西非深水FPSO总体设计研究

童　波

(中国船舶工业集团公司第七O八研究所， 上海 200011)



西非深水FPSO总体设计研究

童波

(中国船舶工业集团公司第七O八研究所， 上海 200011)

摘要：该文首先分析了FPSO(浮式生产储卸油装置)作为西非深水油气田开发装备的必要性，调研西非FPSO的系统组成和生产处理能力，研究西非海域海况特点，提出目标FPSO设计海况。其次阐述目标FPSO船型和主尺度设计时的考虑因素，分析西非FPSO总布置原则和关键区域布置要点。最后基于西非海况特点完成风生浪和涌浪共同作用下的运动响应预报，提出多点系泊方案并完成极限强度和疲劳强度的校核，从而提出一新型西非深水FPSO总体设计方案。

关键词：FPSO； 总体设计； 总布置； 运动性能； 多点系泊

0引言

西非是近年来油气勘探开发市场增幅最大的地区之一，除了传统的安哥拉和尼日利亚，该地区新兴市场如加纳、利比亚、刚果等也对油气开发装备有较大需求，其中58%的海洋装备用于500 m水深以上，1 500 m以上的超深水也占有相当比例。

深海油气田生产开发的海上装置主要有FPSO、半潜式平台、张力腿平台和SPAR等型式，其中FPSO是一种兼有原油处理、储存和卸油功能的浮式油气生产设施。FPSO长期系泊于某一固定海域，将开采的海底原油进行油、水、气分离处理后注入货油舱临时储存，再由穿梭油轮或海底管线外输[1]。分离出来的生产水经过净化处理排海或回注井口，天然气根据其产量用于动力装置的燃料进行外输或回注。经统计西非海域总共46座浮式生产装置，其中FPSO有39艘。水面设施的选型取决于油田开发模式，海上开采、处理的合格原油主要通过以下方式外输：

(1)对于离岸较近或海底基础设施建设发达的海域，例如墨西哥湾，较多采用半潜式平台、TLP或“SPAR+海底管线”的开发模式，其原油外输不受海况气象条件的影响。

(2)对于新开发油田或边际油田，无发达海底基建，例如西非、巴西等海域，通常需要穿梭油轮进行外输作业，具备较大储油功能的FPSO成为油田开采的必需装备。具体型式可采用“水下生产系统+FPSO+穿梭油轮”的开发模式，或在生产链中再加入另一个井口平台(半潜平台或TLP)，进行井液预处理，再输送到FPSO。

相对海底管道外输，随着该模式油田产量的变化需调整穿梭油轮的供应数量和频率，FPSO外输作业易受恶劣天气的影响，通常连接工况的有义波高不超过4.5 m，外输时间在24 h以内，串靠尾输时穿梭油轮通常具有动力定位能力，FPSO舱容也应考虑一定外输时间窗口关闭的缓冲储量。

该文以西非海域油田开发为研究对象，调研主要油田区块的特性以及该地区已投产的FPSO型式，提出适合西非海域作业的深水FPSO总体方案。

1功能概述

经调研近年已交船的西非FPSO作业海域水深多在1 000 m以上，FPSO储油量2×106桶，采用多点系泊定位。立管连接至船中左右舷，系泊系统多由“4×4根钢丝绳+锚链组合的系泊缆”组成，每根系泊缆通过桩基锚固定在海底。FPSO处理的合格原油经艏部两根管线输送至单点系泊的浮筒，浮筒距离FPSO 1海里(1海里=1.852 公里)，浮筒至少可系泊1.5×105t载重量的穿梭油轮。外输计量站位于FPSO，串靠外输作为辅助备用方案。

FPSO生产设施包括气液分离，油水分离，气体压缩、脱水后外输，生产水处理排海，海水处理后回注油田等功能。动力系统多采用燃气透平发电机，惰气系统使用碳氢气体。水下系统(SPS)和回注水系统提供化学药剂，化学药剂注入系统，独立的甲醇注入系统防止SPS和上部模块水合物生成。

经分析比较该目标FPSO生产处理能力如下：原油日产量1.9×105桶，气处理能力1.15 mm3/d，水处理能力7.87×104桶，单次外输量9.5×105桶，外输流量6 600 m3/h，外输温度15℃。上部模块工艺、动力电力模块，火炬系统和管廊架等总重量4.8×104t。

2环境条件

西非海域地处热带区域，海况情况较好，百年一遇有义波高约3 m，常年主导浪向明显，存在涌浪现象。由于西非海域的海洋环境要素没有相关性，产生源各不相同，环境条件极值不会同时出现，所有可能方向的组合均应考虑。

2.1季风

西非海域1月～4月在中部和南部海域盛行东北风，风速大于7 m/s，南部海域高达9 m/s。在北部海域为西南风，风速在6 m/s以下，低风带在30° N 附近，呈东北-西南走向。北部的西南风和中部的东北风构成了一个反气旋式的环流。从5月开始，在赤道附近东北风开始转为东南风，风速在5 m/s 左右，中北部环流变化不大，中部的东北风有所加强。6月～9月，北部的低风带继续维持，强度和范围略有变化，南部的东北风场有所发展，并在南部东南风场和中部的东北风场间有一风速低值带，风速大多低于3 m/s。10月～12月，南部的东南风继续维持较大风速，南部的低风带向大陆方向收缩，北部的低风带向东发展，基本占据25° N 以北海域。

2.2飑

西非海洋极端气象由飑引起。飑是陆上形成的雷暴，可引起突然且猛烈的风暴，持续时间不到一小时。值得注意的是这些极端风和极端浪是不相关的，因此应明确两组风速：定常风和飑。另外设备设计方应考虑干燥季节风携带的沙尘，会影响内燃机和HVAC设备空气吸入。

2.3波浪

西非海域在11月～次年3月，波高较大，在1.8 m～2.7 m之间；4月～10月，有义波高较小，多在1.2 m～1.8 m之间。西非海岸具有温和的海浪条件，受南大西洋生成的长周期涌的影响，涌的方向通常从南到西，涌和风生浪同时存在。

2.4海流

西非北部海域的流速较小，一般低于0.1 m/s，大致呈反气旋式环流。中部为西向流，流速在0.1 m/s～0.2 m/s；南部1月～4月为西北向流， 5月在5° N以北开始出现东北向流；6月～12月，以5° N 为界，南部为西北向流，北部为东向流，流速大多在0.5 m/s以上。

2.5水温

从全年来看西非海域的海面温度在16℃～30℃。11月～次年4月温度较低，北部海温最低达16℃，向南温度递增到28℃左右。5月海温开始升高，7月～9月温度达到全年的最高值。

根据调研资料，西非FPSO设计海况见表1。

表1　西非FPSO设计海况

3船型与主尺度

基于西非海域海洋环境特点，位于西非海域的FPSO可以采用多点系泊方式，并使主船体正对常年主导浪向，无需采用价格较贵的单点系泊转塔装置。多点系泊FPSO主船体前后共设四个系泊点，左右对称。每个系泊点有3～4根系泊链，所有系泊点的系泊链都是从主甲板上的止链机构沿舷侧垂直向下延伸，在距基线一定高度处，系泊链通过导链孔，与船体呈一定的夹角伸向海底。这种系泊方式适用于海况比较温和的海域，如西非、印尼海域等。

多点系泊FPSO由于不具备风标效应，为便于船厂建造，一般首尾采用折角线型，也无需设置艏楼防止甲板上浪。通常多点系泊FPSO一端布置生活楼，另一端布置火炬塔和外输装置，生活楼需要位于上风向，此端正对主导浪向。线型设计应考虑减小波浪载荷的影响，同时应考虑砰击载荷进行结构加强。拖带设备和防撞舱壁设置在外输端，此端的船体形状和结构应考虑穿梭油轮碰撞的风险以及减小拖航阻力。

由于热带海域海生物生长和腐蚀较为严重，长期系泊海上的FPSO采用无海底门设计，通过配置舷外海水提升泵实现海水压载、冷却、消防等功能。

西非FPSO的主尺度范围相对比较集中，特别是船宽、型深、吃水、货舱容积。船长的变化主要取决于不同FPSO工艺流程舱的数量和容积要求，在满足FPSO货舱舱容的基本要求和主尺度合理范围的前提下，尽量增加船宽和型深，控制船长，以降低建造成本，目标深水FPSO主要要素和设计时考虑的因素见表2。

表2　西非深水FPSO主要要素

4总布置特点

FPSO总体布置与作业海域、油品特性、生产流程、动力配置方案以及外输油方式等因素密切相关。FPSO总体布置依赖于设计基础、船型总体方案以及遵循的设计规范。根据国际上FPSO的总布置设计理念，在设计初始阶段就应该利用全船HAZID(危险性定义研究)和HSE(健康、安全及环境研究)，指导FPSO的总体布置，先确定设计的合理性，再进行深化设计[2]。FPSO总体布置基于以下几方面要求：

(1) 生活区位于工艺处理设施的上风向。

(2) 公用系统，电力系统靠近生活楼位于工艺处理设施的上风向。

(3) 立管支撑架靠近船中。

(4) 含碳氢化合物处理设备位于下风向，特别是高压天然气压缩设备靠近火炬塔。

(5) FPSO船中设置管廊架，设置通行布桥和设备运送的吊梁。

(6) 生活区设置为应急避难所。

(7) 直升机甲板临近生活区。

4.1典型船体分舱布置

货油舱呈3列布置在货舱区，根据工艺流程需要可能还包括：生产水舱、污油舱、脱盐水舱、甲醇舱等。

典型船体分舱布置需注意以下几点：

(1) 深水FPSO货油舱区域可为单底结构。

(2) 舷侧为双壳结构，并延伸到整个货油舱区域。

(3) 机舱区用双底双壳结构保护，提高该段的结构抗剪切能力。

(4) 甲醇舱(methanol tank)需通过隔离空舱与其他货油舱完全隔离。

(5) 机舱区需通过隔离空舱或泵舱与货舱区完全隔离。

(6) 工艺流程舱可能包括2个生产水舱和2个(及以上)脱盐水舱。

需要关注的是，合理分舱对FPSO总纵强度有相当大的影响。FPSO一般在满载工况出现最大中垂静水弯矩和剪力，所以除满足基本舱容要求外，分舱的目标要能够尽量降低静水弯矩和剪力值。

4.2外输系统布置

FPSO通过多点系泊定位在工作海域上，在FPSO附近设置了1～2个外输浮筒。外输浮筒也同样采用多点系泊方式，穿梭油船通过缆索单点系泊在浮筒上。外输油总管在FPSO艏部舷侧向下与外输油立管相连接，外输油立管从海底或水面下足够深的位置延伸至2 km外系泊浮筒，并与浮筒上的漂浮软管相接，穿梭油船系泊于浮筒上接收来自FPSO的原油。

外输浮筒上设有原油输入和输出接头，输入接头通过输油软管与FPSO相连，而输出接头通过输油软管与穿梭油船相连。外输准备工作完成后，打开FPSO的输油开关，原油就通过外输浮筒输入到穿梭油船上。这种输油方式的特点是输油效率较高，FPSO原油外输周期较短，另外由于FPSO与穿梭油船不直接连接，一定程度上增加了FPSO的安全性。

该系统作为30万吨FPSO外输油的主系统，穿梭油船不必靠近FPSO，避免了与FPSO相撞的危险。浮筒可设置在环境条件相对好一些的海区，同时穿梭油轮与浮筒相撞受损的概率非常小。其缺点是外输管系长度相对较长，阻尼损耗和油温下降都较大。由于该FPSO在热带海区，所以不必考虑油温问题。

4.3生活楼布置

生活楼布置的原则是降低潜在危险源对生活楼及安全控制设施的影响，其途径是：增加分隔空间、使用防火墙(或隔离舱)和利用主导风向。采用多点系泊方式的FPSO没有风标效应，一般位于海况条件较好的作业海域，在进行海上多点布锚时，就考虑船位方向和主导风/浪向一致[3]。多点系泊FPSO一般尾部朝向主导风/浪向，而船首部处于下风向。在此基本布局下，从船尾到船首的总体布置流程如下：生活楼/直升机甲板/主机舱→动力模块/热站→油水处理工艺模块→火炬塔→首部串靠外输油装置。

这样生活楼远离油气较密集的立管区域和外输油区域，并位于工艺模块区可能产生危险油气烟火的上风向较安全。另外在生活楼和工艺模块区之间一般布置有电站、热站和FPSO公用设备区，客观上增加了一道与危险区的隔离。发电机组和锅炉模块布置在货舱区主甲板，生活楼位于上风向，故相关的排气不会影响到生活楼的主进风道，发电机组和锅炉也不用增加额外的排气净化装置。

4.4多点系泊FPSO立管支撑件

所有的立管为柔性，并通过I型套管悬挂在左右两舷的突出平台上。立管的数量根据油田作业以及预留管线的要求确定，立管中心线纵向间距约3 m，横向距舷边至少2 m，立管支撑件将来自立管的载荷传递到主船体。I型套管的上端支撑承受垂向力，下端支撑承受水平力。为防止立管受供应船的撞击而损坏，在I型套管外侧需设置立管防护结构。根据作业要求，需选取基于正常操作和意外事故的供应船碰撞能量，以进行防护结构的设计。防护结构应能承受因意外事故碰撞而产生的塑性变形，变形后的防护构件需距立管300 mm以上。

图1　立管布置示意图

4.5海水提升沉箱

海水提升沉箱包括：主海水提升沉箱和应急提升沉箱。拖航时沉箱底部和船底齐平，以减少拖航阻力。在海水定点作业时，沉箱自身可延伸下沉10 m，同时利用延伸的橡皮软管，可在海平面以下100 m处取水。海水处理沉箱的基本结构和海水提升沉箱基本类似，为防止沉箱受供应船撞击而损坏，在沉箱外侧需设置相应的管状防护结构。

图2　海水提升沉箱布置示意图

5运动性能

5.1不同风、浪、流的组合

根据规范BV NI_493(“Classification of Mooring System for Permanent Offshore Units”， 2004)[4]，赤道(西非)海域的海况条件主要可分为以下四种主导模式：

(1) 涌主导海况；

(2) 浪主导海况；

(3) 风主导海况；

(4) 流主导海况。

根据规范，采用不同回归周期的环境参数进行组合，在多点系泊FPSO运动性能预报中，风主导海况和流主导海况不考虑，仅考虑涌主导和风生浪主导两种模式。

5.2波浪谱的确定

要反映西非海域主涌、次涌和风生浪的波浪能量分布特点，需要使用Ochi-Hubble双峰波浪谱来模拟风浪及主涌的共同作用，另外再设置一个JONSWAP波浪谱模拟次涌。Ochi-Hubble双峰波浪谱和JONSWAP波浪谱叠加来模拟西非海域的海况。

根据BV规范的要求，需要对波浪周期敏感性分析，除了考虑(HS，Tp)的组合之外，还需考虑(HS，0.85Tp)和(HS，1.15Tp)的组合。波浪能量主要集中在主涌和风生浪部分，波浪周期敏感性分析只针对主涌和风生浪部分，及双峰谱部分。次涌能量较小，不进行敏感性分析可以满足工程精度需要。

5.3短期预报值

短期预报的数值计算原理和流程较为常规，具体结果见表3。此外，该船在哈尔滨工程大学“风浪流水池”进行了模型试验，以满载涌主导海况为例对比数值计算和模型试验结果，两者匹配性较好，该水动力模型可用于定位计算分析。

表3　不同工况运动响应

6定位能力

该FPSO多点系泊系统共有16根系泊缆，分为4组，每组4根，相邻两组对应的系泊缆之间的夹角为120°，每一组内相邻两根系泊缆之间的夹角为5°。每根系泊缆由三部分组成，上部与船体连接的为锚链，中间为钢丝绳，下端为锚链，系泊缆参数见表4，每根系泊缆抛出的长度为4 000 m。

表4　系泊缆参数

西非海域风浪流的方向分布规律如下所示：

(1) 风浪和风的夹角不超过45°。

(2) 涌浪的角度在-45°～45°范围内变化。

(3) 风浪的角度在0°～360°范围内变化。

(4) 流的角度在0°～360°范围内变化。

按照BV规范NR_445(“Rules for the classification of offshore Units”，2010)[5]，以满载状态为例，不同主导模式海况组合下船体偏移和系泊缆张力校核结果见表5、表6。

表5　系泊缆张力校核结果

表6　船体偏移校核结果

按照BV规范NR_445系泊缆疲劳寿命校核结果见表7，以满载状态为例。

表7　系泊缆疲劳寿命校核结果

上述结果表明，该FPSO系泊系统极限强度、疲劳强度和船体偏移均满足设计要求。

7结语

该文以西非深水FPSO为研究对象，介绍FPSO在西非油气开发中的应用现状，以及油田开发模式决定的水面设施选型。调研近年已交船的西非FPSO船型特点，系统组成和生产处理能力。分析西非海域风浪流等海况环境特点，提出目标FPSO设计海况参数。阐述西非FPSO的船体线型和主尺度确定依据，分析总布置原则，说明船体分舱、外输系统、甲板面布置流程、立管以及海水提升沉箱等多点系泊FPSO的关键布置要点。阐述西非海域主涌、次涌和风生浪的波浪能量分布特点，以此为基础进行运动性能预报，并与模型试验比对，最后提出系泊系统设计方案，进行系泊强度和定位能力校核，从而完成西非深水FPSO的总体设计。

参考文献

[1]金晓剑. FPSO最佳实践与推荐做法[M]. 青岛：中国石油大学出版社,2012.

[2]金强. 秦皇岛32-6油田浮式生产储油船(FPSO ) 总体设计[J]. 船舶，2003，14(2): 32-39.

[3]中国安监总局. FPSO安全规则[S]. 2010.

[4]BV NI 493.Classfication of Mooring Systems for Permanent Offshore Units[S].2004.

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

收稿日期：2015-08-07

作者简介：童波(1983-)，男，工程师。

文章编号：1001-4500(2016)03-0011-08

中图分类号:P75

文献标识码：A

General Design Research for Deepwater FPSO in West Africa

TONG Bo

(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011， China)

Abstract：Firstly， the necessity for FPSO used in West Africa oil development was analyzed. The system and process facility for FPSO used in West Africa was investigated. The sea state in West Africa and the design parameters for wind/wave/current were determined. Then,the vessel type and main dimension was illuminated. The general arrangement principle and design outline for special area was analyzed. The motion for numerical calculation which is based on wind wave and swell was compared with model test. The spread mooring system was designed and the mooring line strength was checked. At last,the general design for deepwater FPSO for West Africa was completed.

Keywords：FPSO; general design; general arrangement; motion performance; spread mooring