“海洋石油119”FPSO總體設(shè)計

劉海霞

(中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院,上海 200011)

南海油田開發(fā)模式以井口平臺+FPSO+穿梭油船為主,2002年,南海第一個新建FPSO“南海奮進號”投產(chǎn),自此油田開發(fā)即以新建FPSO為主,至2020年9月投產(chǎn)的“海洋石油119”(以下簡稱“本FPSO”),已有6個新建FPSO 投產(chǎn)服役。本FPSO所服役的流花16-2油田群開發(fā)是我國首個自主設(shè)計建造實施的全水下深水項目,本FPSO也是迄今為止國內(nèi)應(yīng)用水深最深、功能最復雜的FPSO。

流花16-2油田群工程開發(fā)方案:水下系統(tǒng)+FPSO,包括流花16-2油田、流花20-2油田、流花21-2油田的3套水下生產(chǎn)系統(tǒng),以及一座新建15萬t級FPSO,若干海底管道、海底電纜、臍帶纜。其中,FPSO帶電站、油氣水處理設(shè)施、公用系統(tǒng)及生活樓等,FPSO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、化學藥劑注入。

內(nèi)轉(zhuǎn)塔型FPSO的設(shè)計按照模塊、單點、船體3大系統(tǒng)分屬不同的專業(yè)公司,本文介紹該FPSO船體的總體設(shè)計技術(shù)和配置特點。

1 船型主尺度

本FPSO主要技術(shù)參數(shù)見表1,主尺度見表2。

表1 主要技術(shù)參數(shù)

表2 主尺度

本FPSO為15萬t級雙殼型FPSO,配置內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng),非自航、臺風期間不解脫,采用串靠尾輸油。

FPSO屬于容積型、布置型,容積型主要指FPSO的原油儲存等艙容需求,布置型主要指上部模塊、單點或多點定位系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施、人員居住等布置需求。其技術(shù)特征兼具油船和海洋工程的雙重屬性。

本FPSO無航速和快速性要求,船型為肥大型,線型簡單,生活樓在尾部,設(shè)置一層首樓以布置首部設(shè)備設(shè)施。尾部設(shè)呆木,舭部設(shè)間斷型舭龍骨。

本FPSO為單甲板雙底雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)。雙舷側(cè)為新建FPSO標準模式。關(guān)于單底或雙底的設(shè)置,不同于航行油船,規(guī)范并未強制要求FPSO設(shè)雙底。南海FPSO從“海洋石油118”開始設(shè)置雙底結(jié)構(gòu),本FPSO延續(xù)了這一典型特征。雙底結(jié)構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢:防底部碰撞破損、防污染,利于總縱強度、增加船體安全性,利于貨油艙保溫,平直內(nèi)底便于貨油艙洗艙、掃艙,便于從雙層底檢查構(gòu)件。

2 總布置

2.1 布置模式

本FPSO的總布置見圖1,分別為模塊甲板布置、艙內(nèi)布置、側(cè)視圖。根據(jù)功能劃分,其布置模式如下。

圖1 總布置

甲板布置,自尾至首依次是:尾輸區(qū)、生活樓、堆場、電站、熱站、計量模塊、油氣處理模塊、LPG儲罐、單點、火炬塔。

艙內(nèi)布置,自尾至首依次是:尾尖艙、機艙、隔離空艙、貨油艙、工藝處理艙、貨油艙、內(nèi)轉(zhuǎn)塔艙、首尖艙。

2.2 艙內(nèi)布置

本FPSO設(shè)置首尖艙、內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點區(qū)、貨油艙區(qū)、機艙和尾尖艙。貨油艙區(qū)設(shè)置:5對貨油艙、工藝處理艙組(2個污油水艙、2個生產(chǎn)水艙、1個預(yù)留艙)、5對專用邊壓載水艙。

貨油艙區(qū)采用雙殼結(jié)構(gòu),直線邊縱艙壁,其中一個貨油艙兼用不合格油艙。貨油艙、工藝處理艙采用深井泵,布置在各液艙內(nèi),無需設(shè)泵艙?；诎踩?貨油艙和機艙之間設(shè)隔離空艙。

工藝處理艙組設(shè)置的類別、數(shù)量、艙容等主要取決于工藝流程要求,本FPSO的工藝處理艙設(shè)置在貨油艙區(qū)中部,相較于設(shè)置在貨油艙區(qū)尾部,更利于工藝流程、管線布局,并可減小滿載工況時的靜水彎矩。

預(yù)留設(shè)置閃蒸原油燃油艙。目標油田生產(chǎn)前期伴生氣充足,采用伴生氣發(fā)電,配置燃氣船機。后期伴生氣不足時,加裝原油機組;FPSO自產(chǎn)原油進行閃蒸處理后,做為燃料油供主電站使用,該預(yù)留艙即用來儲存此類燃油。

FPSO的主電站在上部模塊,機艙內(nèi)并無主機,實際上只是機械設(shè)備間。柴油艙布置于機艙內(nèi),淡水艙布置于尾尖艙區(qū)域。兩個尾壓載艙同時兼用海水緩沖艙。

2.3 甲板布置

首樓甲板主要布置火炬塔、錨、系泊、拖帶設(shè)備、擋浪板等。油品伴生氣較多,火炬塔處理量較大,同時考慮到建造安裝的可行性,火炬塔為斜上向首、4支腿型?；鹁嫠c生活樓分別位于FPSO的首尾兩端,最大程度遠離,安全性較好。單點系統(tǒng)靠近船首,風標效應(yīng)較好。

上部模塊按功能進行分區(qū)布置,其布置順序重點考慮相對生活區(qū)的距離,越危險的模塊越遠離生活樓。生產(chǎn)設(shè)施的布置,盡量利用主導風向?qū)煔?、烴類氣體吹散,確保安全生產(chǎn)。模塊甲板距主甲板高度4.5 m,主要考慮管線布置、設(shè)備安裝與檢修、人員通行、油氣的自然擴散等。

貨油艙區(qū)主甲板布置要素多而雜,需綜合考慮、兼顧平衡,包括:模塊支墩、少量工藝設(shè)備設(shè)施、艙口蓋、人孔蓋、吊機基座、吊臂擱架、舷側(cè)海水泵、逃生通道、至上部模塊的梯道、系泊設(shè)施、救生筏、貨油艙高速透氣閥支架、直升機加油柜等。

生活樓布置在船體尾部,直升機甲板位于生活樓頂,生活樓與上部模塊之間設(shè)堆場區(qū)。生活樓在主甲板以上共6層,居住100人,其布置盡量使居住處所、辦公處所和服務(wù)處所相對分開,便于居住和辦公均不受干擾。根據(jù)2016版BV規(guī)范要求,生活區(qū)設(shè)置臨時避難所,這在南海新建FPSO也是首次,避難所滿足應(yīng)急控制、防火、正壓、救逃生等各項安全要求。

本FPSO的上部模塊、單點系統(tǒng)較為復雜,甲板布置緊湊,首樓甲板、尾部外輸區(qū)域尤為明顯,在設(shè)計中的綜合平衡難度更大。今后同類項目的前期設(shè)計,應(yīng)考慮到模塊和單點的多種不確定因素,預(yù)留空間宜充分。

3 總體性能

FPSO總體性能主要包括干舷、穩(wěn)性、運動性能、系泊性能等,系泊性能由單點設(shè)計方負責。

3.1 干舷

FPSO的船型和相關(guān)技術(shù)發(fā)展源于油船,為了最大化裝載量、運營經(jīng)濟性,油船采用A型干舷;油船改建FPSO、部分新建FPSO,同樣采用A型干舷,但也有相當多的新建FPSO采用B型干舷。

FPSO的主尺度取決于艙容、排水量需求、上部處理設(shè)施的布置要求、總體性能等綜合因素,各技術(shù)要素的權(quán)重不同于油船,特別是南海FPSO需考慮避免甲板上浪破壞上部模塊,FPSO干舷可能較大、有所富裕,采用B型干舷可滿足要求時即采用B型干舷,也表征了較高的儲備浮力和船體安全性。本FPSO采用B型干舷,滿足ICLL 1966/1988要求。

3.2 裝載與穩(wěn)性

裝載工況考慮建造、運營的全生命周期,包括空船、拖航、滿載、75%裝載、50%裝載、輕載、隔艙裝載、檢修等多種工況。由于FPSO兼具油船(OIL TANKER)和海上油氣勘探開發(fā)裝置(OFFSHORE)的特殊性,穩(wěn)性校核需要滿足多種公約和規(guī)范要求[1-5]。

3.2.1 完整穩(wěn)性適用規(guī)范

1)2008 IS CODE:穩(wěn)性基本要求。

2)2008 IS CODE:氣象衡準要求。

3)IMO MODU CODE 2009:海上油氣裝置要求。

4)MARPOL 73/78 ANNEX IREG.27:儲油船防污染要求。

3.2.2 破損穩(wěn)性適用規(guī)范

1)MARPOL 73/78 ANNEX I REG.28:儲油船防污染要求。

2)IMO MODU CODE 2009:海上油氣裝置要求。

3)ICLL 1966/1988:A型干舷要求。如果選用A型干舷,需按照ICLL破損要求增加核算穩(wěn)性;如果選用B型干舷,則不需要增加此破損穩(wěn)性核算。

本FPSO的線型設(shè)計、裝載與穩(wěn)性計算均采用NAPA軟件。各裝載工況下,浮態(tài)要求為船體平浮或略有尾傾;拖航工況時尾傾可稍大,避免埋首,但一般不超過船長的1%。經(jīng)核算,各工況的初穩(wěn)性、完整穩(wěn)性和破損穩(wěn)性均滿足規(guī)范要求。

3.3 運動性能

船型FPSO采用三維水動力理論分析運動性能,預(yù)報FPSO在波浪作用下的六自由度運動,考察其耐波性能。

以SESAM軟件為例,水動力分析流程和使用模塊如下:濕表面模型建立(PATRAN-Pre或GeniE模塊)→水動力分析參數(shù)定制(PREWAD或HydroD模塊)→傳遞函數(shù)計算(WADAM模塊)→短期統(tǒng)計預(yù)報(POSTRESP模塊)。

以Hydrostar軟件為例,水動力分析流程和使用模塊如下:濕表面模型建立(PATRAN模塊)→水動力分析參數(shù)定制、傳遞函數(shù)計算、短期統(tǒng)計預(yù)報(HYDSTAR模塊)。

運動性能分析采用Hydrostar,技術(shù)特點如下。

1)基于迎浪角分析進行運動響應(yīng)預(yù)報。

2)考慮貨油艙自由液面效應(yīng)對船體初穩(wěn)性高及固有周期的影響。

3)考慮舭龍骨的影響,應(yīng)用ITH公式計算橫搖阻尼。

4)考慮浪主控、風主控和流主控作用下的船體響應(yīng)。

5)考慮百年1遇臺風、百年1遇季風和拖航海況。

6)考慮正負15%的譜峰周期敏感性,計及譜峰參數(shù)的敏感性。

7)考慮上部模塊重量對運動性能的敏感性。

3.4 線型

FPSO非自航、無快速性要求,線型簡單,平行中體較長,方形系數(shù)較大(0.90～0.98)。30萬t級FPSO更是多采用方駁型。FPSO線型設(shè)計考慮要素:①耐波性能良好;②改善在位工況的系泊力、拖航工況的流阻力;③減少船首拍擊和甲板上浪;④降低靜水彎矩與剪力;⑤滿足排水量需求,平衡浮心、重心,保持滿載工況基本平浮略帶尾傾、且無需壓載水。

本FPSO沿用南海15萬t新建FPSO的簡單線型模式,方形系數(shù)0.902。

4 結(jié)構(gòu)型式

從船體重量輕量化出發(fā),雙層底及主甲板區(qū)域采用H32高強度鋼,其余區(qū)域采用船用低碳鋼。

全船主要采用縱骨架式,船尾局部外板、首部局部外板等局部區(qū)域采用橫骨架式。首部內(nèi)轉(zhuǎn)塔艙的下層甲板采用放射性布置骨架形式,以適應(yīng)內(nèi)轉(zhuǎn)塔形式和結(jié)構(gòu)加強要求。

貨油艙區(qū),強框肋位間距為4 150 mm,中縱艙壁左右兩側(cè)設(shè)置PMA通道,邊縱艙壁在貨油艙一側(cè)設(shè)置永久性出入通道,以便在整個壽命期間能夠?qū)Y(jié)構(gòu)進行必要的總體檢查、近觀檢查和厚度測量,該通道需符合MSC.133(76)號決議《檢驗通道技術(shù)規(guī)定》。

生活樓為全鋼制焊接結(jié)構(gòu)。生活樓甲板為縱骨架式,內(nèi)外圍壁均為垂向骨架形式。生活樓頂右后設(shè)置直升機甲板,直升機甲板按S-92機型設(shè)計,為縱骨架式,縱骨由縱橫桁材支撐并通過管架連接到生活樓。

5 壽命與防腐設(shè)計

本FPSO船體設(shè)計壽命30年,15年不進塢,防腐年限按15年設(shè)計。

1)油漆壽命不少于15年。

2)壓載水艙涂層滿足保護涂層性能標準要求(PSPC),即2006年MSC.215(82)號決議《所有類型船舶專用海水壓載艙和散貨船雙舷側(cè)處所保護涂層性能標準》。

3)壓載水艙、污油艙、工藝水艙及貨油艙底部設(shè)置犧牲陽極保護,保護年限按15年設(shè)計。

4)水線以下船體外板設(shè)有外加電流陰極保護(ICCP)。

6 主要設(shè)備配置

6.1 輪機系統(tǒng)配置

1)貨油和專用壓載系統(tǒng)。貨油和專用壓載系統(tǒng)選用浸沒式液壓驅(qū)動泵,分別設(shè)置在相應(yīng)液艙內(nèi),即10個貨油艙、污油艙、燃油艙、工藝水艙、專用壓載艙。

貨油泵每艙1臺,流量為800 m3/h,另設(shè)1臺應(yīng)急便攜式液壓驅(qū)動貨油泵。左右相鄰貨油艙設(shè)連通閥和管路,實現(xiàn)貨油泵互為備用。

設(shè)2臺專用壓載泵,分別布置在左右舷壓載艙內(nèi),流量為1 700 m3/h。專用壓載系統(tǒng)為環(huán)形總管設(shè)計,首壓載艙也接入總管,但尾部壓載艙不接入總管、另為獨立系統(tǒng)。

貨油泵及專用壓載泵共用的模塊式液壓動力單元,布置在艉部液壓泵艙內(nèi),最大可滿足6臺貨油泵、1臺專用壓載泵、1臺污油水艙污油泵、2臺工藝水艙泵、1臺工藝水艙污油泵和1臺污油水泵同時滿負載運行。

2)惰氣系統(tǒng)。惰氣系統(tǒng)由上部模塊的惰氣發(fā)生裝置供給,配置1臺煙氣式、9 000 m3/h,1臺燃燒式、8 000 m3/h。

3)海水系統(tǒng)?；谀虾PSO運營作業(yè)的工程實踐總結(jié),為避免海水門、通海閥等水下檢修的隱患,提高FPSO的運營安全性,本FPSO采用舷側(cè)潛沒泵型式的海水提升系統(tǒng),取代常規(guī)的海底門+機艙海水泵方案。海水泵布置在邊壓載艙內(nèi),配置情況:主海水提升泵3臺×1 450 m3/h,輔海水提升泵1臺×420 m3/h,主電站海水提升泵1臺×640 m3/h。

4)消防系統(tǒng)。配置柴油消防泵3臺×1 150 m3/h,艏部2臺、艉部1臺,各泵設(shè)在獨立的柴油消防泵間內(nèi)。

配置CO2滅火系統(tǒng)、FM-200滅火系統(tǒng)、甲板泡沫滅火系統(tǒng)、直升機甲板泡沫滅火系統(tǒng)、廚房濕化學滅火系統(tǒng)等各1套。

5)壓縮空氣系統(tǒng)。貫徹一體化設(shè)計原則,船體空壓機為模塊氮氣空壓機提供備用功能。配置儀表及雜用空壓機2臺1 050 m3/h。

6)機艙艙底壓載系統(tǒng)。配置艙底總用泵、排載泵、艙底泵、日用艙底泵各1臺。

7)柴油系統(tǒng)。配置柴油分油機1臺。

8)空調(diào)通風系統(tǒng)。居住區(qū)和控制區(qū)設(shè)中央空調(diào)系統(tǒng),生活艙室中央空調(diào)采用冷水機組+冷媒水泵+空調(diào)器,控制區(qū)域中央空調(diào)采用壓縮冷凝機組+空調(diào)器。

艙室機械通風選用船用離心風機、軸流風機、管道風機等。危險處所機械排風機以及布置在露天甲板上的風機,采用無火花型風機、防爆電動機。單點區(qū)域通風由單點方負責。

6.2 電氣配置

1)電站。按照南海新建FPSO工程慣例,主電站設(shè)在上部模塊,應(yīng)急電站設(shè)在船體。本FPSO的主電站和應(yīng)急電站均需同時為FPSO船體、模塊、單點和3個水下生產(chǎn)系統(tǒng)供電,應(yīng)急電源也作為基本工況下主電源及主電站“黑啟動”電源。主電站配置3臺10 MW、6.3 kV、50 Hz燃氣透平發(fā)電機組,應(yīng)急電站配置1臺1 600 kW、400 V、50 Hz柴油發(fā)電機1臺。

2)中控系統(tǒng)。上部模塊與船體的控制系統(tǒng)采用一體化設(shè)計,共用1套中控系統(tǒng),包括PCS(過程控制系統(tǒng))、ESD(應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng))和FGS(火氣探測系統(tǒng))3套獨立控制系統(tǒng),中控室布置在生活樓內(nèi)。本FPSO是油田區(qū)塊的唯一水面設(shè)施,FPSO中控系統(tǒng)也是油田區(qū)塊的控制中心,覆蓋船體、上部模塊、單點、3個水下生產(chǎn)系統(tǒng)。

3)配置不間斷電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)(內(nèi)部通訊系統(tǒng)、外部通訊系統(tǒng))等。

6.3 舾裝配置

1)艉輸系統(tǒng)。原油外輸、LPG外輸。原油外輸系統(tǒng)包括原油軟管系統(tǒng)、系船索系統(tǒng)、液壓單元、控制系統(tǒng)以及輔助設(shè)備,其中軟管卷車能力滿足16″×260 m雙層漂浮軟管;LPG外輸系統(tǒng)包括LPG軟管系統(tǒng)及控制系統(tǒng),其系船索系統(tǒng)、液壓單元、輔助設(shè)備與原油外輸系統(tǒng)共用,軟管卷車能力滿足8″×204 m雙層漂浮軟管。共用的服務(wù)吊機為8 t×18 m。

2)起重設(shè)備。主甲板設(shè)2臺主吊機,1臺電動吊機布置在貨油艙區(qū)甲板右舷尾部,1臺柴油吊機布置在貨油艙區(qū)甲板左舷中部,主要用于起吊工藝設(shè)備、供應(yīng)品等。吊機主鉤能力為30 t×20 m、10 t×42 m,吊機滿足船級社及API相關(guān)規(guī)范。艉輸區(qū)設(shè)小吊機服務(wù)于外輸?shù)茸鳂I(yè),機艙設(shè)單軌行吊。

3)錨設(shè)備。首樓甲板設(shè)置1套航行錨系統(tǒng),包括1只大抓力錨、385 m長錨鏈、1臺雙卷筒錨機。艏錨只是FPSO拖航中的應(yīng)急備用錨,不做為作業(yè)點的臨時或常態(tài)定位錨,配置可不受作業(yè)海域水深影響。

4)系泊設(shè)備。主甲板尾部設(shè)置1臺液壓系泊絞車,動力源由艉輸油系統(tǒng)液壓泵站一并提供。

5)拖帶設(shè)備。艏樓甲板設(shè)置2套拖帶設(shè)備,其中1套為備用。

6)救生設(shè)備。生活區(qū)左右舷各配置2艘可搭乘75人的全封閉耐火型救生艇,其中1艘兼做救助艇。生活區(qū)左右舷各配置6只25人救生筏,首樓甲板左右舷各配置1只6人救生筏。其他救生設(shè)備按規(guī)范要求配置。

7)護舷。供應(yīng)船旁靠系統(tǒng)采用橡膠塊,固定在船體外板上,集中在吊機附近的靠泊區(qū)。南海FPSO常配的靠球布置在主甲板,使用時需吊放、收回等繁瑣過程,現(xiàn)場一般不用,起不到保護船體的作用,故本FPSO改為固定在船體外板的橡膠塊做為護舷。

7 技術(shù)特征

本FPSO(流花FPSO)繼承了“海洋石油118”(恩平FPSO)的典型技術(shù)特征:雙殼型船體、30年設(shè)計壽命、BV和CCS雙船級、液壓潛沒泵、工藝處理類液艙位于船中等。同時,本FPSO基于油田的具體生產(chǎn)需求又有所提高。

1)主要指標實現(xiàn)突破。

作業(yè)水深達420 m,南海新建FPSO首次突破100 m水深范圍。

單點系統(tǒng)的復雜性及其對船體的要求大大提高:南海新建FPSO首次采用船體集成型內(nèi)轉(zhuǎn)塔型式(SIT),滑環(huán)總數(shù)超過恩平FPSO;對布置空間和排水量的需求較高,均大大超過恩平FPSO。

上部模塊規(guī)模明顯提高,具有貨油、LPG兩大處理與外輸功能,模塊作業(yè)濕重達16 500 t。

2)生活區(qū)設(shè)計要求提高。

南海新建FPSO首次設(shè)置臨時避難所。

干濕分離。統(tǒng)一規(guī)劃電氣設(shè)備處所,實現(xiàn)電氣類房間對其上部處所的干區(qū)要求。

定員不變,優(yōu)化壓縮生活樓規(guī)模。

3)采用海水提升泵系統(tǒng)。取消機艙海水門,避免海水門檢修的安全隱患,提高FPSO運營安全。

4)貨油系統(tǒng)采用進口+國產(chǎn)化方案。生產(chǎn)水艙、1個污油水艙的貨油泵及液壓系統(tǒng)采用國產(chǎn),其余為進口設(shè)備。為滿足國產(chǎn)化目標,貨油系統(tǒng)拆分為兩套系統(tǒng),冗余度提高。

5)貨油、LPG雙外輸系統(tǒng)。立足功能需求,兼顧經(jīng)濟性。僅軟管系統(tǒng)及控制系統(tǒng)各自獨立,系船索絞車、液壓單元、輔助設(shè)備、服務(wù)吊機等設(shè)備共用。甲板空間利用率提高,實現(xiàn)整體優(yōu)化設(shè)計。

6)基于油氣組分年限變化、油田長期生產(chǎn)規(guī)劃,預(yù)留燃料油艙。

7)界面設(shè)計更深入貫徹一體化設(shè)計原則,兼顧船體、上部模塊和單點用戶需求。

8 結(jié)論

本FPSO較好地完成了功能實現(xiàn)、安全保障、經(jīng)濟性的統(tǒng)一,原油高峰年產(chǎn)量可達420萬m3,其投產(chǎn)為南海東部油田實現(xiàn)2025年上產(chǎn)2 000萬t目標奠定了堅實的基礎(chǔ)。