海上外輸軟管方案比選

李 飛，朱夢(mèng)影，程 濤，孔 冰

（1. 中海石油（中國）有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300459；2. 中海石油（中國）有限公司天津分公司渤海石油研究院，天津 300459）

在全海式海上油田生產(chǎn)系統(tǒng)中，處理后的合格原油通過海上漂浮輸油系統(tǒng)輸送至提油輪運(yùn)走[1]。海上漂浮輸油系統(tǒng)是由外輸泵、計(jì)量撬、漂浮輸油軟管和提油輪接收端組成[2]，海上漂浮輸油系統(tǒng)見圖1。外輸軟管是連接FPSO（Floating Production Storage and Offloading，即浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油卸油裝置）和提油輪之間收受貨油的通道，具有耐油性、抗拉性、彎曲性等特性[3-4]。

某油田FPSO外輸過程中，由于提油輪入口關(guān)斷閥意外關(guān)閉產(chǎn)生水擊，外輸軟管受到一定損傷，需要重新更換軟管。本文對(duì)廠家設(shè)計(jì)的三個(gè)軟管配置方案進(jìn)行比選，在保證外輸安全的前提下選擇合適的軟管配置方案和輸送策略，避免油輪入口關(guān)斷閥誤動(dòng)作造成損失。

圖1 海上漂浮輸油系統(tǒng)流程示意圖

1 外輸軟管基本信息

1.1 環(huán)境及原油參數(shù)

該海域年最低氣溫為?17.2℃，海水年最低表面溫度為0.53℃。

原油基礎(chǔ)物性見表1。

表1 原油基礎(chǔ)物性

原油組分參數(shù)見表2。

表2 原油實(shí)沸點(diǎn)蒸餾數(shù)據(jù)

1.2 外輸軟管系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)廠家提供數(shù)據(jù)，某FPSO外輸軟管系統(tǒng)設(shè)計(jì)有三個(gè)方案進(jìn)行比選（1根長度為10.7 m）。

（1）方案一（圖2），16″軟管的單路軟管系統(tǒng)。

（2）方案二（圖3），20″軟管和16″軟管構(gòu)成的單路軟管系統(tǒng)。

圖2 16″軟管的單路軟管系統(tǒng)示意圖

圖3 20″軟管和16″軟管構(gòu)成的單路軟管系統(tǒng)示意圖

（3）方案三（圖4），20″軟管和16″軟管組成的雙路軟管系統(tǒng)。

圖4 20″軟管和16″軟管組成的雙路軟管系統(tǒng)示意圖

1.3 外輸系統(tǒng)參數(shù)

（1）外輸軟管最大允許壓力為3000kPag，破裂壓力為7500kPag；

（2）20″軟管的絕對(duì)粗糙度為2 mm，16″軟管的絕對(duì)粗糙度為1.5 mm；

（3）軟管的楊氏模量為2.76×109Pa；

（4）總傳熱系數(shù)為5W/m2·℃；

（5）原油外輸泵最大輸送壓力為1498kPa；

（6）管道尺寸/內(nèi)徑及厚度見表3。

表3 管道尺寸、內(nèi)徑及厚度

2 軟件模擬及結(jié)果分析

2.1 模擬工具

本研究使用了OLGA V7.1，PVT Sim軟件，HYSYS軟件[5]。

2.2 流體包建立

由于實(shí)沸點(diǎn)數(shù)據(jù)TBP不能直接輸入到OLGA軟件中，需要先將其輸入到HYSYS軟件中，以獲取原油切割之后的組分和特性參數(shù)，將HYSYS軟件計(jì)算得到的模擬組分和特性參數(shù)，用于PVT Sim軟件，見圖5。

圖5 HYSYS軟件計(jì)算得到的虛擬組分和特性參數(shù)

由于HYSYS軟件計(jì)算出的物性參數(shù)與PVT Sim軟件中的烴類數(shù)據(jù)和摩爾量相近，因此液體密度、臨界溫度、臨界壓力及偏心因子等參數(shù)可使用HYSYS軟件計(jì)算出的虛擬組分替代（圖6）。

在PVT Sim軟件中，原油組分?jǐn)?shù)據(jù)見表4。

圖6 PVT sim最終虛擬屬性

表4 原油組分?jǐn)?shù)據(jù)

2.3 算例描述

（1）分成四個(gè)算例來進(jìn)行模擬計(jì)算

案例A研究在3800、4500和6000 m3/h外輸流量下，比選方案一外輸系統(tǒng)在油輪入口關(guān)斷閥關(guān)閉時(shí)的水擊壓力；案例B研究在3800、4500和6000 m3/h外輸流量下，比選方案二外輸系統(tǒng)在油輪入口關(guān)斷閥關(guān)閉時(shí)的水擊壓力；案例C研究在6000 m3/h外輸流量下，比選方案三外輸系統(tǒng)在油輪入口關(guān)斷閥一個(gè)關(guān)閉，另一個(gè)關(guān)斷閥打開情況下的水擊壓力；案例D研究在6000 m3/h外輸流量下，比選方案三外輸系統(tǒng)在兩路油輪入口關(guān)斷閥同時(shí)關(guān)閥時(shí)的水擊壓力。

（2）設(shè)置以下八個(gè)觀測(cè)點(diǎn)

P1為外輸泵頭的水擊壓力（圖1）；P2為軟管入口關(guān)斷閥前的水擊壓力（圖1）；P3為24″×20″變徑管前的水擊壓力（圖1）；P4為軟管上的水擊壓力（圖1）；P5為穿梭油輪處關(guān)斷閥水擊壓力（16″軟管的1#出口）（圖1、圖4）；P6為穿梭油輪處關(guān)斷閥水擊壓力（16″軟管的2#出口）（圖4）；P7為20″×16″變徑管前水擊壓力 （圖3）；P8為20″×16″變徑管后水擊壓力（圖3）。

（3）步長設(shè)置

時(shí)間步長設(shè)計(jì)為0.0001s。

2.4 方案一模擬分析

（1）建立OLGA模型

根據(jù)已知基礎(chǔ)數(shù)據(jù)建立OLGA動(dòng)態(tài)模型[6]（圖7），ESDCONTROLLER_1控制外輸軟管入口的關(guān)斷閥關(guān)斷，ESDCONTROLLER_2控制關(guān)斷生產(chǎn)儲(chǔ)油船上的外輸泵。穿梭油輪入口處的關(guān)斷閥關(guān)閥時(shí)間分別是2s（A-1案例）和16s（A-2案例）。FPSO出口關(guān)斷閥關(guān)閥時(shí)間是5s，不同外輸流量3800、4500和6000 m3/h下關(guān)閥觸發(fā)點(diǎn)分別為10、15和30bar（1bar=0.1 mPa），泵出口壓力為15bar時(shí)停泵，停機(jī)時(shí)間為1s。

圖7 方案一OLGA模型

（2）方案一結(jié)果匯總

方案一水擊研究結(jié)果見表5。

表5 方案一水擊研究結(jié)果

（3）結(jié)論

①對(duì)于案例A-1a/b/c，水擊壓力相對(duì)較高，最大水擊壓力（110bar）高于外輸軟管爆破壓力 （75bar），因此不建議流量為6000 m3/h；

②由于油輪入口關(guān)斷的關(guān)閉時(shí)間從2s增加到16s時(shí)，案例A-2a/b/c的水擊壓力顯著低于案例A-1a/b/c；

③穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下，外輸流量為6000 m3/h時(shí)泵出口壓力為22.1bar，大于泵出口最大壓力。

2.5 方案二模擬分析

（1）建立OLGA模型

在方案一模型的基礎(chǔ)上建立方案二模型（圖8）。穿梭油輪入口處的關(guān)斷閥閥關(guān)閥時(shí)間分別是2s（B-1案例）和16s（B-2案例）。FPSO出口關(guān)斷閥閥關(guān)閥時(shí)間是5s，不同外輸速度3800、4500和6000 m3/h下關(guān)閥觸發(fā)點(diǎn)分別為10、10和15bar。泵出口壓力為15bar時(shí)停泵，停機(jī)時(shí)間為1s。

（2）方案二結(jié)果匯總

方案二水擊研究結(jié)果見表6。

圖8 方案二OLGA模型

（3）結(jié)論

①與方案一相比，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)泵出口壓力降低了36%～48%，各參考點(diǎn)壓力變化趨勢(shì)與方案一相似，水擊壓力也有所降低，但幅度不大；

表6 方案二水擊研究結(jié)果

②2s關(guān)閉油輪閥門，外輸流量為4500 m3/h時(shí)，最大水擊壓力為70.7bar，小于外輸軟管爆破壓力（75bar），小于方案一同種工況下最大水擊壓力73bar；

③16s關(guān)閉油輪閥門，外輸流量為6000 m3/h時(shí)最大水擊壓力仍小于爆破壓力但大于外輸軟管最大允許壓力（30bar），外輸為4500 m3/h時(shí)最大水擊壓力小于外輸軟管最大允許壓力。

2.6 方案三模擬分析

（1）建立OLGA模型

在設(shè)計(jì)方案模型的基礎(chǔ)上建立比選方案三模型（圖9），穿梭油輪入口處的關(guān)斷閥關(guān)閥時(shí)間分別是2s（C-1D-1案例）和16s（C-2D-2案例）。FPSO出口關(guān)斷閥閥關(guān)閥時(shí)間是5s，外輸流量為6000 m3/h下關(guān)閥觸發(fā)點(diǎn)為15bar。泵出口壓力為15bar時(shí)停泵，停機(jī)時(shí)間為1s。

圖9 方案三OLGA模型

（2）方案三結(jié)果匯總

方案三水擊研究結(jié)果見表7。

表7 方案三水擊研究結(jié)果

（3）結(jié)論

①兩路油輪入口同時(shí)關(guān)斷閥時(shí)水擊壓力是油輪入口關(guān)斷閥一個(gè)關(guān)閉、另一個(gè)打開情況下的水擊壓力的3.5～5.2倍；

②兩路油輪入口同時(shí)關(guān)斷閥時(shí)最大水擊壓力小于爆破壓力但大于外輸軟管最大允許壓力。

3 結(jié)論

（1）方案二與方案一使用方法相同，快速關(guān)閥時(shí)方案一與方案二外輸量不能超過4500 m3/h。

（2）緩慢關(guān)閥外輸流量4500 m3/h下，方案二最大水擊壓力小于外輸軟管最大允許壓力，而方案一在緩慢關(guān)閥外輸流量3800 m3/h下，最大水擊壓力仍略大于外輸軟管最大允許壓力。

（3）方案三操作手法較前兩個(gè)方案復(fù)雜，油輪入口關(guān)斷閥一個(gè)關(guān)閉、另一個(gè)打開時(shí)，6000 m3/h下快速關(guān)閥最大水擊壓力仍小于外輸軟管最大允許壓力，兩路油輪入口同時(shí)關(guān)斷閥時(shí)最大水擊壓力小于爆破壓力但大于外輸軟管最大允許壓力。

（4）綜合操作性和安全性，選用方案二作為外輸軟管配置方案，外輸流量不超過4500 m3/h，使用時(shí)需要加設(shè)爆破片，防止油輪閥門快速關(guān)閉對(duì)外輸軟管的損傷。

（5）急速關(guān)閉時(shí)最大水擊壓力較緩慢關(guān)閉情況下高很多，所以外輸作業(yè)結(jié)束時(shí)應(yīng)該盡量緩開緩關(guān)，延長外輸軟管出口閥門關(guān)閉時(shí)間。