果主電站機(jī)組是以原油為主要燃料，則燃油艙也要優(yōu)先加熱，以使原油燃料盡快替換柴油，節(jié)約燃料操作成本；而其他負(fù)荷如儲油艙等的加熱，可根據(jù)油艙實際溫度等具體情況而定。如果因氣候條件惡劣而使避臺撤離時間延長，造成加熱負(fù)荷較大時，則可采用這種方法，優(yōu)先保證重要用戶用熱需求，而對儲油艙等的加熱終了溫度要求再適當(dāng)降低。

3）減小油艙儲油量。雖然避臺返回后的艙室溫度將隨著艙容的減少而降低，但艙容的減少卻會大大降低艙室的加熱負(fù)荷需求?，F(xiàn)場實際操作經(jīng)驗是，臺風(fēng)來臨前只要時間允許，F(xiàn)PSO儲存的原油盡可能外運，減少臺風(fēng)期間FPSO原油裝載量。這樣做的目的雖然主要是出于安全性考慮，但間接的益處是也降低了臺風(fēng)工況熱負(fù)荷。

3 案例分析

以南海某15萬噸級FPSO項目為例，臺風(fēng)工況主要加熱用戶為儲油艙、生產(chǎn)水艙、污油水艙及燃油艙，采用雙層底結(jié)構(gòu)，其基本設(shè)計參數(shù)見表2。按照上述思路，對該FPSO避臺撤離時間及儲油艙加熱終了溫度進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化前后設(shè)計參數(shù)及熱負(fù)荷計算結(jié)果對比見表3。

表2 南海某15萬噸FPSO熱介質(zhì)用戶基本設(shè)計參數(shù)Table 2 Basic design parameter of 150 000-ton FPSO，South China Sea

表3 南海某15萬噸級FPSO優(yōu)化前后設(shè)計參數(shù)及熱負(fù)荷計算結(jié)果對比Table 3 The Comparison of design parameter and re-startup heat load before and after optimized of 150 000-ton FPSO，South China Sea

以往南海海域FPSO避臺撤離時間通常按5 d（120 h）考慮，經(jīng)與作業(yè)區(qū)相關(guān)人員了解，現(xiàn)場避臺、返回到恢復(fù)生產(chǎn)一般在3d左右，因此將避臺撤離時間優(yōu)化為3 d（72 h），這樣返回時艙室溫度提高了近3℃。原設(shè)計計算熱負(fù)荷時各艙室加熱終了溫度為日常的維溫溫度，而優(yōu)化后將儲油艙終了加熱溫度設(shè)定在高于原油析蠟點以上4～5℃，其他艙室維持原設(shè)計值不變，這樣優(yōu)化前后臺風(fēng)工況熱負(fù)荷降低了約1／3。另外，考慮到該項目主電站是以原油為主要燃料，優(yōu)化時適當(dāng)縮短了原油燃油艙的加熱時間，這部分負(fù)熱荷僅略有增加。

4 結(jié)束語

根據(jù)本文分析，通過優(yōu)化FPSO臺風(fēng)工況熱負(fù)荷來合理降低南海FPSO熱站配置規(guī)模是完全可行的，但計算臺風(fēng)工況熱負(fù)荷的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)如維溫溫度、初始加熱溫度、臺風(fēng)撤離時間等如何選取，還需要根據(jù)項目的具體情況如生產(chǎn)原油的油品性質(zhì)、服務(wù)海域的環(huán)境條件等因素綜合考慮。我們相信，F(xiàn)PSO處理能力和儲存規(guī)模越大，通過減小臺風(fēng)工況熱負(fù)荷來合理降低熱站系統(tǒng)設(shè)備配置規(guī)模所帶來的經(jīng)濟(jì)效益也將會越加顯著。

致謝：中海石油（中國）有限公司深圳分公司徐國發(fā)、吳奇林、周楊柳、陳小剛等在該文撰寫中提供了寶貴的現(xiàn)場操作經(jīng)驗，在此深表感謝！

［1］中國船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計實用手冊：輪機(jī)分冊［M］.北京：中國交通科技出版社，1999.

［2］International Maritime Organization.International convention for the protection of pollution from ships［S］.2006.

［3］金曉劍.FPSO最佳實踐與推薦做法［M］.東營：中國石油大學(xué)出版社，2012.

［4］國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.浮式生產(chǎn)儲油裝置（FPSO）安全規(guī)則［S］.2010.

［5］郭光臣，董文蘭，張志廉.油庫設(shè)計與管理［M］.東營：中國石油大學(xué)出版社，2006.