FPSO單點(diǎn)中壓電滑環(huán)配置方案對(duì)比

田志強(qiáng) 杜銀昌 付文宇 張?zhí)靸x 劉建申

摘要：FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中的中壓電滑環(huán)一般為井口平臺(tái)或水下生產(chǎn)設(shè)施傳輸電能，其電氣參數(shù)、配置方式、尺寸、重量一般根據(jù)供電需求不同而有所不同。中壓電滑環(huán)的選型將影響整個(gè)滑環(huán)堆棧的布置及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，配置方案變動(dòng)太大甚至將影響整個(gè)單點(diǎn)轉(zhuǎn)塔和FPSO的設(shè)計(jì)，因此有必要在設(shè)計(jì)前期階段綜合考慮，確定最合適的配置方案?，F(xiàn)針對(duì)中壓電滑環(huán)的選型設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比分析，可為FPSO單點(diǎn)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：FPSO;單點(diǎn);滑環(huán)堆棧;中壓電滑環(huán);配置方案

0 引言

隨著我國(guó)海洋油氣開發(fā)工程逐步朝深海、遠(yuǎn)海方向發(fā)展，常規(guī)開采模式需要鋪設(shè)的油氣管線越來越長(zhǎng)，導(dǎo)致成本越來越高，風(fēng)險(xiǎn)也越來越大，而FPSO+水下生產(chǎn)系統(tǒng)的開采方式正是解決這一難題最有效的途徑。單點(diǎn)系泊的FPSO可以圍繞轉(zhuǎn)塔在風(fēng)、波、流的作用下360°旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)最小的環(huán)境載荷。滑環(huán)堆棧是FPSO單點(diǎn)系泊轉(zhuǎn)塔的重要組成部分，也是最昂貴的系統(tǒng)，其負(fù)責(zé)在對(duì)地固定的系泊轉(zhuǎn)塔與對(duì)地旋轉(zhuǎn)的FPSO船體之間進(jìn)行油氣、電力、控制和通信傳輸。中壓電滑環(huán)的選型配置不僅會(huì)影響其他生產(chǎn)、公用滑環(huán)的布置，還將影響滑環(huán)堆棧的整體布置和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而影響整個(gè)單點(diǎn)系泊轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)及FPSO的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 FPSO簡(jiǎn)介

FPSO全稱為Floating Production Storage and Offloading，是集浮式生產(chǎn)、存儲(chǔ)、卸載功能于一體的油輪，具備對(duì)原油進(jìn)行油氣分離、處理含油污水、動(dòng)力發(fā)電、供熱、原油產(chǎn)品的儲(chǔ)存和運(yùn)輸功能，是一種海上綜合性的大型油氣處理工廠。

FPSO主要系統(tǒng)包括系泊系統(tǒng)、水下系統(tǒng)、船體系統(tǒng)和上部模塊系統(tǒng)。

（1）系泊系統(tǒng)是影響FPSO安全性、決定適應(yīng)海況的關(guān)鍵組成部分，也是FPSO最昂貴的系統(tǒng)。其主要可分為3種系泊方式：?jiǎn)吸c(diǎn)系泊系統(tǒng)、多點(diǎn)系泊系統(tǒng)和動(dòng)力定位系統(tǒng)。其中單點(diǎn)系泊系統(tǒng)是指錨鏈系統(tǒng)與船體只有一個(gè)連接點(diǎn)，具有明顯的風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，能保證FPSO的方位始終處在系泊力最小的方向上，適用于海況惡劣的深水海域。

（2）水下系統(tǒng)由水下采油樹、海底管匯、管纜等組成。由臍帶纜為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供動(dòng)力和控制，各井口采油樹的油氣匯集到中心管匯，然后通過立管系統(tǒng)輸送到FPSO上。

（3）船體系統(tǒng)主要用于承載上部模塊、儲(chǔ)油和外輸，處理合格后的原油儲(chǔ)存在船艙中各個(gè)獨(dú)立的油艙，滿載后通過外輸系統(tǒng)將原油輸送給穿梭油輪。

（4）上部模塊系統(tǒng)與常規(guī)油氣平臺(tái)處理系統(tǒng)類似，主要包括油氣水分離系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、生產(chǎn)水處理系統(tǒng)和火炬系統(tǒng)等，但布置得更加緊湊，在保證滿足更加嚴(yán)格的工藝流程安全要求的同時(shí)，還要滿足船體運(yùn)動(dòng)的要求，集成化和自動(dòng)化程度更高。

2 滑環(huán)堆棧簡(jiǎn)介

滑環(huán)堆棧由一系列液滑環(huán)、中壓電滑環(huán)、低壓電滑環(huán)、公用系統(tǒng)滑環(huán)以及光纖滑環(huán)堆疊組成，是FPSO單點(diǎn)系泊轉(zhuǎn)塔的重要組成部分，其負(fù)責(zé)在對(duì)地固定的系泊轉(zhuǎn)塔與對(duì)地旋轉(zhuǎn)的FPSO之間進(jìn)行油氣、電力、控制和通信傳輸，如圖1所示?；h(huán)外側(cè)通過驅(qū)動(dòng)臂及塔架與船體連接，對(duì)地旋轉(zhuǎn);滑環(huán)內(nèi)側(cè)與轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)連接，對(duì)地固定?；h(huán)堆棧中心孔內(nèi)布置有各種氣液管線、電力、控制和通信電纜，空間非常緊湊，如圖2所示。

3 中壓電滑環(huán)配置方案對(duì)比

中壓電滑環(huán)的選型首先需要明確電氣參數(shù)、防護(hù)和防爆等級(jí)要求，電氣參數(shù)包括電壓等級(jí)、額定電流、短路容量、回路數(shù)，這些參數(shù)都會(huì)直接影響中壓電滑環(huán)的結(jié)構(gòu)配置、防爆型式、尺寸、重量和價(jià)格。

電壓等級(jí)、額定電流、短路容量和回路數(shù)一般在整個(gè)油田電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)油田開采方式來確定。若為FPSO+井口平臺(tái)開采方式，則其電壓等級(jí)、額定電流、短路容量參數(shù)一般較高，回路數(shù)較少;若為FPSO+水下生產(chǎn)設(shè)施開采方式，則其電壓等級(jí)、額定電流、短路容量參數(shù)一般較低，但回路數(shù)較多，具體由井口數(shù)決定。因FPSO單點(diǎn)系泊系統(tǒng)始終面向風(fēng)、浪、流的方向，室外露天區(qū)域電氣設(shè)備防護(hù)等級(jí)一般要求IP66，內(nèi)部區(qū)域一般要求IP56。防爆型式根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)劃分，中壓電滑環(huán)一般與生產(chǎn)氣、液滑環(huán)相鄰布置，最低要求適用于1類危險(xiǎn)區(qū)，溫度等級(jí)T3，常用防爆型式為ExO和ExP?；h(huán)中空內(nèi)孔的大小與滑環(huán)堆棧的整體布置有關(guān)，主要由其與生產(chǎn)滑環(huán)的位置和生產(chǎn)管線大小決定，若位于生產(chǎn)滑環(huán)上方，則其載荷、尺寸和內(nèi)孔都較小;若位于生產(chǎn)滑環(huán)下方，則其載荷、尺寸和內(nèi)孔都會(huì)明顯增大。

以中國(guó)南海某深水油田項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目水深400 m左右，共有3個(gè)水下油田，新建一艘15萬t級(jí)內(nèi)轉(zhuǎn)塔型單點(diǎn)系泊FPSO，連接3個(gè)水下油田生產(chǎn)設(shè)施共26口井，采用變頻器驅(qū)動(dòng)中壓電潛泵開采，油田分布如圖3所示。

中壓電滑環(huán)輸電需求為6.6 kV、200 A、5 kA RMS 3 s、28個(gè)三相回路，空氣絕緣中壓電滑環(huán)配置選型方案如表1所示。

方案1采用1組滑環(huán)設(shè)計(jì)，總體高度較高，外徑、內(nèi)孔徑最大，重量比方案2和方案3重約1倍，對(duì)滑環(huán)堆棧結(jié)構(gòu)有較大影響，目前全球還未生產(chǎn)過如此巨大的電滑環(huán)，造價(jià)最高;并且所有油田電潛泵回路位于同一組滑環(huán)中，可靠性最低，一旦滑環(huán)故障將導(dǎo)致3個(gè)油田停產(chǎn)。

方案2采用2組滑環(huán)設(shè)計(jì)，總體高度最低，外徑、內(nèi)孔徑較小，重量較輕，造價(jià)最低;3個(gè)油田電潛泵回路合理布置在2組滑環(huán)中，當(dāng)一組滑環(huán)故障時(shí)，可至少保證一個(gè)油田全部井口和一個(gè)油田部分井口正常生產(chǎn)，可靠性較高。

方案3采用3組滑環(huán)設(shè)計(jì)，總體高度最高，外徑、內(nèi)孔徑最小，重量最輕，造價(jià)較低;3個(gè)油田電潛泵回路合理布置在獨(dú)立的滑環(huán)中，互不影響，可靠性最高。

綜合考慮3個(gè)中壓電滑環(huán)配置方案的造價(jià)、高度、尺寸、重量和可靠性以及對(duì)其他滑環(huán)的布置和結(jié)構(gòu)影響、對(duì)堆棧結(jié)構(gòu)與單點(diǎn)結(jié)構(gòu)的影響，方案2為最優(yōu)配置。

4 結(jié)語

隨著海洋石油開發(fā)逐步向深水海域邁進(jìn)，固定式導(dǎo)管架平臺(tái)已不能滿足要求，且長(zhǎng)距離鋪設(shè)海管成本高昂，單點(diǎn)系泊FPSO配合多井口水下生產(chǎn)設(shè)施的開發(fā)方式將成為一種發(fā)展趨勢(shì)，在越來越多的深海油氣田中被應(yīng)用。單點(diǎn)系泊系統(tǒng)中最重要和最昂貴的系統(tǒng)就是滑環(huán)堆棧，它是整個(gè)開采項(xiàng)目中的咽喉，需要對(duì)其進(jìn)行合理的選型和配置，才能保證水下生產(chǎn)設(shè)施的供電和油氣的傳輸。在多通道的中壓供電需求下，需要綜合考慮中壓電滑環(huán)的配置方案，從造價(jià)、高度、尺寸、重量和可靠性等多個(gè)維度去對(duì)比分析，最終確定適合具體項(xiàng)目的最優(yōu)方案。

收稿日期：2021-05-18

作者簡(jiǎn)介：田志強(qiáng)（1986—），男，重慶人，高級(jí)工程師，研究方向：海上油氣設(shè)施電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)。