FPSO船體熱油加熱系統(tǒng)設(shè)計

張永發(fā)，云月勝，耿鳳康，王海宇

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

引言

FPSO（浮式生產(chǎn)儲卸油裝置）已成為當(dāng)今海上油氣田開發(fā)的主流裝備。海上油田生產(chǎn)的原油儲存于FPSO貨油艙中，并定期外輸?shù)酱┧笥洼?。FPSO貨油艙中的原油溫度降低會導(dǎo)致其粘度增大，從而影響正常的原油駁運、外輸?shù)冗^程，因此需配置加熱系統(tǒng)向貨油艙供熱，使艙內(nèi)原油始終保持在適當(dāng)?shù)臏囟取?/p>

1 FPSO加熱系統(tǒng)比選

目前常用的加熱系統(tǒng)按加熱介質(zhì)可劃分為以下三種：熱油系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)和蒸汽系統(tǒng)。三種加熱系統(tǒng)的特點對比如表1所示：

表1 常用加熱系統(tǒng)對比

通過對三種加熱系統(tǒng)的對比分析，可以看出，采用熱油系統(tǒng)加熱FPSO貨油艙最為合理。此種方式可以在較低壓力下提供最高的供熱溫度，加熱效率高，且系統(tǒng)安全穩(wěn)定。因規(guī)范要求加熱原油的介質(zhì)溫度不應(yīng)超過220℃[1,2]，所以FPSO熱油系統(tǒng)的導(dǎo)熱油供熱溫度一般設(shè)置為210℃。

在熱油系統(tǒng)中，熱油鍋爐及熱油循環(huán)泵等主要設(shè)施均布置于上部模塊區(qū)域，通過管路向上部模塊用戶和船體用戶供熱，本文只針對船體部分的熱油系統(tǒng)設(shè)計進行討論研究。

2 船體用戶熱耗值計算及加熱設(shè)備選型

2.1 熱耗量及加熱盤管長度計算方法

熱油系統(tǒng)的設(shè)計能力應(yīng)滿足FPSO在保溫、加熱等不同工況下的熱量需求，船體各用戶熱耗值的計算是合理匹配熱油加熱設(shè)備的前提。

1）貨油加熱所需熱量Q可按下式計算[3,4]：

式中：Q1為由于散熱損失的熱量；Q2為貨油升溫所需的熱量。

2）加熱時由于散熱損失的熱量Q1計算公式如下所示[3,4]：

式中：Q1為散熱損失的熱量，kW；G1為保溫條件下的熱油耗量，m3/h；Ai為艙壁面積，m2；Ki為艙壁傳熱系數(shù)，W/(m2.℃)；tm=t1+2×(t2-t1)/3為貨油平均溫度，℃； 為初始油溫，℃；t2為終止油溫，℃；t0為相鄰介質(zhì)溫度，℃；η為裝載系數(shù)；t3為導(dǎo)熱油加熱前溫度，℃；t4為導(dǎo)熱油加熱后溫度，℃；Sto為導(dǎo)熱油比熱，Kj/(kg. ℃)；ρto為導(dǎo)熱油密度，kg/m3。

格式特征是指電子郵件中除開標(biāo)題與正文的部分，格式特征由稱呼語、敬語、署名和書寫日期等組成。在研究中將格式特征劃分為內(nèi)模式與外模式兩種特征，其中內(nèi)模式指的是電子郵件中的稱呼語、作者署名以及書寫日期等除開正文之外的部分。而外模式指的是電子郵件中各段落出現(xiàn)的換行數(shù)，以及正文中出現(xiàn)的空格數(shù)?；谏鲜鎏攸c將格式特征劃分為表2所示的5種。

艙壁傳熱系數(shù)Ki按表2取值：

表2 油對相鄰艙壁的傳熱系數(shù)[W/(m2. ℃)]

3）貨油升溫所需的熱量Q2計算公式如下所示[3,4]：

式中：Q2為升溫所需的熱量， ；G2為升溫條件下的熱油耗量，m3/h ；t2為終止油溫，℃；t1為初始油溫，℃；V為艙容，m3；ρ為貨油密度，kg/m3；η 為裝載系數(shù)；S 為貨油比熱，kJ/(kg.℃) ；T 為加熱時間，h；t3為導(dǎo)熱油加熱前溫度，℃；t4為導(dǎo)熱油加熱后溫度，℃；Sto為導(dǎo)熱油比熱，kJ/(kg.℃) ；ρto為導(dǎo)熱油密度，kg/m3。

4）加熱盤管面積As采用如下公式計算[3,4]：

式中：Q 為加熱所需熱量，kW ；Ks 為加熱盤管傳熱系數(shù)，W/(m2. ℃) ；ts=(t3+t4)/2 為導(dǎo)熱油平均溫度，℃；t3為導(dǎo)熱油加熱前溫度，℃；t4 為導(dǎo)熱油加熱后溫度，℃；tm =t1+2×(t2-t1)/3 為貨油平均溫度，℃；t1 為初始油溫，℃；t2為終止油溫，℃。

5）加熱盤管長度L 的計算公式為[3,4]：

式中：As為加熱盤管面積，m2；D為加熱盤管外徑，m 。

2.2 工程設(shè)計實例

以服役于南海的某15萬噸級FPSO為例，其總長約256米，型寬約49米，型深約26.5米，設(shè)計吃水17.5米，船體艙室分布如圖1所示，熱耗量計算所需的基礎(chǔ)參數(shù)見表3～表9。

表9 保溫溫度

圖1 艙室分布

表3 溫度條件

表4 艙室加熱溫度及時間

表5 導(dǎo)熱油數(shù)據(jù)

表6 加熱盤管參數(shù)

表7 介質(zhì)密度

表8 介質(zhì)比熱

2.2.2 計算結(jié)果

根據(jù)以上數(shù)據(jù)并結(jié)合船體的尺度及裝載、吃水情況，可計算出FPSO各艙室在冬季保溫條件下所需的熱量、撤臺返回后重新加熱至保溫溫度所需的熱量以及在冬季洗艙工況下加熱污油水艙所需的熱量，如表10和表11所示。

表10 各艙室在保溫、加熱工況下所需的熱量及熱油流量

表11 洗艙所需的熱量及熱油流量

2.2.3 加熱設(shè)備選型

對于在液貨艙中分別布置有潛液泵的FPSO而言，大型的貨油艙一般使用位于主甲板上的甲板加熱器進行加熱，而艙容較小的污油水艙、生產(chǎn)水艙及燃油艙等則采用艙內(nèi)的加熱盤管加熱。

在選擇甲板加熱器功率時，應(yīng)在計算出的貨油艙加熱所需最大熱量的基礎(chǔ)上考慮約10%余量（如表12所示）。

表12 甲板加熱器功率

在計算污油水艙、生產(chǎn)水艙及燃油艙內(nèi)加熱盤管面積時，除應(yīng)用式（6）外，還應(yīng)滿足根據(jù)實際使用經(jīng)驗得出的加熱盤管面積和艙容的比R，如表13所示數(shù)據(jù)。

表13 加熱盤管面積與艙容比R

按最大供熱量Q和艙容比R分別計算出加熱盤管面積，并取大者，即可得出污油水艙、生產(chǎn)水艙及燃油艙內(nèi)的加熱盤管長度，見表14：

表14 加熱盤管長度

3 船體熱油系統(tǒng)設(shè)計

熱油系統(tǒng)屬于強制循環(huán)系統(tǒng)，由上部模塊將導(dǎo)熱油加熱后通過供油總管輸送至船體，再由甲板加熱器及加熱盤管將熱量傳遞給船體各用戶，換熱后的導(dǎo)熱油經(jīng)回油總管返回上部模塊進行重新加熱。

采用甲板加熱器的熱油系統(tǒng)原理如圖2所示，每一甲板加熱器的熱油供/回油支管分別與熱油供/回油總管相連，貨油艙內(nèi)的原油通過貨油泵輸送至甲板加熱器，經(jīng)加熱后自下艙管路返回貨油艙。為控制貨油艙溫度，在甲板加熱器的熱油供油管路上設(shè)置氣動溫控閥，通過加熱器原油側(cè)的進口溫度來控制閥門開啟程度。在加熱器的原油進口管路上設(shè)置安全閥，以防止管路超壓損壞甲板加熱器，保障系統(tǒng)安全。

圖2 熱油系統(tǒng)原理（甲板加熱器）

采用加熱盤管的熱油系統(tǒng)原理如圖3所示，加熱盤管分組布置于艙內(nèi)，其熱油供/回油支管分別與熱油供/回油總管相連。為控制艙內(nèi)溫度，在盤管的熱油供油管路上設(shè)置氣動溫控閥，溫控信號取自安裝在艙室內(nèi)的溫度傳感器。

圖3 熱油系統(tǒng)原理（加熱盤管）

熱油管路中的管、管件、法蘭、閥門及其他元件應(yīng)采用鋼質(zhì)或同等延展性材料制造，避免使用對熱油具有催化作用的有色金屬材料（如銅及銅合金)。熱油管路應(yīng)為焊接連接，檢查和維修用的法蘭接頭應(yīng)減少到最低限度，不允許使用螺紋連接[1]。

4 結(jié)束語

本文分析了熱油加熱系統(tǒng)存在的優(yōu)勢，結(jié)合工程實例，詳細闡述了FPSO在保溫、加熱、洗艙等不同工況下熱耗量的計算及加熱設(shè)備選型方法，并介紹了系統(tǒng)工作原理和設(shè)計要點，對FPSO船體熱油系統(tǒng)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。