海上漂浮輸油系統(tǒng)流動保障分析

王彥瑞

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

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海上漂浮輸油系統(tǒng)流動保障分析

王彥瑞

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

摘要：儲油設施安裝在海上，通過穿梭油輪將原油直接運給用戶是常見的海上油田的儲存和運輸方式，液相管線在運行過程中，由于操作失誤或控制系統(tǒng)失靈，導致管道輸量突變或閥門急速關(guān)閉，穩(wěn)定狀態(tài)受到破壞，壓力發(fā)生瞬變，在管路內(nèi)出現(xiàn)“水錘”現(xiàn)象。水錘引起的水擊壓力，比正常的工作壓力要高出很多，所以應對管路內(nèi)可能出現(xiàn)水擊壓力的管段進行承受水擊壓力的核算。該文首先對最小時間步長進行了研究，闡述了最小時間步長研究的必要性，提出海上漂浮輸油系統(tǒng)流動保障分析最小時間步長敏感性分析這一概念。進行了管輸量對輸油系統(tǒng)安全的重要性研究，同時對其它參數(shù)的設定也做了大量的研究，發(fā)現(xiàn)管道的彈性模量、管道的壁厚、軟管入口閥門關(guān)閉時間/壓力及外輸泵關(guān)閉時間/壓力等亦有較大影響。

關(guān)鍵詞：海上輸油系統(tǒng)； 流動保障； OLGA模型

0引言

海上油田所產(chǎn)原油的儲存一般有兩種方式：(1)海上儲油：儲油設施安裝在海上，通過穿梭油輪將原油直接運給用戶；(2)岸上儲油：原油通過海底管道從海上輸送到岸上的儲油庫，然后再利用其他運輸方式運給用戶。浮式生產(chǎn)儲油輪和單點系泊裝置相連接形成海上輸油終端，是一種具備多種功能的浮式采油生產(chǎn)系統(tǒng)，適用于遠離陸地或不便于登陸的海上油田的開發(fā)。該海上漂浮輸油系統(tǒng)是由外輸泵、計量撬、漂浮輸油軟管和穿梭油輪接收端組成，海上漂浮輸油系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　海上漂浮輸油系統(tǒng)流程示意圖

1基礎數(shù)據(jù)

(1) 原油基礎物性

15℃時的密度：932 kg/m3；50℃時的運動粘度：87.66 cSt；100℃時的運動粘度：14.41 cSt。

(2) 原油餾分數(shù)據(jù)

原油餾分數(shù)據(jù)見表1。

表1　原油餾分數(shù)據(jù)

(3) 軟管參數(shù)

漂浮軟管各參數(shù)如圖2所示。

圖2　軟管數(shù)據(jù)

漂浮軟管的最大操作壓力30 barg，破裂壓力75 barg。

(4) 其它參數(shù)

由于一些數(shù)據(jù)沒有明確，所以參考相關(guān)資料，做出如下假設：

1) 16″軟管的絕對粗糙度是1.5 mm ；

2) 軟管的彈性模量是2.76×109Pa；

3) 總傳熱系數(shù)5 W/(m2·℃)；

4) 卸油軟管出口壓力130 kPa。

硬管和軟管的尺寸、壁厚見表2。

表2　硬管和軟管的尺寸、壁厚

2算例及結(jié)果分析

液相管線在運行過程中，由于操作失誤或控制系統(tǒng)失靈，導致管道輸量突變或閥門急速關(guān)閉，穩(wěn)定狀態(tài)受到破壞，壓力發(fā)生瞬變，在管路內(nèi)出現(xiàn)“水錘”現(xiàn)象。由于水錘引起的水擊壓力，比正常的工作壓力要高出很多，所以對管路內(nèi)可能出現(xiàn)水擊壓力的管段，應進行承受水擊壓力的核算。

有時為了簡便水擊計算公式，沒有考慮時間概念，是靜態(tài)的，描述的是出口閥門瞬間關(guān)閉，然而，實際操作過程中閥門的關(guān)閉需要一定的時間，其計算的結(jié)果過于保守，水擊壓力最大值也比動態(tài)計算的結(jié)果大。結(jié)果偏大會導致海管的設計壓力增高、壁厚增大、投資增大，在海洋工程中海管的投資占整個投資的較大部分。動態(tài)水擊計算，可以為設置水擊保護設備和海管出口閥門的選型做指導，設計壓力的降低，減小了壁厚，從而節(jié)約投資和運行費用。

(1) OLGA計算公式與理論計算公式

管路內(nèi)壓力波的傳遞速度a，可由Jaeger公式求得：

(1)

式中：γ0為管內(nèi)油流的容重，kg/m3；g 為重力加速度；β為管內(nèi)油流的體積彈性系數(shù)，β=0.95×108kg/m2；Di為管子內(nèi)徑，m；e為系數(shù)，e=1-μ2，其中μ為管材的泊松比；E為管線的彈性模量，Pa；t為管壁的厚度，m。

根據(jù)管線長度和管路內(nèi)壓力波的傳遞速度，可分為急速關(guān)閉和緩慢關(guān)閉兩種情況，根據(jù)不同情況分別計算水擊壓力。

1) 急速關(guān)閉時的水擊壓力

當閥門關(guān)閉時間T小于壓力波在管路內(nèi)往返一次所需要的時間，即T<2 L/a的情況，稱為急速關(guān)閉，其中L為計算管段長度。

在急速關(guān)閉時的水擊壓力一般按Joukowski公式計算：

(2)

式中：H為水柱，m；a為水擊波速，m/s；ΔV為速度變化，m/s。

(3)

式中：ρ為密度，kg/m3。

2) 緩慢關(guān)閉時的水擊壓力

(4)

式中：V為流體速度，m/s；L為管長， m；t為時間，s。

3) OLGA的水擊壓力

采用OLGA開發(fā)海管水擊動態(tài)分析技術(shù)計算水擊壓力，OLGA水擊計算公式與理論計算公式的關(guān)系如圖3所示。

圖3　OLGA水擊計算公式與理論公式的對比圖

從圖3中可以看出，非彈性管關(guān)閉時間很短時，OLGA的模擬結(jié)果與Joukowski的計算結(jié)果是相當?shù)摹Ｐ枰⒁獾氖?，OLGA模擬出的最大水擊壓力較理論計算公式Joukowski的要大。這是因為，當閥門完全關(guān)閉后管道上游流體繼續(xù)充裝，在閥門關(guān)閉之前，不考慮由于上游流體繼續(xù)充裝而引起的壓力增加。

(2) 建立OLGA模型

根據(jù)已知的基礎數(shù)據(jù)建立OLGA動態(tài)數(shù)值模型，ESDCONTROLLER_1控制漂浮軟管入口的關(guān)斷閥關(guān)斷，ESDCONTROLLER_2控制關(guān)斷生產(chǎn)儲油船上的外輸泵，OLGA模型截圖如圖4所示。

圖4　OLGA模型截圖

(3) 模擬工況

1) 最小時間步長研究

由于閥門關(guān)斷都是秒級的，所以OLGA中最小時間步長的設置尤為重要，該文對時間步長進行大量研究，摘取最小時間步長分別為0.1 s、0.01 s、0.001 s和0.000 1 s的結(jié)果如圖5～圖8所示，最小時間步長與最大水擊壓力對比見表3。

圖5　最小時間步長為0.1 s時，關(guān)斷閥處的水擊壓力圖

圖6　最小時間步長為0.01 s時，關(guān)斷閥處的水擊壓力圖

圖7　最小時間步長為0.001 s時，關(guān)斷閥處的水擊壓力圖

圖8　最小時間步長為0.000 1 s時，關(guān)斷閥處的水擊壓力圖

最小時間步長/s最大水擊壓力/bar0.1470.0157.90.00161.40.000161.4

從圖5～圖8中可以看出：最小時間步長0.1 s時，最大水擊壓力為47 bar，減小到0.000 1 s的時候，最大水擊壓力為61.4 bar，相差14.4 bar；最小步長為0.001 s，減小到0.000 1 s的時候，最大水擊壓力幾乎相等，所以選擇0.001 s作為最小時間步長，軟件運行的速度快，而且能保證計算精度。

2) 輸量研究

在進行該海上漂浮輸油系統(tǒng)動態(tài)分析的過程中，考慮到輸油效率、穿梭油輪周期、生產(chǎn)儲油船上外輸泵及單套計量設備的能力，確定輸量分別為3 800 m3/h、4 500 m3/h 和6 000 m3/h，同時考慮穿梭油輪上的關(guān)斷閥關(guān)斷時間分別為2 s和16 s，不同工況下穿梭油輪判斷閥關(guān)斷確定的方案見表4。

表4　不同工況下穿梭油輪關(guān)斷閥關(guān)斷確定方案

不同工況下沿管線關(guān)鍵點水擊壓力圖如圖9～圖14所示,動態(tài)模擬的結(jié)果見表5。

表5　動態(tài)模擬結(jié)果

對其它參數(shù)的設定也做了大量的研究，發(fā)現(xiàn)管道的彈性模量、管道的壁厚、軟管入口閥門關(guān)閉時間/壓力及外輸泵關(guān)閉時間/壓力等亦有較大影響。

圖9　Case A-1a 沿管線關(guān)鍵點水擊壓力圖

圖10　Case A-1b沿管線關(guān)鍵點水擊壓力圖

圖11　Case A-1c沿管線關(guān)鍵點水擊壓力圖

圖12　Case A-2a沿管線關(guān)鍵點水擊壓力圖

圖13　Case A-2b沿管線關(guān)鍵點水擊壓力圖

圖14　Case A-2c沿管線關(guān)鍵點水擊壓力圖

3結(jié)論

雖然OLGA軟件并沒有直接采用急速關(guān)閉時和緩慢關(guān)閉時的水擊壓力計算公式，但并不妨礙用急速關(guān)閉和緩慢關(guān)閉理論來解釋OLGA軟件的計算結(jié)果，隨著時間由0到足夠大的時間之內(nèi)，必然有一個由非彈性關(guān)閉到彈性關(guān)閉的轉(zhuǎn)變點，即急速關(guān)閉和緩慢關(guān)閉的轉(zhuǎn)變點。由此，可以得到以下結(jié)論：

(1) 隨著整個系統(tǒng)的增壓波和減壓波的相互作用，無論閥門是急速關(guān)閉還是緩慢關(guān)閉，最大的水擊壓力均出現(xiàn)在關(guān)斷閥門處。

(2) 無論是急速關(guān)閉還是緩慢關(guān)閉，前4個參考點的最大水擊壓力并沒有嚴格的規(guī)律，這是因為每個參考點的管徑、管壁厚、位差或管道的彈性模量都是不相同的，所以這些參考點的壓力不盡相同，沒有規(guī)律可循。第5個參考點，即管線出口閥門處，水擊壓力隨著流量的增加而增加。

(3) 當急速關(guān)閉、外輸量超過4 500 m3/h以上時，閥門處的壓力已經(jīng)接近或超過軟管的破裂壓力75 bar，故不推薦外輸量超過3 800 m3/h，且應在軟管入口處設置保護裝置；緩慢關(guān)閉時，流量從3 800 m3/h增大到6 000 m3/h，水擊壓力并未超過軟管的破裂壓力，但6 000 m3/h輸量時的水擊壓力已經(jīng)超過最大的操作壓力30 bar，故緩慢關(guān)閉時也不推薦流量超過4 500 m3/h。

(4) 急速關(guān)閉的最大水擊壓力較緩慢關(guān)閉的最大水擊壓力大的多，約2倍～4倍，所以建議在輸油作業(yè)結(jié)束的時候，盡量延長軟管出口閥門的關(guān)閉時間。

(5) 當急速關(guān)閉時，壓力有規(guī)律的波動隨即出現(xiàn)，水擊壓力高位運行；而當緩慢關(guān)閉時，起初壓力迅速升高，然后降低，有規(guī)律地波動出現(xiàn)，水擊壓力在低位運行。主要原因是急速關(guān)閉時，壓力波返回到出口閥門處，此時閥門已完全關(guān)閉，壓力波隨即展開衰減波動；緩慢關(guān)閉時，壓力波返回到出口閥門處，這時閥門并沒有完全關(guān)閉，已經(jīng)升高的壓力通過閥門傳遞到下游，壓力減小，閥門完全關(guān)閉后壓力波才展開衰減波動。

Dynamic Security Analysis of Offloading System on Offshore Oil Field

WANG Yan-rui

(Offshore Oil Engineering Co.， Ltd， Tianjin 300452， China)

Abstract：The means of oil storage facilities and shuttle tankers is frequently used on offshore oil field. The oil offloading system on FPSO consists of cargo oil pump, offloading piping, metering skid and offloading hose, the objective of this document is to carry out process study to find out the surge pressure of offloading system. In order to make sure that the time step is small enough, we analyze the minimum time step for the first time and the flowrate study is to carry out and others factors is considered in the study, for example the Young’s modulus of hose, the thickness of the pipe, the shutdown time of valve, the shutdown time of cargo oil pump and so on. But due to limited space, the study result of the factors is not including in the report.

Keywords：offloading system; dynamic security; OLGA model

中圖分類號:TE56

文獻標識碼：A

文章編號：1001-4500(2016)02-0039-10

作者簡介：王彥瑞(1981-)，男，工程師。

收稿日期：2015-01-04