恩平油田FPSO船體總體設計研究

童 波，倫玉國

(1.中國船舶工業(yè)集團公司第七O八研究所，上海 200011;2.中國海洋石油有限公司深圳分公司，廣東深圳 518067)

從1970年開始，在中東、非洲、東南亞一些海上油田開發(fā)中采用了FS和FSO，20世紀70年代中在歐洲開始出現(xiàn)FPSO。中海油采用FPSO開發(fā)近海油田始于20世紀80年代后期，1986年第一條由二手油船改裝成的FPSO命名為南海希望號，用于我國北部灣油田開發(fā)，這是我國海上油氣開發(fā)應用FPSO的開始。后續(xù)改裝或新建的南海發(fā)現(xiàn)號、南海盛開號、南海開拓號、南海勝利號、南海奮進號、海洋石油111、115、116等陸續(xù)在南海投入使用，渤海友誼號、長青號、明珠號、世紀號、海洋石油112、113、117等在渤海投入使用［1］。

恩平24-2 FPSO是中海油新建項目，其作業(yè)于南海珠江口盆地恩平凹陷，可抵御500年一遇臺風環(huán)境條件，采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊的浮式生產(chǎn)儲油裝置。該油田高峰年產(chǎn)油233萬方，F(xiàn)PSO液處理能力13 000方/天，水處理能力7 200方/天，油處理能力9 000方/天。油田開發(fā)工程設施包括一座8腿鉆采生產(chǎn)平臺，一艘FPSO及內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點系泊系統(tǒng)，以及海底管線和復合電纜。采用電潛泵人工舉升，井液在平臺上處理至30%含水后通過海底柔性軟管輸?shù)紽PSO進一步處理后儲存外輸，F(xiàn)PSO的電站除為自身供電外，還通過海底電纜為平臺提供動力，見圖1。

圖1 油田開發(fā)方案示意Fig.1 Oil development plan diagram

1 全船概述

恩平FPSO設計水深90 m，設計壽命30年，定員100人，單甲板雙層底雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)，設5對貨油艙、1對污油艙、1對工藝水艙、一個燃料油(原油)艙和6對專用壓載水艙，首尖艙后設置APL轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)。貨油泵和專用壓載泵均采用浸沒式深井泵，全船沒有泵艙，貨油艙與艉機艙間設隔離空艙，艏樓甲板設有火炬塔，擋浪板。工藝甲板高出主甲板中心4.5 m，由首至尾依次設置預留模塊3個，工藝流程模塊5個，熱站、電站、電氣設備間和堆場，生活樓和串靠外輸裝置位于船尾。主甲板設3臺甲板克令吊，供工藝設備維修及備品備件起吊用。業(yè)主根據(jù)恩平油田日產(chǎn)量，穿梭油輪噸位、卸油周期和緩沖天數(shù)等因素確定FPSO載重量為15萬噸，空船重量可結(jié)合類似船型數(shù)據(jù)，并考慮本船特殊性(例如500年一遇環(huán)境條件，雙層底型式，上部模塊預留重量等)初步確定，滿足船體排水量、艙容、總布置和性能要求的主尺度參數(shù)如下:

水線間長254 m，型寬48.9 m，型深26.7 m，設計吃水17.8 m，貨油艙容積176 000 m3，主電站雙燃料柴油發(fā)電機7 600 kW×6臺，應急發(fā)電機1 600 kW，外輸能力5 400 m3/h。恩平FPSO總布置如圖2所示。

FPSO主電站燃料采用原油和柴油，原油燃料艙位于船中，燃料油通過負壓閃蒸方式，去除油中輕組分，提高閃點至60度以上，以滿足主電站燃料油使用安全。FPSO惰氣系統(tǒng)操作時有兩種模式:煙氣模式和系統(tǒng)自帶1臺燃用柴油的惰氣發(fā)生器，煙氣條件合格時，優(yōu)先采用煙氣模式，在鍋爐總煙氣量不足或含氧量超標時才使用柴油模式，實現(xiàn)節(jié)能減排。

該油田主風來自東北東，主流流向西北西，初步判定船體艏向后，風主要從左舷吹向右舷。生活區(qū)位于船尾，主電站和鍋爐位于生活樓前方，為減小主機和鍋爐排氣對生活區(qū)的影響，本船充分考慮煙囪的布置和排放口的位置，排氣管延伸至右舷舷外排放，右舷尾部起重機水平擱置。另外安裝脫硫除塵裝置，可以有效脫掉煙氣的顆?；覊m，降低煙氣對周圍環(huán)境的影響。同時考慮到供應船旁靠船體右舷，生活區(qū)的進風口設在左舷，出風口設在右舷。

本船左右舷相鄰貨油艙設連通閥和管路，實現(xiàn)貨油泵的互為備用，深井泵內(nèi)設置掃艙管系。深井泵液壓動力單元位于尾部液壓間內(nèi)，能滿足6臺貨油泵，1臺專用壓載泵，1臺污油泵、1臺工藝水泵和1臺燃油泵同時滿負荷運行。貨油艙采用甲板加熱器加熱，工藝流程艙采用盤管加熱。

恩平FPSO采用可解脫的浸沒式轉(zhuǎn)塔生產(chǎn)系統(tǒng)(STP)永久性單點系泊，按照500年一遇海況設計，STP和系泊系統(tǒng)的設計壽命也是30年。STP系統(tǒng)包括以下主要部分:海底錨、系泊纜、立管、STP浮筒、STP船上設備(液壓站、消防設備和電氣設備等)、滑環(huán)系統(tǒng)和STP模塊［6］，可通過以下視圖了解STP系統(tǒng)概貌。

圖2 FPSO總布置示意Fig.2 FPSO general arrangement

圖3 STP系統(tǒng)示意Fig.3 STP system diagram

2 總體設計特點

2.1 首次采用500年一遇環(huán)境條件，增強FPSO抗御惡劣海況能力

根據(jù)該油田環(huán)境資料，與100年一遇相比，采用500年一遇參數(shù)，設計靜水彎矩不變并考慮相同的波浪彎矩設計裕度情況，總縱彎矩和規(guī)范剖面模數(shù)增加6.6%，造成中剖面構(gòu)件尺寸增加。

船體運動響應極值增加，設計慣性力和波面升高等參數(shù)提高，導致局部強度要求提高，艙內(nèi)構(gòu)件尺寸較大，另外對工藝流程模塊支墩、克令、火炬塔和轉(zhuǎn)塔區(qū)等結(jié)構(gòu)的加強提出更高的要求。由于船體運動響應極值和上部模塊自重增加，導致模塊甲板下主梁高度1.2 m內(nèi)，管線布置空間緊張。

為解決環(huán)境條件提高引起的甲板上浪問題，抬高艏樓甲板高度，略增加艏部線型外飄，同時在艏樓甲板前緣設置擋浪板。工藝甲板高度的設置既考慮防止甲板上浪，又要保證船體穩(wěn)性。

2.2 設計壽命30年，延長服務年限，減少進塢維修工作量

對于疲勞強度而言，在環(huán)境條件不變的情況下，設計壽命提高，導致疲勞熱點處的熱點應力需降低。為此，需提高構(gòu)件尺寸剖面模數(shù)或改進節(jié)點型式減小應力集中。

對于腐蝕厚度，由于船級社規(guī)范要求的腐蝕裕度基本是基于20年的設計壽命制定的，如設計壽命增加至30年，需要業(yè)主提出在船級社腐蝕裕度之外額外要求的腐蝕厚度應用于腐蝕情況高發(fā)的船體結(jié)構(gòu);另一方面，也對船體防腐設計(包括涂料、外加電流和犧牲陽極等)提出更高要求。

2.3 南海FPSO采用雙層底構(gòu)造

該FPSO設計水深90 m，通常認為FPSO生產(chǎn)作業(yè)時長期系泊定位在此水深不會有觸底風險，淺水拖航時艙內(nèi)不再儲存原油，規(guī)范也不要求破艙穩(wěn)性考慮底部破損，原則上可以采用單底。業(yè)主要求雙層底構(gòu)造主要基于以下原因:

■雙底的剖面慣性矩和剖面模數(shù)增加，對總強度有利;

■油艙內(nèi)結(jié)構(gòu)件少，易于洗艙、掃艙;

■便于油艙底部結(jié)構(gòu)件的檢查;

■保溫效果好;

■更有利于環(huán)保，更好地防止油污染。

由于本船業(yè)主提出500年一遇環(huán)境條件，30年設計壽命和雙層底等技術(shù)要求，使得鋼材重量增加較大。

2.4 污油水艙和工藝水艙布置于船中

污油水艙及工藝水艙位于船中相對首(尾)位置，滿載時最大中垂靜水彎矩減少22%，設計總縱彎矩減少8%?；谄拭婺?shù)減小約8%，中剖面面積減小約5%，相當于縱向構(gòu)件節(jié)約約615 t。另外在上部模塊布置方面，可以減少不必要的管路長度。開排罐位于主甲板船中污油水艙附近，F(xiàn)PSO海上作業(yè)期間船體基本平浮，模塊甲板開排系統(tǒng)通過重力自流到開排罐，再用開排泵輸送至污油水艙;主甲板污油水通過氣動隔膜泵直接輸送至污油水艙。

2.5 貨油系統(tǒng)采用浸沒式深井泵

FPSO貨油泵主要有深井泵和泵艙泵兩個方案，其中泵艙泵方案的貨油與壓載泵均采用電動(或者液壓驅(qū)動)的干式離心泵，由于貨油泵艙屬于危險區(qū)，所以通常是將驅(qū)動電機或蒸汽透平布置在機艙內(nèi)。原動機通過傳動軸及氣密式填料函驅(qū)動泵艙內(nèi)的貨油泵或者專用壓載泵。在采用泵艙布置貨油泵的方案中，專用壓載泵通常也采用泵艙布置的形式。該方案需要設置專門的貨油泵艙，由于貨油泵艙屬于危險區(qū)，需要為貨油泵艙配置專用的通風系統(tǒng)、泵艙可燃氣體探測系統(tǒng)、泵艙滅火系統(tǒng)、照明及呼叫系統(tǒng)、泵艙艙底水系統(tǒng)等附屬系統(tǒng)。

恩平FPSO的貨油與壓載泵均采用深井泵的形式，由液壓系統(tǒng)的高壓液壓油驅(qū)動液壓馬達帶動潛沒在液艙內(nèi)的貨油泵或者是專用壓載泵。與采用泵艙泵相比，采用液壓驅(qū)動深井式貨油泵方案的優(yōu)點在于:

■取消泵艙，可以適當?shù)乜s短船長和增加艙容;

■取消泵艙，省去泵艙以及為泵艙服務的相關設備，如泵艙通風系統(tǒng)及風機、泵艙固定滅火系統(tǒng)、泵艙可燃氣體探測系統(tǒng)、泵艙專屬艙底水系統(tǒng)等;

■可采用甲板加熱器，從而簡化加熱管線，使用較少的加熱盤管;

■可以減小油艙中的死油比例，增加油艙的有效體積;

■良好的吸入性能;

■可以無級變速(可控制泵的流量);

■貨油艙內(nèi)有較少的管路和閥件(維修及洗艙均很方便)。

2.6 預留空間

考慮到恩平油田未來生產(chǎn)擴容需求，業(yè)主要求上部模塊甲板具有預留空間，上部模塊(包括電站、熱站、電氣間、計量撬和油氣水處理單元)最大操作重量12 000 t，其中預留區(qū)面積1 700 m2，預留重量3 000 t。預留概念的提出對船體主尺度、重量分布、甲板布置和危險區(qū)域范圍等提出新的要求。

2.7 雙船級

恩平FPSO入BV和CCS雙船級。FPSO適用的規(guī)范規(guī)則包括中國法律法規(guī)(如安監(jiān)總局浮式儲油裝置安全規(guī)則)，IMO規(guī)范(如海上移動平臺規(guī)范MODU、載重線公約LOAD LINES、完整穩(wěn)性規(guī)則IS CODE等)，船級社規(guī)范，OCIMF、美國石油協(xié)會API、國際勞工組織ILO、國際電氣協(xié)會IEC和美國消防協(xié)會NFPA標準等。理論上講，F(xiàn)PSO是海洋工程，不屬于船的范疇，所以一般的船規(guī)如SOLAS、MARPOL等對FPSO沒有約束力，但FPSO設計往往直接借鑒船規(guī)內(nèi)容［3］。BV在海洋平臺規(guī)范NR445 Rules for the Classification of Offshore Units PART A～C的基礎上獨立編寫了PART D作為FPSO規(guī)范。

CCS在FPSO規(guī)范方面尚未完善，有海上浮式裝置入級和建造規(guī)范(2003)，國際航行海船法定檢驗技術(shù)規(guī)則(2008)，浮式儲油裝置安全規(guī)則可參考。其中部分設計要求還需商討，例如:

結(jié)構(gòu)設計中本船需按照500年一遇海況直接計算外載荷進行強度校核，CCS僅有2003年的海上浮式裝置入級和建造規(guī)范可用或指向2008年CSR油船共同規(guī)范(基于北大西洋25年一遇的設計規(guī)范)，都已不能滿足本船設計要求。

在穩(wěn)性方面CCS參考安監(jiān)總局FPSO安全規(guī)則審圖，完整穩(wěn)性衡準相對BV要求外(BV要求等同于油船衡準)，還要按照MODU中完整穩(wěn)性衡準校核。在破艙穩(wěn)性方面CCS和BV差別較大，本船為B型干舷船，BV破艙衡準類似油船MARPOL要求，不考慮底部破艙［5］。CCS則按照MODU要求校核破艙。

在布置方面，CCS依據(jù)FPSO安全規(guī)則提出中央控制室除設有通往居住區(qū)內(nèi)部的開口外，還應設置直接通向開敞甲板的出口［7］，這主要基于逃生考慮。但為便于觀察，中控室布置在生活樓內(nèi)靠近生產(chǎn)模塊端，且中控室通向開敞甲板的門應位于生活樓外側(cè)距離生活樓面向貨物區(qū)域的端壁至少5 m外，這樣中控室開門位置所確定的房間長度將影響生活樓的整體規(guī)劃。另外中控室具有直通開敞甲板的門后，為保證生活區(qū)通風正壓50 Pa要求，勢必增大中控室通風要求和保溫要求。本船中央控制室除設有通往居住區(qū)內(nèi)部的開口外，另外的出口通向走廊的緩沖間。

3 線型設計

恩平FPSO方型系數(shù)0.91，平行舯體占船長的60%，線型設計主要考慮在風浪中有較佳的耐波性，但一般來說首尾型線對此影響有限;在滿足排水量需求的前提下，調(diào)整首尾線型可以有效降低滿載時的中垂彎矩;線型設計時還要注意滿載時的水下浮心位置和船體重心的配合，要求此時無壓載水基本平浮略帶尾傾;另外艏部型線外飄程度的設計要兼顧艏部砰擊和甲板上浪問題。

需要特別指出的是，由于FPSO單點系泊，船首經(jīng)常頂風對流，線型設計應能有效減小海流沖擊載荷，本文使用FLUENT軟件，在浮心位置，方型系數(shù)等滿足一定約束條件，滿足貨油艙區(qū)雙殼要求的前提下，進行型線優(yōu)化。

目標船方形系數(shù)Cb＞0.9，來流速度特別低，屬極低速肥大型船。對此類船型的優(yōu)化，通常考慮將首部變得豐滿，浮心前移。通過多次嘗試艏部、艉部不同線型調(diào)整方案，得到的優(yōu)化線型如圖4、圖5所示。

優(yōu)化方案相對母型方案尾部輪廓線傾角減小，并使尾輪廓與底平面的交點前移，更加平緩的與底平面相連。同時優(yōu)化方案相對母型方案尾部的橫剖面線與中縱剖面相交處更加平緩，優(yōu)化后阻力降低約3.7%。

圖4 線型優(yōu)化前后尾部側(cè)視圖Fig.4 Stern profile view for lines optimization

圖5 線型優(yōu)化前后尾部橫剖面圖Fig.5 Stern section view for lines optimization

優(yōu)化方案尾部傾角減小使得從平底到艉封板間的抬升過渡更加平緩，相對地增加了去流段的長度，減小了尾部的負壓區(qū)域面積，同時增加了正壓區(qū)域的面積，有利于船體阻力減少，見圖6～圖7。

圖7 尾部壓力分布，優(yōu)化方案(St.4～St.0)Fig.7 Stern pressure distribution for present model(St.4～St.0)

這一情況更為明顯的是St.2～St.0區(qū)域。高負壓區(qū)已經(jīng)消失，取代之的是絕對值相對較低的低負壓區(qū)面積的增大，同時正壓區(qū)域的面積也較母型的有所增大，如圖8～圖9所示。這樣最終使得尾部的壓力合力向正方向有所增加，向負方向有所減少，從而降低了尾部的黏差阻力。

圖8 尾部壓力分布，母型方案(St.2～St.0)Fig.8 Stern pressure distribution for master model(St.2～St.0)

圖9 尾部壓力分布，優(yōu)化方案(St.2～St.0)Fig.9 Stern pressure distribution for present model(St.2～St.0)

4 水動力性能

4.1 迎浪角分析

本船基于迎浪角分析進行運動響應數(shù)值預報，并通過模型試驗驗證。由于FPSO單點系泊所具有的風標效應，需要通過迎浪角分析確定在風、浪、流作用下，船體與波浪的相對夾角，得到有義波高/相對浪向的包絡線，進而用于運動響應預報。本文波浪載荷使用BV HydroStar軟件計算，流載荷和風載荷取自MARINTEK水池試驗，迎浪角計算中根據(jù)APL設計的單點系泊系統(tǒng)通過BV ARIANE軟件完成。

對于臺風頻發(fā)的南海海域，臺風通過時風、浪、流的方向和強度都會迅速變化，規(guī)范建議用以下方法考慮環(huán)境載荷［4］:

■波浪主導:風、浪相對夾角-45°到+45°，浪、流相對夾角-30°到 +30°;

■流主導:風、浪相對夾角-45°到+45°，浪、流相對夾角-60°到 -120°。

環(huán)境載荷強度如表1所示，折減因子qV的選取可參照BV規(guī)范NI493。

表1 不同海況的環(huán)境載荷強度Tab.1 Environment load for different sea states

由此船體在單點系泊系統(tǒng)下，按照上述環(huán)境載荷計算得到的有義波高/相對浪向的結(jié)果如表2所示。

表2 迎浪角分析結(jié)果Tab.2 Heading analysis results

4.2 運動響應預報

本船使用BV HydroStar軟件計算運動響應，以滿載和壓載工況為例，考慮自由液面效應對重心高度的影響，將運動響應傳遞函數(shù)RAO、固有周期與MARINTEK水池提供值進行比較，數(shù)值計算中使用ITH公式計算橫搖黏性阻尼，舭龍骨長度占水線間長74%，橫搖阻尼與船體運動、波高相關，使用數(shù)值迭代計算RAO，波幅決定阻尼水平。

運動固有周期及RAO對比如表3所示，括號內(nèi)為水池試驗值，可見橫搖固有周期略有差別，RAO相似度高。

表3 固有周期對比表Tab.3 Comparison of natural periods

圖10 滿載橫搖RAO比較-90°浪向Fig.10 RAO for roll in full load-90°

圖11 滿載縱搖RAO比較-60°浪向Fig.11 RAO for pitch in full load-60°

圖12 滿載垂蕩RAO比較-90°浪向Fig.12 RAO for heave in full load-90°

圖14 壓載縱搖RAO比較-60°浪向Fig.14 RAO for pitch in ballast load-60°

圖15 壓載垂蕩RAO比較-90°浪向Fig.15 RAO for heave in ballast load-90°

本船在滿載/壓載工況，不同海況，計及/未計及自由液面效應情況下，運動短期預報極值如表4所示。MARINTEK水池試驗中橫搖極值6.4°，縱搖極值8°［2］。分析認為橫搖差異較大的原因主要是:數(shù)值計算中迎浪角按照BV規(guī)范進行大量計算得到臺風和季風條件下的相對浪向/波高關系，出于實際工程考慮略有裕度，而試驗中不同強度的風、浪、流初始方向的組合數(shù)量有限，可作為數(shù)值計算驗證，不能獲得單點系泊下斜浪或橫浪對應的最大波高。

4.3 甲板上浪

FPSO長期系泊于作業(yè)海域，在惡劣海況下由于風標效應，波浪常正對船頭方向，因此甲板上浪現(xiàn)象尤為明顯。本船艏樓甲板干舷滿載17.45 m，壓載24.25 m，試驗中兩種工況均有甲板上浪發(fā)生，壓載工況相對波面升高較大，但上浪次數(shù)明顯減少，上浪高度與首搖角度密切相關，根據(jù)試驗結(jié)果高出艏樓甲板4 m以上的浪已較為少見［2］。百年一遇的相對波面升高未必小于500年一遇，因為較小的波浪與船體的方向角較大，可能會引起較大的船體垂蕩運動。圖16為試驗中滿載工況上浪情況。根據(jù)試驗情況為減小上浪，艏樓甲板抬高750 mm，艏部線型略外飄，擋浪板加高至距艏樓甲板中心線3.5 m。

表4 重心處運動響應極值Tab.4 Motion result of C.O.G.

圖16 甲板上浪試驗情況Fig.16 Model test for green water

5 結(jié)語

以中海油新建FPSO為研究對象，介紹恩平油田的開發(fā)模式，F(xiàn)PSO的主尺度、總體布置以及動力系統(tǒng)、貨油泵和STP設備要點，對比了BV和CCS關于FPSO的部分規(guī)范差異。說明了本船為滿足作業(yè)海況、設計壽命、雙層底構(gòu)造、預留空間等要求所具有的設計特點，以及為此帶來的鋼料增加。本船在原有15萬載重噸FPSO的基礎上進行線型優(yōu)化，首次基于迎浪角分析進行運動性能計算，說明數(shù)值計算和模型試驗結(jié)果的匹配情況，描述模型試驗中觀察的甲板上浪情況及改進措施，本文是恩平FPSO總體設計的概要總結(jié)。

［1］ 金曉劍.FPSO最佳實踐與推薦做法［M］.青島:中國石油大學出版社，2012.(JIN Xiao-jian.Best practise and recommended method for FPSO［M］.Qingdao:China University of Petroleum，2012.(in Chinese))

［2］ ENPING FPSO Model Test Main Report［R］.MARINTEK.

［3］ 金強.秦皇島32-6油田浮式生產(chǎn)儲油船(FPSO)總體設計［J］.船舶，2003(2):32-39.(JIN Qiang.General design for FPSO in QHD 32-6 oil field［J］.Ship，2003(2):32-39.(in Chinese))

［4］ BV NI493，Classification of Mooring Systems for Permanent Offshore Units［S］.2004.

［5］ BV NR 445，Rules for the Classification of Offshore Units［S］.2010.

［6］ Submerged Turret Production(STP)Technical Description［S］.NOV.

［7］ FPSO安全規(guī)則［S］.中國安監(jiān)總局，2010.(Safety codes for FPSO［S］.State Administration of Work Safety，2010.(in Chinese))