新概念FPSO总体方案设计研究

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(1.胜利油田博士后工作站，山东 东营 257000；2.胜利油田胜利勘察设计研究院有限公司，山东 东营 257000；3.胜利石油管理局设备处，山东 东营 257000)

浮式生产储油装置FPSO (floating production storage and offloading system，)应具有较大的储油量、承载能力和甲板面积。FPSO的浮体外形决定其运动特性、建造成本、操作成本和安全性，影响FPSO的浮体强度和储油效率，而FPSO的运动性能又直接影响上部设备与仪器的正常工作、人员的舒适性和生产原油的质量。根据文献[1]的研究，传统的船型FPSO水动力性能较差，建造成本和运营成本高，储油效率也不够理想；圆筒形FPSO虽然具有诸多优点，但也存在垂荡运动幅度较大，易激发涡激振动，且甲板面积较小且紧凑，不利于危险区与非危险区分离等缺点。因此，为了充分发挥FPSO在海上油田开发中的潜力，有必要研发全新概念的FPSO浮体形式。

本文提出改进FPSO性能的“固有周期优化设计法”，开发一种性能优良的圆角倒棱台形FPSO(IQFP)浮体概念，并给出一个优化的IQFP的初步概念设计工程实例。

1 设计基本思想

1.1 浮体的固有周期优化设计法

在初期研发阶段，通常以稳性和水动力性能作为浮体形式和主尺度确定的两个主要约束条件。初稳心高是衡量浮体初稳性的重要指标，初稳心高的大小对静稳性曲线的形状有直接影响，初稳心高越大，复原力矩越大，抵抗倾斜力矩的能力也越强。固有周期是浮体运动性能的重要指标，增大固有周期既可以使浮体的摇荡幅度减小，又可以改善FPSO的可操作性、生产原油的质量和人员的居住环境。

船型浮体形式的FPSO运动性能较差，在恶劣环境条件下常因不能满足生产和辅助设施的操作条件而停产，造成油气产量损失。因此，新建FPSO时应格外关注运动性能的改善。优化FPSO的固有周期，使之与作业海域极端环境条件相适应，避免结构与海浪集中的频率发生共振，是减少因环境恶劣而引起FPSO停产的根本措施。

研究发现，浮体外形和主尺度是浮体固有周期的决定性因素，而压载量及其分布、储油量、甲板载荷等对浮体的固有周期的影响是次要的[2]。因此，本文提出“固有周期优化设计法”这一改进FPSO性能的新思路，即通过综合考虑多方面因素的影响，仔细设计FPSO外形，并合理选择浮体主尺度，来优化浮体固有周期，使其运动最小化，从而尽可能减少FPSO的停产时间，并减小结构的设计荷载，降低FPSO及其系泊系统的设计成本。

1.2 改善运动性能的措施

根据船舶静水力学理论[3]，有

(1)

(2)

h=zB+r-zG

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Tθ——横摇固有周期；

▽——排水体积；

h——初稳心高；

Ix——浮体的总惯性矩；

r——初稳心半径；

I——浮体水线面横向惯性矩；

zB——浮心垂向坐标；

zG——重心垂向坐标；

μθ——无因次衰减系数；

Nθ——阻尼系数；

θ——横摇角；

B——浮体宽度。

由式(1)可知，当排水量给定时，固有周期的提高可以通过减小初稳心高或增加惯性矩两个途径达到。

由式(2)、(3)、和(1)可知，当排水量一定时，采用较小的满载水线面，可使I迅速减少，从而使r降低，并尽量使浮心下移，进而使h减少，从而达到提高Tθ的目的。并且，由式(4)和(5)可见，h的减少可使μθ增大，减小浮体的摇摆角度。但水线面减小会引起垂荡运动变大，这可通过设置舭龙骨增大粘性阻尼来解决。

从式(4)～(6)可知，增大浮体的宽度B，可使Ix增大，Tθ提高，但会使μθ减小，浮体的摇摆幅度增大，这一矛盾也可以通过设置舭龙骨增加Nθ来解决。

综上所述，采用小水线面线型和增大浮体宽度是全面改善浮体横摇性能的有效措施。另外，浮体采用倾斜的侧边也有利于增大绕射阻尼，从而增加垂荡固有周期，降低垂荡运动[4]。

1.3 改善稳性的措施

改进浮体稳性的措施有很多。例如，增大浮体的宽度B，可使浮体水线面横向惯性矩和出水及入水楔形的体积静矩增加，浮体的初稳心高和静稳性臂增大，从而改善浮体的横稳性；尽量降低浮体的重心，或适当加大型深，增加干舷高度，可增大浮体的静稳性臂、极限静倾角和稳距，有效地改善浮体的稳性；此外，设计浮体时，使水线以上的横剖线适当外飘，以增加倾角较大时的回复力矩，也能获得增强浮体稳性的效果。

由以上讨论可知，初稳心高是决定浮体摇摆快慢的一个重要特征数。初稳心高较小的浮体摇摆周期长，摇摆缓和；反之，初稳心高过大的浮体，摇摆周期短，风浪作用下会产生剧烈的摇摆。但是，减小初稳心高又与稳性要求相矛盾。因此，在设计中必须全面衡量，统筹考虑，合理的原则是运用协同优化原理[5-6]，在保证浮体运动性能优良的前提下，通过调整影响FPSO性能的设计变量，获得较理想的稳性特性，使稳性和水动力性能都能得到很好的满足。

2 圆角倒棱台形浮体概念

2.1 圆角倒棱台形浮体简述

如图1所示，所研发IQFP浮体采用单甲板双层底双舷侧结构。

图1 圆角倒棱台形FPSO(IQFP)浮体三维模型示意

双层底和双舷侧的内空间用作压载舱，同时可防止底部搁浅破损溢油，确保生产安全，平整的内底也便于清舱和洗舱。浮体的上部主要部分采用轴对称圆角倒四棱台体结构，倒棱台体下面为圆角棱柱体形状的底部压载舱。浮体中部设圆柱形中央舱，用于敷设管线，直接通往所有的液体舱，而在油、水舱中不再需要任何管线，各种管线和电缆等原材料可比船型FPSO节约30%。储油舱呈环扇形，均匀分为8个舱室，布置在倒棱台体部分中央舱的外围。从结构连续性的角度考虑，舷内侧的边压载舱的分舱方式同储油舱，也分为8个舱室，有利于提高钢材利用率，节约钢材。储油舱和边舱之间的舱室可根据需要用作机舱、泵舱、燃油舱、滑油舱、淡水舱、锚链舱、杂物舱(放置缆绳、救生艇、工具等)和油处理舱、水处理舱、合格油缓冲舱、净化水缓冲舱、污水舱等，各舱的容积由工艺流程的要求确定。污水舱的容积应满足MARPOL要求，最小容积为储油舱容积的1.5%～2.0%。

2.2 圆角倒棱台形浮体的优点

圆角倒棱台形浮体具有较小的水线面面积，能保证获得足够大的固有周期。浮体的长、宽尺度相同，与船型FPSO相比，可以保证浮体对不同方向的海洋环境载荷都有良好的适应性，使浮体各个方向的稳性更好，在不同方向的风、浪、流作用下具有相似的运动响应，消除了艏摇激励，适于采用多点系泊系统，而没有必要使用昂贵的转塔和流体接头。双层底压载舱还起到舭龙骨的作用，增加横摇阻尼，进一步减小浮体的横摇运动和垂荡运动。与圆筒形FPSO相比，倒棱台体形状浮体的甲板使用面积更大，更能满足甲板工艺模块的操作流程要求。

另外，在保证稳性和保持主甲板面积不变的情况下，FPSO还尽量加大型深，以加大浮体的横截面面积，提高浮体的中剖面模数，进一步增大结构强度，减小结构应力，提高浮体的承载能力；并且因此来获得较大的排水量，免受大水线面面积所带来的大波浪力影响。浮体侧面的棱边均进行圆弧倒角，规则的圆弧形状比大面积平板折角更能分散海流的冲击作用，有利于减小阻力。

非圆形截面和倾斜的侧边有利于抑制涡激振动，减小摇荡运动幅值。相同的长宽尺度和适当外倾的横剖线也使浮体各个方向的稳性更好、工作甲板的承载能力更大。当浮体侧面倾斜角度较大(35°～55°)时，可使作用于其上的海冰以较弱的受弯方式破坏，因此具有明显的抗冰能力。

浮体的紧凑型设计可使其结构件的弯曲载荷和疲劳强度最小化；显著提高浮体的储油效率；安装与维修时，减少与工作船碰撞的危险。而且，紧凑的浮体能显著节约用钢量，经计算，与同样储油量的船型FPSO相比，本文开发的FPSO浮体的用钢量可节约30%～40%。浮体呈对称形状，结构简洁，适合进行模块化建造以降低成本、缩短建造工期，并且由于各模块结构的相似程度高，进一步降低了设计和建造的难度。

3 IQFP设计实例

根据渤海海域某区块油田的海洋环境条件和油田生产要求，设计一座IQFP总体方案实例。该油田最大年产原油200 000 t，海域水深20～22 m。

根据所研发IQFP概念的特点，以浮体的稳性和运动性能为主要约束条件，运用交互式设计流程思想和“固有周期优化设计法”，考虑FPSO在位水域的水深、设计储油量和生产工艺流程模块的尺度和布置等因素，先提出一个初步设计方案，再根据设计方案的简化计算模型[7]，计算浮体的固有周期，并校核稳性是否满足规范，如稳性不满足或固有周期与最高波浪周期相差3 s之内，则调整浮体主尺度与舱室布置，直到两个主要约束条件都能得到较好的满足。经过不断地循环调整过程，平衡各方面因素，最终得到一个优化的FPSO的主体尺度、舱室布置和上部设施布置方案。

3.1 主体尺度和舱室布置

从经济、安全和连续生产的角度出发，设计IQFP平均生产时间为340 d/年，外输一次的生产时间为14 d。IQFP的主尺度主要取决于原油储量及甲板工艺模块布置的要求，其中，IQFP的设计储油量可由公式(7)求得[8]：

Q=(t1+t2+t)q+ω

(7)

式中：Q——设计储油量；

t1——外输一次的生产时间；

t2——穿梭油轮的受载期；

t——连续坏天气时间；

q——油田原油日产量；

ω——死舱油量。

经计算，得到IQFP的设计储油量为11 765 t。

IQFP的主体设计见图2。考虑到稳性要求，边舱沿高度方向在中部设一道横舱壁。工艺舱可根据需要进行不同的布置，容积由工艺流程的要求确定。图2 d)给出了各舱室布置的一个示例。可算得IQFP的储油舱容积为14 441 m3，压载舱的总容积为6 445 m3，满足压载要求。穿梭油轮可选用10 000 t级的船舶。

图2 IQFP浮体主尺度和舱室布置示意 (单位: m)

3.2 上部设施布置

FPSO上部设施布置的设计内容包括总平面布置、油气处理部分、注水部分、水处理部分、供配电部分、辅助生产系统和公用部分等。生产模块的首要任务是处理从井流中分离出的原油，并把处理合格的原油送入储油舱，保持50°～60 ℃等待外输。FPSO生产过程中将伴随分离出可燃气体，需将其进一步处理达到燃烧气标准，供电站使用，余下部分作火炬放空或燃烧。污水处理是生产模块的另一主要功能，也是FPSO的一项重要指标，污水处理达标后回注地层或排海。

上部生产模块布置的原则要求安全可靠，必须满足规范对防火、防爆、安全区域分隔和安全逃生方面的要求[9]。如生产平台位于主甲板以上至少3 m，以使生产过程中排出的有害气体自由流动；生产甲板的外边缘离浮体的舷侧板有大于2 m的距离，以保证主甲板上的吊物空间；非危险区的模块间距约100 mm，危险区模块与安全区模块间距约3.0 m，留有隔离区，同属危险区的模块间，应每隔3.5 m设隔离带；应急电站、应急消防设备、直升飞机平台等要布置在远离油气处理区的安全区域等。整个布置还要便于操作、检修。为便于操作，通常将生活楼布置在机舱之上。从安全生产方面考虑，生活楼应与火炬分开布置，与生产处理设施保持一定距离，中间用动力模块隔开；火炬塔应远离生活楼和直升机起降区。

生产模块的规格根据油田生产的特点确定。目标油田的原油物性和天然气物性参考埕岛油田的相关数据。其中，原油物性：油层原油密度0.868 2 g/cm3，粘度12.6 MPa·s，含硫0.13%，凝固点33 ℃，具有低密度、低粘度、低含硫和高凝固点的特点，属低含硫轻质原油。天然气物性：甲烷含量为87.95%，乙烷含量6.21%，丙烷2.72%，丁烷0.20%，异丁烷0.52%，二氧化碳2.22%，氮气0.29%。经计算，天然气相对密度为0.643 3。

根据油藏工程提供的产量预测及钻采工程提供的新井组的年度排产计划，确定IQFP的建设规模为：处理液量700 m3/d；天然气处理能力60 000 m3/d；注水站建设规模1 000 m3/d；污水处理规模：2 000 m3/d。

设计IQFP具有如下功能：①油、气、水处理；②储油约为11 000 t；③通过输油臂向10 000 t穿梭油轮输油；④向周围井口平台输电和注水。

根据上述条件，进行了IQFP的上部设施布置。如图3所示，IQFP的各种处理设备用不同的模块来表示，包括油气处理模块、水处理模块、动力模块等。工艺模块的尺度根据已有FPSO按比例换算成可适应日处理液量为700 m3/d的规模。生产甲板位在主甲板之上，间距为3 m(见图4)。主甲板上设2台吊机，供工艺设备维修及备品备件起吊用。生活楼位于舷侧，可供30人工作与生活，与生产甲板之间用堆货区和热煤模块隔开。由于单个边际油田的生产周期短，设计IQFP的油气处理设施和系统时，考虑了其在不同边际油田的适应性，最大可能地优化了系统和布置，增强了IQFP的灵活性，如预留空间，以便根据不同边际油田的开发需要进行改造或灵活调换生产模块。

图3 IQFP上部设施平面布置示意(单位:m)

图4 IQFP浮体立面示意

4 结论

为了充分发挥FPSO在海上油田开发中的应用潜力，本文研究了影响FPSO安全性和操作性的诸多因素，提出了一种新颖的圆角倒棱台形FPSO(IQFP)概念。理论分析证明，IQFP具有稳性储备充足、水动力性能优良、储油效率高、承载能力强、甲板易于工艺流程布置等诸多优点，而且，浮体形式适合采用多点系泊，大大降低了IQFP的建造和运营成本。本文是新概念FPSO IQFP的系列研究之一，在后续的研究中，将采用定量分析和对比研究等方法，进行IQFP的稳性和水动力性能分析及多点系泊系统的设计研究等工作。

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