某深水半潛式生產(chǎn)平臺壓載系統(tǒng)配置研究

李仁科 于再紅 許婉瑩

（中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

半潛式生產(chǎn)平臺（Semi-submersible floating production system， Semi-FPS）是浮動(dòng)式海洋油氣生產(chǎn)平臺的一種，主要從事海上油氣生產(chǎn)性的開采、處理、貯藏、監(jiān)控、計(jì)量等作業(yè)，其主體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)組成［1］。半潛式生產(chǎn)平臺壓載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是平臺設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接關(guān)系到平臺的穩(wěn)性與安全。

1 壓載水系統(tǒng)的作用

壓載水系統(tǒng)的任務(wù)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(jìn)行各壓載水艙之間調(diào)駁，而在調(diào)駁過程中的關(guān)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(shí)根據(jù)載荷特性、船舶狀態(tài)等因素對壓載水進(jìn)行調(diào)節(jié)分配。壓載水系統(tǒng)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(shí)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(gòu)造比較特殊，由4個(gè)彼此聯(lián)通的橫梁結(jié)構(gòu)組成，橫梁的連接處向上設(shè)置有4根立柱，立柱與下浮體連接的四角分別設(shè)置一個(gè)壓載泵艙，通過在下浮體橫梁中間設(shè)置的管弄彼此聯(lián)通，管弄中穿行管路和電纜。

對半潛式生產(chǎn)平臺來說，設(shè)置壓載水系統(tǒng)的主要原則可歸納為：

（1）對平臺進(jìn)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(nèi)海水管路失效進(jìn)水傾斜的情況下，使平臺恢復(fù)到無傾斜和安全吃水狀態(tài)。

為達(dá)到該目的，半潛式生產(chǎn)平臺壓載系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：

（1）壓載系統(tǒng)具有在強(qiáng)風(fēng)暴來臨前使平臺從操作吃水迅速調(diào)整至強(qiáng)風(fēng)暴吃水的能力；

（2）壓載系統(tǒng)具有冗余性；

（3）壓載系統(tǒng)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(tǒng)具有失效保護(hù)的特性；

（5）壓載系統(tǒng)具有在假定破損或浸水（如泵艙、海水系統(tǒng)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(tǒng)可隨時(shí)獲得應(yīng)急電源；

（7）壓載系統(tǒng)具有遙控控制和就地控制能力［2］。

2 壓載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 壓載泵的布置與排量

為確保壓載系統(tǒng)具有足夠的冗余性，需要對壓載泵的具體型式與排量進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。壓載水的注入、排出以及各艙之間的調(diào)配，是通過自流或壓載水泵來實(shí)現(xiàn)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(jù)ABS MODU Rules 2012-4-2-4/13.1 和 CCS 海上移動(dòng)平臺入級規(guī)范2012-4/3.4.1要求：當(dāng)遭遇惡劣海況時(shí)，即風(fēng)力達(dá)到生產(chǎn)作業(yè)的極限條件，或平臺出現(xiàn)了不滿足穩(wěn)性要求的情況，或由于空氣間隙不足發(fā)生了波浪沖擊平臺甲板下側(cè)的情況時(shí)，就必須減小吃水使平臺處于對抵抗風(fēng)暴更為有利的風(fēng)暴保全工況。從作業(yè)工況轉(zhuǎn)為風(fēng)暴保全工況過程中，要求壓載泵能在規(guī)定的3 h內(nèi)，使平臺從最大操作吃水排載調(diào)整至強(qiáng)風(fēng)暴吃水或使平臺吃水減小4.6 m，取較大者。這意味著規(guī)范對壓載系統(tǒng)的壓載/卸載速率有一個(gè)快速性的強(qiáng)制要求。

ABS MODU規(guī)范2012-4-2-4/13.1章節(jié)以及CCS規(guī)范要求“壓載系統(tǒng)應(yīng)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(fù)到一個(gè)平衡位置和正常操作吃水或拖航吃水狀態(tài)”。

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

從規(guī)范要求中可以看出：如何在有效的時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換（控制）平臺狀態(tài)，以及如何合理、經(jīng)濟(jì)地配備壓載系統(tǒng)，是該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵；而如何解決平臺在假定破損狀態(tài)下至少有兩臺泵能夠有效地排空每一個(gè)壓載艙，以及平臺在規(guī)范允許的最大傾斜角破損工況下系統(tǒng)仍能正常吸入則是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的技術(shù)難點(diǎn)。

壓載泵設(shè)置臺數(shù)和布置，應(yīng)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(shí)滿足規(guī)范、規(guī)則的相關(guān)要求。為滿足以上要求，本平臺下浮體四角分別設(shè)置一個(gè)壓載泵艙，每個(gè)壓載泵艙內(nèi)設(shè)置兩臺壓載泵，兩個(gè)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(dú)立。相鄰的兩個(gè)泵艙通過管路連接，共同組成環(huán)管系統(tǒng)，在泵艙與管弄間的隔艙壁安裝隔斷閥，關(guān)閉隔斷閥則每個(gè)泵艙的壓載水系統(tǒng)可以相對獨(dú)立。

下浮體管理原理如下頁圖3所示。4個(gè)泵艙對稱分布，如果因?yàn)槠茡p等原因失去其中任一個(gè)泵艙，立即關(guān)閉管弄內(nèi)臨近浸水艙室的隔離閥，使壓載管路系統(tǒng)與浸水泵艙相隔離。此時(shí)啟動(dòng)任意泵艙內(nèi)的壓載泵，通過環(huán)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(guī)范關(guān)于“當(dāng)平臺處于假定的破損狀態(tài)下要求至少有兩臺泵能夠有效排空每一個(gè)壓載艙。這里的破損狀態(tài)包括含有壓載泵處所（泵艙）的破損工況。”的要求，且大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的生命力。同時(shí)在每個(gè)管弄內(nèi)的壓載水總管也設(shè)置有隔離閥，關(guān)閉該隔離閥，使得該管弄所連接的壓載水艙也可以分為獨(dú)立的兩個(gè)壓載系統(tǒng)，因而將環(huán)管的局部破損限制在更小的范圍內(nèi)。

圖3 下浮體管路原理圖

該平臺參數(shù)如下：

因而通過壓載系統(tǒng)從最大操作吃水排載至強(qiáng)風(fēng)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(yīng)在3 h內(nèi)完成，因而排水速率約為1 467 m3/h。

考慮一個(gè)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(jì)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(jì)算按最快設(shè)計(jì)流速下的管阻（最大管阻）情況進(jìn)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(shè)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(yīng)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(tǒng)控制

半潛式生產(chǎn)平臺壓載系統(tǒng)采用液位遙測和閥門遙控系統(tǒng)進(jìn)行遙控操作。

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

壓載系統(tǒng)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(guān)閉型式，控制系統(tǒng)失效時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉壓載艙進(jìn)出口閥門。

壓載系統(tǒng)是半潛式生產(chǎn)平臺的重要系統(tǒng)，壓載泵、液位遙測及閥門遙控系統(tǒng)均由主電源、應(yīng)急電源同時(shí)供電，應(yīng)急電源隨時(shí)可用；同時(shí)，液位遙測及閥門遙控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)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(tǒng)沿用了常規(guī)船舶的壓載系統(tǒng)設(shè)計(jì)，壓載水由壓載泵從泵艙的海底門經(jīng)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(tǒng)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(shè)置專門的壓載泵室，并且深井泵通過導(dǎo)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(cè)開設(shè)海底門?？筛鶕?jù)各個(gè)平臺自身特點(diǎn)，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(diǎn)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(chǎn)平臺壓載泵形式的選擇可參照上表根據(jù)平臺實(shí)際情況確定，本平臺下浮體為井字形結(jié)構(gòu)，各浮體結(jié)構(gòu)彼此聯(lián)通。根據(jù)下浮體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在四角布置泵艙，使管路呈環(huán)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(gè)壓載系統(tǒng)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(guī)范對平臺壓載系統(tǒng)可靠性的要求；同時(shí)由于主要壓載水艙均位于下浮體內(nèi)，從方便管路布置，減少海水管路長度，降低壓載系統(tǒng)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(zhì)較惡劣的海域工作的生產(chǎn)平臺，壓載系統(tǒng)濾器的清洗維護(hù)相對頻繁，此時(shí)需要考慮兩種壓載泵形式濾器維護(hù)更換的便利性；兼顧本文研究的生產(chǎn)平臺壓載系統(tǒng)初期投資和日后壓載泵自身維修的便利性和經(jīng)濟(jì)性，該平臺最終采用了泵艙泵式壓載系統(tǒng)。

這里需要指出：深井泵形式的壓載系統(tǒng)由于不需要設(shè)置泵艙，對于具有儲油功能的生產(chǎn)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(xiǎn)區(qū)域的壓載艙若采用泵艙泵作為壓載泵，則需要設(shè)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(xiǎn)區(qū)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(chǎn)平臺的壓載泵形式選擇與其貨油泵的選擇形式相關(guān)。目前國內(nèi)一些正在開發(fā)設(shè)計(jì)的具有儲油功能的生產(chǎn)平臺便采用了深井泵形式壓載系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

本文對深水半潛式生產(chǎn)平臺壓載系統(tǒng)的船級社規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行整理，以某深水半潛式生產(chǎn)平臺為例，對該平臺壓載泵的選型布置進(jìn)行研究，對各類壓載系統(tǒng)壓載泵的特點(diǎn)進(jìn)行分析和歸納。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)該平臺的結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，提出采用泵艙泵型式壓載系統(tǒng)布置方案，希望對同類型半潛式生產(chǎn)平臺壓載系統(tǒng)的研究有所裨益。