通用型FPSO上部模块界面原则研究.pdf

通用型F P S O上部模块界面原则研究 刘焰明,胡 蓉,郭国盛,叶永坤,武志坤(海洋石油工程股份有限公司,天津 3 0 0 4 5 0)摘要 本文首先介绍了通用型F P S O上部模块界面研究的目的与意义;接着,介绍了通用型F P S O上部模块典型工艺系统流程、总体布置、结构的主要方案;随后,从系统流程、总体区域、结构、电仪讯系统设置4个方面出发,论述了F P S O上部模块与船体及水下生产系统的界面原则;最后,总结和展望了后续开展相关界面原则的研究。关键词 通用型;上部模块;界面原则;工艺方案;总体布置;结构连接中图分类号:U 6 6 4.8 4 文献标志码:A 文章编号:2 0 9 5 7 2 9 7(2 0 2 3)0 0 3 7 0 6d o i:1 0.1 2 0 8 7/o e e t.2 0 9 5-7 2 9 7.2 0 2 3.0 2.0 6S t u d y o n I n t e r f a c e P r i n c i p a l f o r T o p s i d e o f G e n e r a l F P S OL I U Y a n m i n g,HU R o n g,G UO G u o s h e n g,Y E Y o n g k u n,WU Z h i k u n(O f f s h o r e O i l E n g i n e e r i n g C o.,L t d.,T i a n j i n 3 0 0 4 5 0,C h i n)A b s t r a c t F i r s t l y,t h e p u r p o s e o f s t u d y o n i n t e r f a c e p r i n c i p l e f o r t o p s i d e o f F P S O i s i n t r o d u c e d;S e c o n d l y,t h e t y p i c a l m a i n p r o c e s s s c h e m e,g e n e r a l a r r a n g e m e n t,s t r u c t u r e s c h e m e a r e i l l u s t r a t e d;T h i r d l y,t h e i n t e r f a c e b e t w e e n F P S O t o p s i d e a n d H u l l/S u b s e a a r e a n a l y z e d a n d d e m o n s t r a t e d,i n c l u d i n g t h e i n t e r f a c e a b o u t p r o c e s s,g e n e r a l a r e a,s t r u c t u r e,E I T.F i n a l l y,i t i s p r o s p e c t e d h o w t o p r o c e e d t h e i n t e r f a c e p r i n c i p a l s t u d y i n t h e f u t u r e.K e y w o r d s g e n e r a l s c h e m e;t o p s i d e;i n t e r f a c e p r i n c i p a l;p r o c e s s s c h e m e;g e n e r a l a r r a n g e m e n t;s t r u c t u r e c o n n e c t i o n0 研究背景F P S O是目前海洋油气开发应用最为广泛的浮式生产处理设施,通常由上部模块、船体、系泊系统、水下生产系统等几大部分组成。F P S O的建造周期通常为3 0 3 6个月。较长的投资周期和国际油价的高波动性给F P S O投资方带来了较大的风险。开展F P S O关键技术的研究对于缩短F P S O的整体周期,进而减少油价波动带来的风险具有较大的现实意义。目前,F P S O的相关研究较多。肖建华1、席时春2研究了F P S O的总体布置。刘辉等3论证了F P S O工艺模块设计标准化。张绪奎等4对比分析了F P S O的船体、单点系统、立管系统在不同海域的设计要点。窦宏波5阐述了F P S O的各单体结构界面。刘俭飞、曹学文等6、7分析论证了F P S O工艺流程及控制系统设置。综上,虽然F P S O各单体的研究陆续取得了一系列突破,但是,对于F P S O各单体之间的界面原则研究,特别是通用型F P S O界面原则的研究仍存在较大的空白。作为实现工艺油气水处理流程及公用系统功能的部分,F P S O上部模块集合了F P S O大多的关键技术,其工程费用投资占比通常也达到F P S O整体工程投资6 0%以上。因此,开展针对通用型F P S O上部模块的界面研究,对于节约项目投资、缩短F P S O整体设计建造周期,具有十分重要的意义。1 通用型F P S O上部模块原则1.1 通用型研究基础与要求综合比对近年巴西桑托斯盆地、西非海域2 0余艘F P S O的开发模式、处理能力及船舶尺度数据,归纳拟定通用型F P S O上部组块包络性研究基础数据如下:作者简介:刘焰明(1 9 8 3),男,硕士,高级工程师。研究方向为海洋石油平台设计。第1 0卷 第2期 2 0 2 3年6月海洋工程装备与技术O C E A N E N G I N E E R I N G E QU I P ME N T A N D T E C HN O L O G YV o l.1 0,N o.2J u n.,2 0 2 33 8 海洋工程装备与技术第1 0卷适用于巴西、墨西哥湾和西非等海域;采用水下生产系统+F P S O+穿梭油轮的开发模式,或者在生产链中再加入另一生产平台,完成井液预处理,再输送到F P S O;原油日产量为1 5万桶,天然气处理能力为6 Mm3/d,生产水日处理能力为1 2万桶;上部模块不可超越重为4.2万吨;满足作业水深为5 0 0 2 2 0 0m;与通用型船体参数相匹配,见表1。表1 船体基础参数T a b.1 P a r a m e t e r s o f H u l l参数总长/m垂线间长/m型宽/m型深/m设计吃水/m结构型式航速/节数值3 3 83 2 8.46 23 2.82 5单底双壳6 8 下文将基于表1中所归纳的基础数据,开展工艺流程及相关布置设置方面的研究,并论证分析F P S O通用原则。1.2 上部模块通用系统流程原则F P S O组块的通用处理流程主要包括原油处理、天然气处理、生产水处理、注水系统。此外,还包括用于支持油气生产的辅助和公用系统。主要工艺流程框图见图1。F P S O上部模块原油日处理能力为2 4 0 0 0m3/d(1 5 0 0 0 0桶/天)。考虑到通用性、适用性和扩容的需求,基于上述设计规模的油系统设备为单系列配置,并预留设备及模块布置空间,以保证将现有流程扩为双序列运行的功能,从而将油系统设计处理量提高至3 0 0 0 0 0桶/天。图1 通用型F P S O上部模块流程框图F i g.1 F l o w d i a g r a m f o r t o p s i d e o f G e n e r a l F P S O1.3 主甲板上部区域通用布置原则F P S O主甲板的尺寸为3 3 0m(船长)6 2m(船宽),主甲板上方甲板空间划分为1 6个功能模块区(预留3个模块区域)及中央管廊区,如图2所示。F P S O主甲板的空间能满足油水处理、天然气压缩、公用等多种模块布置空间需求。1.4 上部模块通用结构型式为包络不同重量和尺寸模块的载荷要求,F P S O上部模块与船体支撑结构采用密集型支腿布置型式,可有效分散上部模块荷载,使船体结构更具经济性和适应性,如图3所示。第2期刘焰明,等:通用型F P S O上部模块界面原则研究3 9 图2 主甲板以上区域总体布置图F i g.2 G e n e r a l a r r a n g e m e n t a b o v e m a i n d e c k图3 通用型上部模块结构3 D模型F i g.2 3 D m o d e l a b o u t t o p s i d e s t r u c t u r e o f g e n e r a l F P S O 图3为通用型F P S O上部模块一种典型的结构型式,模块在船长方向的支腿间距为5.6 5m,在船宽方向的支腿间距为4.5m。可根据实际设备总体布置空间需求,在船长与船宽方向选取不同数量的模块支腿。根据对比不同海域模块层数及层高数据,模块保守设计为三层甲板结构,底层甲板距船体主甲板拱顶为5.36m,底层甲板距中层甲板为8.59m,中层甲板距顶层甲板5.5 6m,各模块同层甲板保持统一的高度。为增加组块甲板有效利用面积,在船长方向和船宽方向,组块各甲板层间只在两个轴线上设立斜撑桁架,以克服船体运动产生的水平荷载。2 通用型F P S O界面原则通用型F P S O上部模块与其他单体的界面主要包括两部分:上部模块与船体通用界面,上部模块界面与水下生产系统/船体通用界面。2.1 上部模块与船体通用界面上部模块和船体的通用界面主要涉及结构、系统流程配置等方面,主要包括工艺、公用、安全等系统界面,主甲板以上空间区域划分界面,结构立柱连接界面,电仪讯系统界面。2.1.1 上部模块与船体的工艺(公用系统界面)工艺界面设计参数包括但不限于:界面接口处的主工艺参数:流通物流的介质属性、组分、流量、温度、压力、管线尺寸/材质等;公用介质供应及消耗:组块、船体间可共用部分,如氮气、仪表气/空气、柴油、淡水、燃料气等,由组块或船体,以最大消耗量/需求量提供给另一方,以实现组块/船体的一体化功能;工艺/安全:组块、船体公用系统,或者船体至组块、组块至船体间为实现F P S O油、气、水处理和存储功能而产生的流程界面。组块与船体间界面划分的目的是,确定双方的工作范围,并作为双方互提界面参数清单的原则。表2为上部模块与船体原油系统工艺设计界面参数表,双方按照表的界面原则,互提数据给对方,完成相关系统接口配置工作。4 0 海洋工程装备与技术第1 0卷表2原油进舱工艺设计界面参数表T a b.2 P r o c e s s d a t a o n t h e i n t e r f a c e b e t w e e n T o p s i d e a n d H u l l t a n k设计界面提交方接受方界面数据备注原油处理系统组块船体操作/设计压力/k P a G3 0 0/1 5 5 0操作/设计温度/6 0/9 0最大流量/(m3/h)1 0 0 0密度/(k g/m3)7 7 7 8 5 0黏度/(c P)1 1 2 0组分见表3 3合格原油处理指标:雷特蒸汽7 0 k P a A 3 5;含水率 0.5 w t%;含盐量 2 7 0m g/L船体建议进舱温度;合格油/不合格油进舱工艺参数均参见该表;不合格油舱应能容纳油系统设计处理能力下1 3小时的产油量船体组块操作/设计压力/k P a G2 3 0 0/2 5 5 0操作/设计温度/4 0/7 0最大流量/(m3/h)1 0 0原油接入位置操作参数基于E L.3 1.5m;不合格原油提升泵排量通常按照原油系统设计能力1 0%考虑 2.1.2 上部模块与船体的总体区域布置界面基于工艺流程及系统配置需求,上部模块、单点、船体共用主甲板以上区域;船体主甲板上方区域布置有上部模块1 1个、船体模块2个、中央管廊区1个,并在船首及船中部区域预留模块3个。上部模块名称及功能见表3。表3 上部模块主要功能表T a b.3 M a i n f u n c t i o n o f T o p s i d e M o d u l e s模块名称主要设备及功能1清管器模块主要布置有卫星井收球筒、水下管汇收球筒和外输气发球筒等主要设备以及相关管线2油水处理模块主要布置一级分离系统及生产水处理系统3注水脱盐模块布置海水脱盐设备、膜组、脱氧系统和注水系统相关设备与管线4主气压缩机模块布置湿气增压系统(低压回收单元和伴生气压缩系统)5外输 气 压 缩 机模块主要布置干气增压和外输气系统6天然气处理模块主要布置天然气脱水/再生系统,烃露点控制系统、燃料气系统7公用模块(上部模块)模块内布置淡水系统、氮气系统和实验室8主机(电 站)模块设置2台透平发电机和相应的废热回收装置9主机(电 站)模块设置2台透平发电机和相应的废热回收装置1 0电气模块布置主开关间、主变压器间、中控间、空调机组等1 1电脱水脱盐模块主要布置二、三级分离系统 模块内部预留双序列扩展相关设备,如分离器、电脱及天然气脱水相关设备布置所需空间,并根据新增功能需要使用预留模块空间。船体模块及功能见表4。上部模块布置预留模块3个,见表5。表4 船体模块主要功能表T a b.4 M a i n f u n c t i o n o f H u l l m o d u l e模块名称主要设备及功能1卸货区与化学药剂堆放区模块设置化学药剂可移动储罐存储甲板2公用模块(船体)设置船体惰气发生器相关设备 表5 预留模块主要功能表T a b.5 M a i n f u n c t i o n o f r e s e r v e d m o d u l e预留模块名称主要设备及功能1主工艺预留模块新增模块满足将现有流程扩为双序列运行的要求2清管器预留模块用于F P S O设置单点舱时,布置相关清管器及设备3其他工艺预留模块用于满足潜在C O2压缩、火炬气回收等新增功能 考虑到上部模块与船体功能变更和扩充要求,主甲板以上区域上部模块布置预留模块3个。现有船体采取多点系泊方案设置立管平台时,单点区域设置为原油储油舱;船体采取单点系泊方案时,现有清管器模块将作为其他生产模块使用或预留。中央管廊模块区域船体及上部模块共用,以上部模块与船体结构连接点为界面,以上为上部模块使用区域,以下为船体使用区域。图4所示为中央管廊区域上部模块与船体的界面示例。第2期刘焰明,等:通用型F P S O上部模块界面原则研究4 1 图4 中央管廊区界面示意图F i g.4 I n t e r f a c e f o r m a i n p i p e r a c k i n t h e c e n t e r o f H u l l 2.1.3 上部模块与船体的结构界面结构设计界面以船体立柱顶部为界面,以上属于上部模块结构设计内容,以下为船体设计内容,如图5所示。为减小船体运动和变形对连接杆件及船体支撑节点的不利影响,所有连接杆的杆端都采用插入板的连接形式以释放杆件弯矩。具体杆件规格和结构形式应由船体方设计,组块设计在位设计中体现并复核其强度。F P S O上部模块在设计周期内,船体运动的倾角和加速度以及船体变形对上部模块结构受力影响较大,是上部模块不可忽略的基础设计条件。船体运动和船体变形数据由船体设计方提供。船体变形数据应提供从船尾到船头所有组块支点位置的图5 船长方向组块与船体主甲板连接形式(A、B、C、D、E、F轴线)F i g.5 S t r u c t u r e C o n n e c t i o n(G r i d A,B,C,D)b e t w e e n t o p s i d e a n d H u l l i n A x i a l d i r e c t i o n变形值。相关加速度和变形数据需包括一年一遇、百年一遇满载及压载工况。反力数据由上部模块设计方提供给船体设计方,作为船体支点节点加强的设计基础。2.1.4 电仪讯系统界面F P S O上部模块布置主机电站。主机为上部模块与船体配电盘供电。船体配备应急机组作为应急电源,主电源失电后4 5秒内,应急发电机组自动启动。上部模块与船体根据各自的用电负荷,配置相应的中低压配电系统,设计各自建造板块的照明系统;高压盘归属上模系统;应急配电和U P S配电归属船体系统,上模的负荷为其用户。F P S O控制系统由全船过程控制及报警系统、全船紧急关断系统及全船火气探测及保护系统。3个系统在控制层及以下相互独立,在管理层则共享人机界面和通信网络,共用操作站、工程师站、报警事件打印机和数据通信设备等。应急关断系统(E S D)和火气系统(F G S)之间应具有物理上独立于控制网络的冗余安全网络。上部模块与船体过程控制系统(P C S)、E S D和F G S共享人机界面和通信网络。操作站、应急操作盘、中控系统部分I/O柜、控制柜和火灾盘统一布置在生活楼(船体)中控室。上部模块I/O柜及部分船体I/O柜布置在电气模块1的 中 控 设备间。通信系统主机放置在船体区域,各子系统分布于F P S O上部模块和船体。按照系泊方式的不同,F P S O上部模块与水下生产系统/船体的界面分为两种:多点系泊时上部模块与水下生产系统/船体的界面,单点系统时上部模块与单点系统/船体的界面。2.2.1 采取多点系泊时组块与水下生产系统/船体的界面采取多点系泊方式时,左舷侧设置立管平台布置,平台内有立管终端、脐带缆、关断阀、电缆、立管提升装置等设备。相关界面原则如下:立管平台结构由船体设计方设计,并参与船体整体强度计算。平台内管线及电缆的布置由上部模块方完成。水下系统设计方提供立管、脐带缆数量、立管提升反力等数据给船体设计方,船体设计方根据水下界面设计方数据完成立管平台尺寸和结构的4 2 海洋工程装备与技术第1 0卷布置和设计。船体设计方根据水下立管回接的需求,在立管平台上方配置立管提升装置。上部模块设计方根据船体立管平台的布置,完成立管平台与上部模块的输油输气管线、电缆的连接,船体设计方完成船体与立管平台的液压油及化学药剂的连接。2.2.2 采取单点系泊方式时组块与水下生产系统的界面采取内外单点系泊方式时,清管器、海缆接线箱等设备布置在单点平台内;上部模块通过单点与水下生产系统连接,并在主甲板临近单点区域设置生产分离模块,此时原先清管器模块更换为生产预留模块,如图6所示。图6 采取单点系泊主甲板以上区域总体布置图F i g.6 G e n e r a l a r r a n g e a b o v e m a i n d e c k f o r S P M F P S O F P S O船体采取单点系泊方式,上部模块与单点系统的界面以单点平台空间区域为界限,工艺管线、结构、电缆等连接界面设置在单点平台边缘区域,与上部模块的连接在集成阶段完成。3 结论与展望总结归纳巴西、墨西哥湾、西非海域的包络设计基础,首次开展了适应相关海域的通用型F P S O上部模块界面原则的研究,对于后续F P S O的投资开发具有一定的意义,主要体现在:相关工艺、总体布置、结构及电仪界面原则将为投资方对于上部模块功能设定、投资估算、投标方建造能力评估及资源锁定提供参考;为目标海域不同参与方策略和方案评估提供界面基础。F P S O的设计周期通常为1 8个月,相关界面基础的锁定时间通常为68个月。本研究相关界面原则成果将有利于上部组块设计方与其他单体设计方就界面接口快速达成一致结论,预计将节约设计周期2 3个月。参 考 文 献1肖建华.F P S O总体设计关键技术研究D.辽宁:大连理工大学,2 0 1 7.2席时春.论F P S O总体设计J.中国造船,2 0 1 3,5 4(2):1 4 01 4 4.3刘辉,孙玉娟,廖耀辉.F P S O工艺模块结构设计标准化研究J.船舶标准化与质量,2 0 1 7,(2):3 5 3 8.4张武奎,刘振国,宋儒鑫.发展中的浮式生产储卸油装置(F P S O)关键技术C.海洋工程学术会议论文集,2 0 0 5.5窦宏波.浮式生产储油装置建造中的几个关键界面J.中国海上油气工程,2 0 0 3,1 5(5):8 1 1.6刘俭飞.F P S O控制系统一体化设计J.仪表仪器用户,2 0 1 7,2 4(6):3 5 3 8:7曹学文,付春丽.3 0 1 04T F P S O生产工艺流程设计J.油气田地面工程,2 0 0 9,2 8(1):4 1 4 3.