海上浮式儲(chǔ)油裝置貨油輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(上海外高橋造船造船有限公司，上海 200137)

海上浮式儲(chǔ)油裝置是一種新型的原油儲(chǔ)存方式，與以往的陸上油罐和巖洞儲(chǔ)油方式相比，具有成本低、建造快、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)。然而到目前為止，世界上只有日本具有海上浮式儲(chǔ)油裝置的設(shè)計(jì)和使用經(jīng)驗(yàn)；越南曾經(jīng)試圖開發(fā)其海上儲(chǔ)油項(xiàng)目，但最終未能實(shí)施。

1 設(shè)計(jì)原則

以近海作為儲(chǔ)存海域，單一裝置儲(chǔ)存容積為60萬t作為目標(biāo)，采用雙殼雙底，雙道橫艙壁，設(shè)液貨艙6對(duì)及污油艙2個(gè)。儲(chǔ)油裝置主尺度如下。

總長(zhǎng) 359.00 m；

型寬 70.00 m；

型深 36.00 m；

結(jié)構(gòu)吃水 26.90 m；

貨油艙 12個(gè)；

污油水艙 2個(gè)；

儲(chǔ)油能力 600 000 t。

此外，考慮到海上浮式儲(chǔ)油裝置儲(chǔ)存的原油貨品產(chǎn)地不同，其物理性質(zhì)略有不同，所以貨油裝卸系統(tǒng)需要考慮同時(shí)裝卸3種不同貨油的工況，設(shè)計(jì)原則如下[1]。

1)根據(jù)儲(chǔ)存貨油的品種數(shù)量和容量的要求，配置貨油裝卸設(shè)備、設(shè)計(jì)裝卸系統(tǒng)。

2)力求縮短裝卸時(shí)間，使在合理范圍內(nèi)考慮適當(dāng)滿足特殊的使用要求。

3)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，力避繁復(fù)，使操作管理方便。

4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的機(jī)動(dòng)性。當(dāng)1臺(tái)泵、1根總管或支管發(fā)生故障時(shí)仍能進(jìn)行預(yù)定的裝卸作業(yè)。

5)裝卸管路的設(shè)計(jì)與碼頭或裝卸船舶的設(shè)備匹配。

2 貨油泵選型

2.1 貨油泵型式選擇

根據(jù)現(xiàn)有各大型原油運(yùn)輸船的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，離心泵是貨油泵的首選，應(yīng)用率較高，還具有以下的工作特點(diǎn)[1]。

1)排量大，流量連續(xù)均勻，工作平穩(wěn)，而且流量調(diào)節(jié)容易。

2)轉(zhuǎn)速高，可與電動(dòng)機(jī)或柴油機(jī)直接相連，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，尺寸和重量比同樣流量的往復(fù)泵小的多，價(jià)格也相對(duì)便宜。

3)對(duì)雜質(zhì)不敏感，易損件少，管理和維修比較方便。

4)泵的流量會(huì)隨排出壓頭的變化而改變。

此外，離心泵根據(jù)布置形式及驅(qū)動(dòng)方式也可被分為很多種。首先，根據(jù)布置形式的不同，離心式貨油泵可分為普通型、潛液型和長(zhǎng)軸深井型。它們具有各自不同的特點(diǎn)，適用的場(chǎng)合也不同[2]。其中，普通型離心泵需要設(shè)置在專用泵艙內(nèi)，貨油泵的數(shù)量只需滿足裝載貨油的油種數(shù)量即可；另一方面，各貨油泵之間可以相互備用。無論在經(jīng)濟(jì)性和以后的操作靈活性來說，都略勝一籌。

另外，離心泵的驅(qū)動(dòng)形式可分為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、透平驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)三種。目前，因?yàn)橥钙津?qū)動(dòng)具有安全性高、可以調(diào)速、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)，是大型原油運(yùn)輸船的首選方案。海上浮式儲(chǔ)油裝置的主要用途是儲(chǔ)存原油，日常定員較少，所以各類設(shè)備的操作和維護(hù)應(yīng)簡(jiǎn)單且快速。電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有功率損失較小、電纜布置容易、檢修方便的特點(diǎn)[3]。所以，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式只需要適當(dāng)提高發(fā)電機(jī)組的功率負(fù)荷，就可以大幅度降低蒸汽鍋爐的容量的設(shè)置，還省掉了動(dòng)力管系的敷設(shè)。特別是在以后維護(hù)保養(yǎng)方面，也非常簡(jiǎn)便易行。

根據(jù)上述對(duì)比分析，確定海上浮式儲(chǔ)油裝置的貨油泵使用由電機(jī)驅(qū)動(dòng)立式離心泵的方案。

2.2 貨油泵的數(shù)量和排量的計(jì)算

首先，貨油泵的數(shù)量應(yīng)按照裝載貨油的油種數(shù)量確定，每一種油品至少配一臺(tái)貨油泵。對(duì)中小型油船，如僅裝一種油品，至少應(yīng)配2臺(tái)貨油泵(根據(jù)具體情況有時(shí)也有配設(shè)3臺(tái)貨油泵)。對(duì)大型或超大型原油船，一般考慮能同時(shí)載運(yùn)3種不同油品?？紤]原油產(chǎn)地不同以及避免單泵過大造成的不利影響因素也有設(shè)計(jì)為3臺(tái)或4臺(tái)貨油泵[4]。

其次，貨油泵排量取決于油船卸油時(shí)間。根據(jù)一些大型石油公司慣例，總卸油時(shí)間一般為8～24 h，按照貨油泵的可選規(guī)格進(jìn)行調(diào)整。

貨油泵的總排量為

(1)

式中：qvp為貨油泵總排量m3/h;Gw為裝卸貨油總質(zhì)量，t；T為總卸油時(shí)間，h；ρco為貨油密度，取平均值0.85 t/m3;b1為貨油泵排出系數(shù)，取b1=1.1;b2為考慮掃艙在內(nèi)的時(shí)間系數(shù)，b2=1.1～1.2。

選配貨油泵時(shí)，泵廠所開列的排量計(jì)量單位是m3/h，以海水計(jì)量(海水密度為1.025 t/m3)。

海上浮式儲(chǔ)油裝置需要考慮儲(chǔ)存來自不同產(chǎn)地的原油，所以配置3臺(tái)貨油泵，因而可以同時(shí)裝載3種不同貨品，保證各貨油之間不相互含雜。

因海上浮式儲(chǔ)油裝置長(zhǎng)期停泊在近海，與最終岸基接收站距離較近。所以，儲(chǔ)存的原油最終會(huì)由阿芙拉型或蘇伊士型油船駁運(yùn)至目的港，因此，海上浮式儲(chǔ)油裝置貨油泵排量宜按照15萬t蘇伊士型油船的運(yùn)輸能力而定。

按相關(guān)公式計(jì)算，海上浮式儲(chǔ)油裝置單臺(tái)貨油泵的排量選取3 000 m3/h，共設(shè)3臺(tái)，卸貨時(shí)間為24 h。 此外，為了貨油艙內(nèi)殘油的清除，另設(shè)有1臺(tái)貨油掃艙泵，排量選取200 m3/h。

3 貨油裝卸管系的對(duì)比分析

貨油裝卸管系通常分為艙內(nèi)管系、泵艙管系和甲板管系。

3.1 艙內(nèi)管系

艙內(nèi)管系可分為線形總管式和環(huán)形總管式兩類。

1)線形總管式。原則上，每1臺(tái)貨油泵設(shè)置1根總管。按裝油配載要求(計(jì)及不同油種的裝載分布)從各總管引出支管至相應(yīng)油艙。

圖1所示為某油船的3線總管式艙內(nèi)管系圖。圖1中No.1總管服務(wù)于第1,3貨油艙(左右)，No.2總管服務(wù)于第2,5貨油艙，No.3總管服務(wù)于第4,6貨油艙(左右)。

圖1 3線總管式艙內(nèi)輸油管系示意

這種線形總管式管系布置簡(jiǎn)單，操作方便，隔離可靠。混油可能性小。但裝載油種的機(jī)動(dòng)性不高，適用于運(yùn)輸油種固定、運(yùn)量固定、航線固定的中小型油船。

2)環(huán)形總管式。為提高機(jī)動(dòng)性，可將2根線形總管首部相接，配以相應(yīng)閥門，即形成環(huán)形總管。對(duì)具有3臺(tái)貨油泵的船舶，可形成2個(gè)環(huán)形總管或3個(gè)環(huán)形總管。環(huán)形總管式機(jī)動(dòng)性好，但為避免油品混雜，需設(shè)置較多的隔離閥，操作管理較為復(fù)雜。某船的雙環(huán)總管式艙內(nèi)管系見圖2。

圖2 雙環(huán)總管式艙內(nèi)輸油管系示意

3.2 泵艙管系

泵艙管系見圖3。

圖3 泵艙管系示意

泵艙管系設(shè)計(jì)滿足下列要求[5]。

1)各貨油泵的吸入管接至艙內(nèi)管系的各總管。各總管接入泵艙后，在泵艙艙壁處設(shè)置防火性隔斷閥。

2)各貨油管的吸入管應(yīng)相互連通，以便任1臺(tái)泵發(fā)生故障時(shí)，有其他泵代替工作。對(duì)不同油種的吸油總管，該連通閥上裝設(shè)雙道隔離閥。

3)各貨油泵的吸入端應(yīng)裝設(shè)濾器。

4)本海上浮式儲(chǔ)油裝置儲(chǔ)存的油品適用于3種不同油品，所以設(shè)置3臺(tái)貨油泵和相應(yīng)的3根貨油總管，并在各總管首部使用雙道蝶閥進(jìn)行隔離，行成環(huán)形總管式艙內(nèi)管系。這樣即可避免混油，又增加了各貨油艙之間進(jìn)行調(diào)撥的功能，還實(shí)現(xiàn)了貨油泵之間互為備用的要求，增強(qiáng)了海上浮式儲(chǔ)油裝置油品輸送的方便性和安全性。

3.2.1 甲板管系

貨油甲板管系接自貨油泵的排出管，由縱向總管、橫向總管及裝卸油站等組成。

1)縱向總管。自貨油泵排出管引出至船中部與橫向總管相連，在縱向管路上每隔15～30 m設(shè)置一只膨脹接頭。各管段的法蘭連接處采用導(dǎo)電原件進(jìn)行跨接，使管路與船體結(jié)構(gòu)間良好電連接。

2)橫向總管。引向兩舷的裝卸油站。

3)裝卸油站。貨油裝卸站的設(shè)計(jì)宜符合石油公司國(guó)際海事討論會(huì)(OCIMF)的推薦要求。

4)貨油管路尺寸的確定。貨油管的內(nèi)徑按貨油泵排量及管內(nèi)允許流速而定。貨油管內(nèi)的流速應(yīng)根據(jù)允許的壓力降來核算。貨油在管內(nèi)的流速還要特別考慮可能產(chǎn)生靜電的影響。

根據(jù)上述要求，本海上浮式儲(chǔ)油裝置的甲板管系布置需要滿足船對(duì)船接收或駁運(yùn)原油的要求和裝卸3種不同油品的要求。所以貨油裝卸總管布置在海上浮式儲(chǔ)油裝置的船舯部，且裝卸總管的數(shù)量也按照石油公司國(guó)際海事討論會(huì)(OCIMF)的推薦設(shè)有3根。

另外，海上浮式儲(chǔ)油裝置的貨油總管通徑要滿足裝/卸載原油的速率要求?？紤]到海上浮式儲(chǔ)油裝置接收貨油的最大船型為超大型原油船VLCC，卸載的最大船型為15萬t級(jí)的蘇伊士油船，其貨油總管的通徑應(yīng)照超大型原油船VLCC的貨油泵排量確定，目前最大的超大型原油船VLCC的貨油泵排量為5 500 m3/h，總管通徑為736 mm。

4 設(shè)計(jì)方案

首先，本貨油輸送系統(tǒng)設(shè)置的貨油泵可在24 h內(nèi)卸載浮式儲(chǔ)油裝置儲(chǔ)存的所有貨油。貨油泵安裝在泵艙內(nèi)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在機(jī)艙內(nèi)，通過傳動(dòng)軸連接，傳動(dòng)軸通過機(jī)艙平臺(tái)處裝有氣密隔爆填料函，以保證機(jī)艙與泵艙之間互不通氣。貨油泵的具體參數(shù)見表1。

表1 貨油泵參數(shù)表

其次，本貨油輸送系統(tǒng)設(shè)有3根輸油總管，將14只貨油艙和2只污油艙分為3組，滿足同時(shí)裝卸3種不同物理性質(zhì)貨油的要求。具體貨油艙分隔情況見表2。

表2 貨油艙分隔表

最后，本貨油輸送系統(tǒng)的最大裝載速率以VLCC為對(duì)象取16 500 m3/h，每一貨油注入管允許最大裝載速率為5 500 m3/h；貨油最大卸載速率以蘇伊士油船為對(duì)象取9 000 m3/h，每一貨油注入管允許最大卸載速率為3 000 m3/h。經(jīng)計(jì)算，裝油時(shí)貨油注入總管流速約為3.5 m/s，卸油時(shí)貨油總管流速約為2 m/s。

本貨油輸送系統(tǒng)3根貨油總管通過濾器和真空收集裝置后接至相應(yīng)的貨油泵，在泵艙和貨油艙內(nèi)的貨油總管之間設(shè)有隔離裝置，形成環(huán)形總管。必要時(shí)，打開隔離裝置后接通各總管，各臺(tái)貨油泵就可互為備用，卸盡裝置中儲(chǔ)存的所有貨油。

5 結(jié)論

本海上浮式儲(chǔ)油裝置貨油輸送系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)是以超大型原油船和蘇伊士型原油船貨油輸送系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合了本身使用要求，既符合船級(jí)社規(guī)范和規(guī)則；又借鑒了各大石油公司的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，可滿足海上浮式儲(chǔ)油裝置的儲(chǔ)存和裝/卸油的要求。

將該海上浮式儲(chǔ)油裝置的貨油泵排量確定為3 000 m3/h，確保可以使用400 V電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在略微提高發(fā)電機(jī)組的功率負(fù)荷后，大幅度降低了燃油鍋爐的配置容量，既降低了設(shè)備配置成本，又方便日后的系統(tǒng)操作和維護(hù)。

該海上浮式儲(chǔ)油裝置擁用12個(gè)貨油艙及2個(gè)污油艙，設(shè)置3臺(tái)貨油泵及相應(yīng)的3根貨油總管，將所有的貨油艙進(jìn)行平均分配。其特點(diǎn)是裝卸油時(shí)，裝卸載的速率相對(duì)平穩(wěn)。且在貨油艙內(nèi)的3根總管相互連通，使得3臺(tái)貨油泵可互為備用，提高操作的安全性和可靠性。

此外，該海上浮式儲(chǔ)油裝置的貨油輸送系統(tǒng)也借鑒了EXXON MOBILE、OCIMF和SIGTTO規(guī)則的要求，達(dá)到了安全儲(chǔ)存和裝卸貨油的要求。

綜上所述，本海上浮式儲(chǔ)油裝置貨油輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可為實(shí)際項(xiàng)目的承接和建造提供直接的基礎(chǔ)準(zhǔn)備工作。