FPSO 模塊設(shè)計標準化研究

王任眾，原睿奇，任鐵兵，劉 輝

（1. 大連遼南船廠，遼寧大連 116041；2. 中國船級社上海規(guī)范研究所，上海 200120；3. 中國船級社大連分社，遼寧大連 116013）

0 引言

浮式生產(chǎn)儲油船（FPSO）是集生產(chǎn)處理、儲存外輸及生活供應(yīng)于一體的海上浮式生產(chǎn)裝置，具有抗風(fēng)浪能力強、適應(yīng)水深范圍廣、儲/卸油能力大的特性。FPSO 具有復(fù)雜的油、氣處理模塊系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于深海和淺海海域及邊際油田的開發(fā)，但由于目前世界上針對FPSO 推出的設(shè)計方案較繁瑣，且其建造周期較長，因此處理模塊沒有形成標準化和系列化[1]。

本研究以某FPSO 模塊的母型資料為設(shè)計原型，結(jié)合布置要求、設(shè)備資料、舾裝件等信息[2]，針對4 種不同產(chǎn)能等級（表1）開展FPSO 油、氣處理模塊標準化設(shè)計及建造技術(shù)研究，可用于支持經(jīng)營報價、指導(dǎo)設(shè)計、建造和安裝。

本研究的主要研究內(nèi)容涉及原油分離工藝、伴生氣壓縮脫水工藝、工藝模塊設(shè)備布置以及工藝模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計。

表1 工作范圍分級表

1 模塊設(shè)計標準化

1.1 原油分離工藝

用于海上原油分離的工藝主要分為一級分離、二級分離和深度分離。一級分離主要是對原油進行初步脫水，將含水率降至5%；二級分離是對一級分離后的原油的進一步處理，將含水率降至1%左右；利用原油電脫水器對海上原油進行深度分離處理。本研究工藝適用于來液壓力為1.5 MPa～2.5 MPa，溫度為35℃～50℃的原油，生產(chǎn)液處理量為8 000 m3/d～ 10 000 m3/d。

圖1 所示的工藝流程分為3 塊：一級分離器及相關(guān)、二級分離器及相關(guān)、電脫水器（深度分離）及相關(guān)。一級分離需進行一級加熱、去水處理、廢氣處理；二級分離需進行二級加熱、去水處理、廢氣處理；電脫水處理需進行原油冷卻。

圖1 海上原油處理工藝流程圖

由于大型沉降罐沉降時間長，占地面積大，不適合用于對空間要求較高的海洋平臺，實際中常選用三相分離器作為一級分離和二級分離的主要設(shè)備。通過對三相分離器計算流體動力學(xué)（CFD）仿真計算，綜合比較三相分離器內(nèi)不同區(qū)域的相分布云圖、流線圖和跡線圖，可以對三相分離器的分離效果進行綜合評定。

根據(jù)不同的工況，進行工藝模擬（HYSYS）計算，確定設(shè)備及管系的工藝尺寸，形成標準化、系列化的參數(shù)信息。

用于海上原油分離工藝的整體流程如圖1 所示，對于具體的工藝流程的工藝計算，需要根據(jù)實際情況，利用流程計算軟件，對流程中每個節(jié)點的工藝參數(shù)進行計算和校核，以便給后續(xù)設(shè)備工藝設(shè)計和選型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。原油分離工藝的研究數(shù)據(jù)，為報價時是否滿足目標油田的技術(shù)參數(shù)提供參考。

1.2 伴生氣壓縮脫水工藝

隨原油一起采出的伴生氣，含有飽和水蒸氣及其它氣體，如H2S 和CO2等。其處理過程是將分離器分離出來的氣體進行收集、分離凈化和外輸。對于廢氣或不符合標準的氣體，進行放空或火炬燃燒處理。一般伴生氣處理過程包括壓縮、脫水、脫硫、脫酸和除汞等環(huán)節(jié)。本研究探討壓縮和脫水兩種工藝。

伴生氣壓縮及脫水標準工藝流程：根據(jù)伴生氣的壓力大小，將壓縮系統(tǒng)分為低壓及高壓兩個系統(tǒng)。低壓系統(tǒng)將分離出的伴生氣（壓力0.054 MPa，溫度25℃）增壓至0.85 MPa；高壓系統(tǒng)將低壓系統(tǒng)分離出的伴生氣增壓至14.25 MPa。伴生氣脫水方法有低溫分離、溶劑吸收、固體吸附和膜分離法，本研究采用甘醇吸收法。

伴生氣處理系統(tǒng)管線布置圖標準化設(shè)計：針對表1 的4 種不同產(chǎn)能等級，使用HYSYS 等計算軟件，分別對不同介質(zhì)管線的流速、壓降進行計算，確定并優(yōu)化工藝管線的尺寸。

喘振是離心式壓縮機的一種固有現(xiàn)象，具有較大危害性，是壓縮機損壞的主要誘因之一。為避免喘振現(xiàn)象對壓縮機組的傷害，本研究通過動態(tài)分析，保證壓縮機入口有足夠的氣體，從而達到防喘振的目的。

1.3 工藝模塊設(shè)備布置

工藝模塊設(shè)備布置標準化研究主要包括設(shè)備選型、工藝模塊布置方案及合理性兩方面。

1）設(shè)備選型：根據(jù)工藝流程、技術(shù)指標、規(guī)范法規(guī)，參照相應(yīng)的設(shè)備性能參數(shù)，并考慮設(shè)備外形尺寸、重量等因素，對設(shè)備進行標準化、系列化的選型。如對等級1，應(yīng)選取一臺低壓壓縮機和一臺高壓三級壓縮機。

2）工藝模塊布置方案及合理性：依據(jù)設(shè)備的重量及重心位置，工藝模塊通常采用分層布置，布置2 層～4 層，由下到上設(shè)備重量依次遞減?？紤]到高重心對設(shè)備內(nèi)液體震蕩的影響，需盡量減小工藝模塊的結(jié)構(gòu)尺寸及重量；并考慮操作、維護、吊運及通道的要求，使工藝模塊布置更加合理。工藝模塊設(shè)備布置標準化研究為報價時設(shè)備選型提供參考，在設(shè)備功能相近的情況下，布置緊湊、模塊重心低、重量輕、耗材少、成本低的工藝模塊是比較合理的選擇。

1.4 工藝模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)油、氣處理模塊布置，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、有限元分析、典型節(jié)點設(shè)計及強度計算等工作，選取典型疲勞熱點，應(yīng)用有限元分析軟件對結(jié)構(gòu)進行分析、校驗，并合理布置吊耳，以確保吊裝安全[3-4]。

1）結(jié)構(gòu)布置原則：考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計的標準化，按5 m 或6 個肋骨間距布置主結(jié)構(gòu)。

選擇高強度鋼（AH36）框架式鋼結(jié)構(gòu)作為主結(jié)構(gòu)，可以減少結(jié)構(gòu)重量、方便涂裝；進行斜撐、底部支撐的設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮主結(jié)構(gòu)與設(shè)備基座，避免結(jié)構(gòu)的過度加強；吊裝位置結(jié)構(gòu)應(yīng)做特殊考慮，通常吊耳應(yīng)布置在主結(jié)構(gòu)構(gòu)件相交位置，可以最大限度的承受吊裝載荷。

2）載荷確定原則：考慮工況及風(fēng)載荷的影響，模塊的載荷系數(shù)比船舶載荷系數(shù)的余量大，本研究的載荷系數(shù)選取原則如下所示：

（1）模塊自身重量：重力加速度垂向系數(shù)選取1.5，水平方向系數(shù)選取0.5；

（2）設(shè)備重量：按照設(shè)備濕重確定設(shè)備載荷，并加10%的重量安全系數(shù)。

3）局部強度：由于支座、吊耳及主結(jié)構(gòu)三者之間連接位置的應(yīng)力較大，局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件的尺寸需加大，以滿足強度和變形的要求。利用挪威船級社3D-BEAM 軟件進行結(jié)構(gòu)強度分析，可以快速高效的完成相應(yīng)工作。工藝模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計標準化研究，為報價時模塊重量估算提供參考，有利于成本控制。

2 關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

本研究涉及的關(guān)鍵技術(shù)：

1）FPSO 油、氣處理模塊工藝流程設(shè)計。通過HYSYS 計算軟件進行建模計算、分析，結(jié)合CFD的仿真設(shè)計評估，使工藝流程及設(shè)備配置更加優(yōu)化。

2）伴生氣壓縮工藝模塊防喘振回流管線設(shè)計。通過HYSYS 進行壓縮機動態(tài)模擬，結(jié)合喘振分析，可以通過采用增加回流管線來消除喘振的影響。

3）工藝設(shè)備尺寸及總布置優(yōu)化。通過對設(shè)備選取比例合理的尺寸，并結(jié)合低重心的要求、分層布置的特點，總結(jié)出模塊的尺寸隨重量變化的規(guī)律，方便報價。

本研究的創(chuàng)新點：

1）本研究覆蓋范圍：原油日處理量從2 萬桶到20 萬桶，伴生氣日處理量從120 百萬標準立方英尺到430 百萬標準立方英尺。形成了技術(shù)指標覆蓋面大的標準化、系列化的設(shè)計及建造技術(shù)。

2）對關(guān)鍵設(shè)備數(shù)量、參數(shù)及設(shè)備制造商的選擇，使材料使用更合理，模塊重量和尺寸更小，設(shè)備選型更加優(yōu)化，具備一定的經(jīng)濟性。

3 結(jié)論

本研究針對三相分離器的設(shè)計難點，反復(fù)論證CFD 模型的正確性；用軟件HYSYS 對工藝參數(shù)進行穩(wěn)態(tài)模擬計算，反復(fù)論證關(guān)鍵設(shè)備的工藝參數(shù)。

文章研究成果具備了配合原油分離、伴生氣壓縮模塊的經(jīng)營報價及預(yù)估項目成本的能力，可為類似項目的設(shè)計及建造提供參考，為材料的確定及采購、模塊的建造及吊裝等提供技術(shù)支持。本文掌握了工藝流程設(shè)計，打破了國外石油公司對FPSO 工藝設(shè)計的壟斷。