“海洋石油119號”FPSO海水取水系統(tǒng)方案研究

王文祥 白雪平 李 達 陳子婧 于邦廷

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

1 南海現(xiàn)有FPSO海水冷卻系統(tǒng)問題分析

海水冷卻系統(tǒng)是FPSO正常生產(chǎn)不可或缺的組成部分[1-2]，不僅用于電站、鍋爐、惰氣裝置、中央空調(diào)及其他機械系統(tǒng)的冷卻，而且可為工藝流程系統(tǒng)的正常運行提供不可缺少的冷卻介質(zhì)[3]。海水冷卻系統(tǒng)由海底門、通海閥、海水總管和海水泵組成，通常布置在FPSO機艙內(nèi)，冷卻的海水從機艙海底門經(jīng)海水總管通過冷卻泵供給用戶，因此，海水冷卻系統(tǒng)對FPSO的正常運行至關(guān)重要。然而，海水對系統(tǒng)管線和設(shè)備的腐蝕及海洋浮游生物對船底及海底門的侵蝕，使海水冷卻系統(tǒng)面臨極大的威脅。通常情況下，常規(guī)油輪在海上航行一段時間后會進塢檢修，而新建FPSO需連續(xù)作業(yè)至少10年，作業(yè)期間通常采用水下檢驗的方式替代進塢檢驗[4]。因此，F(xiàn)PSO存在檢修復(fù)雜且風(fēng)險高的問題。

南海新建FPSO包括“南海奮進號”“海洋石油111號”“海洋石油115號”“海洋石油116號”和“海洋石油118號”，機艙內(nèi)均設(shè)置了3個用于海水冷卻系統(tǒng)的海底門[8](圖1)。雖然這些FPSO在設(shè)計時考慮了水下檢驗與維修用的海底門封堵措施，但從全生命周期來看，存在很多無法保證潛水員安全和船體安全的情況：①南海海域水流速度大，封堵毯無法固定在海底門上，且其水下暗流也將威脅潛水員的生命安全；②通海閥尺寸很大，一旦海底門封堵毯出現(xiàn)異常，將會為油田生產(chǎn)及海上人員的安全帶來災(zāi)難性后果，即使采用雙道閥通海閥，也同樣存在著海底門第一道閥在檢驗和維修時封堵不上的情況；③南海海域海生物種類豐富且生長較快，一旦附著在海底門外側(cè)、管道和海水閥上，則極易造成海底門的結(jié)構(gòu)腐蝕、海水閥堵塞、無法關(guān)嚴和失效。

圖1 “海洋石油115號”FPSO海底門Fig .1 Underwater door of HYSY 115 FPSO

根據(jù)對現(xiàn)有南海FPSO海底門的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)除“海洋石油118號”FPSO外，其他幾個型號的FPSO在實際運營中均出現(xiàn)了不同程度的腐蝕，因此在塢修期間不得不更換海底門和通海閥等設(shè)備；“海洋石油118號”FPSO雖然腐蝕情況不嚴重，但由于其采用了特殊封堵蓋板的方法及船體表面的固定裝置來實現(xiàn)船外板的封堵，因此海底門內(nèi)單條管線或通海閥封堵不嚴的問題仍未得到徹底解決。

盡管機艙海底門取水是我國目前主流的FPSO海水冷卻系統(tǒng)方案，而且有著較高的技術(shù)優(yōu)勢，但近幾年來舷側(cè)邊艙取水方案以其特有的優(yōu)勢被越來越多國外的FPSO采用，也逐步被國內(nèi)海水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計所接納。

流花16-2/20-2/21-2油田群是中國海油在南海發(fā)現(xiàn)的第一個自營大型深水油田群，將采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)加FPSO的整體開發(fā)模式[5-7]，即通過單點實現(xiàn)井口物流傳輸至FPSO處理、儲存和外輸，通過海底電纜為新建的水下井口提供動力，通過臍帶纜為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供控制和化學(xué)藥劑注入，因此FPSO的正常運行對于流花油田群的安全開采至關(guān)重要。本文針對FPSO海水冷卻系統(tǒng)檢修復(fù)雜、風(fēng)險高的問題，以流花16-2/20-2/21-2油田群“海洋石油119號”(以下簡稱HYSY 119)FPSO為例，開展了考慮海水取水系統(tǒng)特點，并以全生命周期性和人員安全性為設(shè)計理念的FPSO海水取水系統(tǒng)方案研究。

2 HYSY 119 FPSO概況

根據(jù)流花16-2/20-2/21-2油田群的產(chǎn)量剖面和整體開發(fā)模式，在技術(shù)及經(jīng)濟性雙重比選下，該油田群考慮新建一艘15萬t級FPSO，即HYSY 119 FPSO，用于接收、處理油田群水下生產(chǎn)系統(tǒng)輸來的井流如原油等，之后通過FPSO實現(xiàn)儲存和外輸。因此，HYSY 119 FPSO是流花油田群開發(fā)生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)施。參考中國海油30余年的FPSO運營經(jīng)驗，結(jié)合南海油田的油品特性及環(huán)境條件(其所在區(qū)域水深420 m)，確定了HYSY 119 FPSO船體的主要設(shè)計參數(shù)及標準(表1)，其設(shè)計效果圖如圖2所示。

表1 HYSY 119 FPSO主要設(shè)計參數(shù)及標準 Table 1 Main design parameters and criterias of HYSY 119 FPSO

圖2 HYSY 119 FPSO設(shè)計效果圖Fig .2 Design sketch of HYSY119 FPSO

3 HYSY 119 FPSO海水取水系統(tǒng)方案比選

3.1 機艙海底門取水方案

目前由中國海油運營的17艘FPSO均采用機艙海底門取水方式。機艙海底門取水方案的總體思路是考慮將6～7個海水泵(通常為離心泵)放置于船體機艙內(nèi)，這些離心泵將海水從3個海底門抽取至FPSO的海水總管，再分配至船體和組塊的各用戶，如圖3所示。

3.2 舷側(cè)邊艙取水方案

舷側(cè)邊艙取水方案是最近幾年隨著潛沒泵技術(shù)的進步逐步發(fā)展起來的，其總體思路是考慮海水泵(通常為潛沒泵)布置于船體舷外或舷側(cè)邊艙內(nèi)，這些潛沒泵將海水抽取至FPSO海水總管，再分配至船體和組塊的各用戶，如圖4所示。

海水泵的布置有船體舷外側(cè)和舷側(cè)邊艙2種方式。布置于船體舷外側(cè)的方式基本不影響船體主甲板的布置，但需要使用結(jié)構(gòu)固定件，因而存在與供應(yīng)

圖3 機艙海底門取水方案的海水取水流程圖Fig .3 Flow chart of seawater intake systems from undersea door of engine room

圖4 舷側(cè)邊艙取水的海水取水流程圖Fig .4 Flow chart of seawater intake system from side ballast tank

船靠船沖突的風(fēng)險，另外也需要加強對護管的保護[9]。布置于舷側(cè)邊艙的方式可以避免布置結(jié)構(gòu)固定件及與供應(yīng)船碰撞的風(fēng)險，但舷側(cè)邊艙的布置會較為緊湊。從技術(shù)和安全的角度出發(fā)，采用舷側(cè)邊艙取水方式更符合中國海油 FPSO操作的實際需求。

3.3 取水方案的對比分析

機艙海底門和舷側(cè)邊艙取水方案的特點及優(yōu)勢對比如表2所示[10-11]。從表2可以看出，在設(shè)計理念、運行可靠性、維修便利性、系統(tǒng)經(jīng)濟性、全生命周期性能和人員安全性等方面，機艙海底門和舷側(cè)邊艙取水這2種方案特點不同且各具優(yōu)勢，但均可滿足海水連續(xù)、可靠的供給需求；然而在全生命周期性能和人員安全性這兩方面，舷側(cè)邊艙取水方案更加有利于保障人員生命安全及保持FPSO的作業(yè)安全。

表2 機艙海底門和舷側(cè)邊艙取水方案的對比Table 2 Seawater intake system comparisons between undersea door of engine room and side ballast tank

4 HYSY 119 FPSO海水用戶需求分析與取水系統(tǒng)方案配置對比

4.1 海水用戶需求分析

海水主要用于工藝介質(zhì)冷卻、設(shè)備冷卻、空調(diào)、沖洗設(shè)備及甲板等用戶，每個用戶的用水量根據(jù)實際需求來定。根據(jù)工藝處理流程及需求，HYSY 119 FPSO的海水主要用戶及其用量統(tǒng)計見表3。

表3 HYSY 119 FPSO海水冷卻系統(tǒng)主要用戶及用水量統(tǒng)計Table 3 Main users and water demand statistics of HYSY 119 FPSO cooling water systems

從表3可以看出，HYSY 119 FPSO的總體海水用量為3 592.7 m3/h，其中上部組塊用戶的海水需求量占FPSO總需用水量的72.1%。如果采用機艙海底門取水方案，則需在機艙內(nèi)布置6臺700 m3/h的主海水冷卻泵(離心泵)和1臺420 m3/h的輔助海水泵；如果采用舷側(cè)邊艙取水方案，則需在船體舷側(cè)布置3臺1 450 m3/h的主海水冷卻泵(潛沒泵)和1臺420 m3/h的輔助海水泵。

4.2 取水系統(tǒng)方案配置對比

根據(jù)以上對海水取水系統(tǒng)方案的總體思路和用戶系統(tǒng)的分析，將機艙海底門取水和舷側(cè)邊艙取水方案的配置加以總體對比，如表4所示。

表4 HYSY 119 FPSO海水冷卻系統(tǒng)方案對比Table 4 Comparisons of HYSY 119 FPSO cooling water systems

雖然中國海油在采用機艙海底門方面具有豐富的設(shè)計、建造和運營的經(jīng)驗，但采用該方案面臨潛在的停產(chǎn)和人員安全事故的風(fēng)險。 而采用舷側(cè)邊艙取水方案可以減少海水泵的數(shù)量，有效減小輸往上部模塊的大管徑輸水管線的長度、質(zhì)量和機艙的長度，避免海底門由于腐蝕或無法封堵導(dǎo)致的FPSO停產(chǎn)的風(fēng)險，以及由于潛水員水下誤操作而導(dǎo)致人員傷亡。

因此，在綜合比較海底門取水和舷側(cè)邊艙取水方案后，認為HYSY 119 FPSO采用舷側(cè)邊艙取水方案具有更好的技術(shù)性、經(jīng)濟性和安全性。

4.3 舷側(cè)邊艙取水方案布置與實施

目前HYSY 119 FPSO仍處于建造階段，計劃于2020年5—6月在海上安裝并服務(wù)于南海流花16-2/20-2/21-2油田群，是國內(nèi)首次在設(shè)計上采用舷側(cè)取水方式的浮式結(jié)構(gòu)物。基于HYSYS 119 FPSO的船體布置和上部組塊的布置空間需求，舷側(cè)邊艙取水方案的3臺主海水泵和1臺副海水泵均布置于右舷船中壓載水艙內(nèi)，并最大程度地減少與上部組塊的干涉及管線的長度；海水泵布置于吊機可以覆蓋并遠離排?？诘奈恢?，且保障海水泵吸入口在正常生產(chǎn)時不露出水面；每個海水泵均采用一個護管與船體相連，保證海水泵的操作安全。

考慮到FPSO在運營過程中需5年進行2次水下檢驗來替代塢檢，在進行海水泵區(qū)域的船體檢查時，出于安全因素的考慮，需停止運行該區(qū)域的海水提升泵；而海水提升泵作為全船海水水源，其停泵對生產(chǎn)及人員都會造成不便。為了保證潛水員的安全性及塢修期間不停產(chǎn)，可以考慮再增加一路從尾部消防泵出口至海水總管的管線，用于提供海水水源。

5 結(jié)論與建議

本文分析了南?，F(xiàn)有FPSO海水冷卻系統(tǒng)存在的問題，對HYSY 119 FPSO機艙海底門取水和舷側(cè)邊艙取水2種海水冷卻系統(tǒng)方案進行了對比分析，認為舷側(cè)邊艙取水方案具有較好的技術(shù)性和經(jīng)濟性，在人員安全和全生命周期生產(chǎn)方面更具優(yōu)勢?？紤]到FPSO在運營過程中需5年進行2次水下檢驗，為了保證潛水員的安全性及塢修期間不停產(chǎn)，建議考慮從尾部消防泵出口再單接一路管線到海水總管用于提供海水水源。