一种新型原油输送装置的应用模式

王 丹， 吴承恩， 蔡 灵， 金允龙

(1. 上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135;2. 南通中远船务工程有限公司， 江苏 南通 226001)

0 引 言

目前国际上有2种主流的卸油方式，分别为带动力定位能力的穿梭油船(Dynamic Positioning Shuttle Tanker, DPST)卸油模式和CALM(Catenary Anchor Leg Mooring)卸油模式。DPST作为浮式生产储油卸油装置(Floating Production Storage and Offloading, FPSO)的重要组成部分，造价远高于同等吨位的常规油船，其载重量多在8万～15万t，而常规油船的载重量可达30万～40万t。对于西非目前采用的CALM卸油模式，当水深达到一定程度之后，CALM的建造和安装成本急剧上升。因此，如何在大规模、远距离的深海油气资源开发和运输中充分发挥常规油船数量多、造价低、载重量大和运输成本低的优势，使现有的油船能在不加以改造的情况下从事深海油田的原油运输作业，成为国际原油输送装备技术的客观需求和潜在发展方向。深水动力定位原油输送装置CTV (Cargo Transfer Vessel)是顺应这一发展的产物。

1 CTV应用模式的特点

CTV的应用模式是将FPSO上的原油通过CTV过驳，通过CTV与常规油船柔性连接的输油系统实现卸油。CTV原油外输模式示意见图1。

图1 CTV原油外输模式示意

CTV可依靠自身的动力部署到任何油田，能安全、高效地将FPSO上的原油输送到任何尺度、任何类型的油船上，有效替代DPST。该装置能适应现有深海油田FPSO和常规油船的工作水深和作业环境，与传统的“FPSO+DPST”模式相比，具有原油输送装载量大、成本低、作业风险小、节能环保和适应性强等特点。与CALM作业模式相比，该装置的最大优势是1艘CTV能为多个FPSO服务，且成本较低。

CTV具有强大的动力定位能力，不仅能保证自身在原油输送作业工况下的定位能力，而且可兼顾原油船的定位，严格控制原油船与FPSO之间的安全距离，防止发生碰撞。

2 CTV应用模式与其他典型应用模式的比较

1) 在DPST模式中：当原油需长距离运输时，例如从巴西到中国，会选择一个中转点(油库或锚地)倒油，将原油从DPST转到常规油船上，由常规油船运输到目的地；当原油只是短距离运输时，例如从巴西到美国，没有转驳倒油的过程，由DPST直接将原油输送至目的地(见图2)。

2) 在CALM模式中：CALM只是一个转驳装置，不具备储油功能，通过锚泊固定在某个位置，不能随机移动；常规油船通过单点系泊与CALM连接，通过油管卸油，不管是长距离运输还是短距离运输，卸油模式不变(见图3)。

3) CTV不具备储油功能，但能航行，能调配到邻近的FPSO所在位置或其他海域作业，具有强大的动力定位能力，与FPSO之间无缆绳连接，与常规油船之间采用单点系泊，通过油管卸油。

图2 DPST卸油模式示意

图3 CALM卸油模式示意

3 CTV的功能配置

作为离岸深水FPSO与超大型油船(Very Large Curde Carrier, VLCC)等常规油船之间实施原油转驳外输的中间载体平台，CTV不仅需具有抵御恶劣风浪干扰的能力，更需具有VLCC等常规油船牵引控位下的动态定位能力。为保证CTV能有效作业，当一组定位系统逻辑损坏时，船舶仍可实现动力定位，CTV至少需满足DP2的要求。CTV艏部设置有2个全回转伸缩推进器，与艉部的2个推进器配合使用。

当VLCC系固在CTV上，通过CTV给油船供油时，油船与CTV之间需保持一定的距离，在不使用拖船达到这一目的时，油船与CTV之间需系泊，利用油船的单点系泊装置来实现，CTV上配置相应的系固点。根据OCIMF的建议，15万t以上的油船需配备2套单点系泊装置，其中1套备用；CTV为适应这些系泊要求，也需配备2套系固点，其中1套配用，其安全工作负荷应与相应的油船相当。

CTV的最终目的是实现深海原油过驳，搭载有原油装载系统和原油外输系统。

1) 原油装载系统是将FPSO的原油引进的入口，DPST一般考虑采用艏装载系统，即原油装载系统入口在艏部，但CTV的作业理念是只作转驳系统，不具备储油功能，故主尺度会小于DPST，小尺度的CTV在波浪下的运动幅度较大。由于横向底部加有减摇的底边裙，横摇运动大幅度减小，纵摇运动幅度比较大，故考虑采用侧装载系统，以减小装载接头的受力，提高操作的灵便性。

2) 原油外输系统通过CTV将FPSO的原油输送到油船上，在设计上借鉴FPSO的原油外输系统——艉输。原油输送软管的提升和下放设备有相应的绞车和克令吊，布置在适当的位置处。

CTV的电站功率比较大，采用的是直流电站；直流配电系统的主机是变速机，根据不同的负载运行在不同的转速下，可降低燃油消耗率；采用发电机与推进器经过整流器直接相连的方式，能大大降低配电系统的尺寸和重量。为保证失电情况下的紧急供电，CTV配备有大功率的蓄电池，在出现突加负载或全船发电机组都不能工作的情况时，蓄电池组会及时短时供电，以满足工况的需求和紧急情况下的应急操作要求，从而保证整个电网运行的可靠性和安全性。

此外，在作业时还应考虑海况突变的情况。在较恶劣的海况下，当原油船的相对位置难以控制时，艉输系统的快速应急关断(Emergency Shut Down, ESD)阀、应急释放阀和系泊绞车的应急释放装置会形成连锁保护，对装置和外输系统形成安全保护。对CTV的艉输系统和系泊系统进行集成设计，建立设备信号采集监测系统和控制系统，实现艉输系统与系泊系统的数据相互交换和控制，通过应急关断阀实现艉输系统的应急关断，通过应急释放阀实现艉输软管与艉输绞车的切断，通过大缆绞车释放机构实现系泊系统的应急释放，从而保证整个装置与原油船之间的连接和解脱功能可靠实现。

CTV功能配置主要参数见表1。

4 CTV作业基本操作流程

参考艉输模式的作业流程，FPSO、CTV和常规油船之间输油软管的对接均需拖船或带缆艇辅助完成。CTV原油外输作业的基本操作过程如下。

1) 常规油船与CTV的系泊。常规油船的艏部靠近CTV的艉部，用撇缆器将撇缆抛至常规油船上，由常规油船牵引绞车将撇缆上的先导索和前端摩擦链拉上常规油船，然后由掣链器将摩擦链固定好。系缆索另一端与CTV大缆绞车相连，两船系泊完成。CTV将常规油船拖至作业地点。

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表1 CTV功能配置主要参数

2) CTV与FPSO外输软管连接。启动FPSO软管收放滚筒，由FPSO艉部服务吊机协助，将外输软管放到辅助拖船上，拖船将软管拖到CTV中部，CTV吊机将软管吊至CTV侧装载系统区，与接油管连接好。

3) CTV与常规油船外输软管连接。启动CTV软管收放滚筒，由艉部服务吊机协助，将外输软管放到辅助拖船上，拖船将软管拖到常规油船中部，油船吊机将软管吊至油船集管区，与接油管连接好。

4) 辅助系统启动。FPSO启动扫舱泵，将储油舱底部的高含水原油打至污油舱。启动外输装置、计量标定装置、液压单元和供电系统等。

5) 外输启动。从FPSO开始，通过CTV向常规油船打水冲洗油管，并在一定的压力下保持30 min，检查是否有泄漏；检查无误之后，FPSO开始向常规油船缓慢输油，以将油管中的水排至常规油船的污液舱；油管中的水排完之后，打开常规油船储油舱接口，FPSO启动外输泵，逐步增大流量至额定值，开始外输原油。

6) 外输结束。当外输油量达到既定值时，外输结束，关闭外输泵，常规油船将之前接收的水通过CTV打回到FPSO以冲洗油管，增压泵旁通阀打开，外泄阀关闭，CTV软管与常规油船断开，并将油管中残余的水排至CTV的污液舱，由拖船协助软管回收到CTV的卷筒上。常规油船系泊解脱，CTV回收系泊缆索，断开侧装载接头，由拖船协助软管回收到FPSO的软管收放滚筒上。

采用CTV模式作业前的准备工作包括：海上气象和海况条件的确定；应急预案的确定；外输系统和设备的检查；溢油回收装置的准备和辅助船的就位；油船的应急解脱程序和紧急停运计划的制订等。

5 CTV作业条件和范围

在CTV牵引常规油船卸油这种应用模式下，常规油船采用单点系泊，在给定的环境下会有一个平衡位置，在平衡位置附近摆动。以CTV的系泊点为转点，调整CTV的艏向，使其与常规油船平衡位置的艏向相同。常规油船在平衡位置附近的偏荡有一个范围，该范围在既定船型下取决于环境载荷。

CTV与FPSO之间带有2根大缆，当浮体在波浪中运动时，2根大缆受力并不均匀，在常规油船的偏荡下，总是一根大缆松弛，另一根大缆张紧，大缆的破断负荷为600 t。参考法国船级社(Bureau Veritas, BV)系泊规范，若缆绳作业时的安全系数取1.7，则张紧的大缆在作业时的安全工作负荷取350 t左右，与OCIMF中对VLCC单点系泊装置的安全工作负荷要求一致，即作业过程中应保证大缆的张力≤350 t。CTV的最大牵引力以在6级海况下牵引30万吨级油船为目标，当CTV牵引VLCC作业时，通过数值仿真和模型试验验证，在2.5 m有义波高下，CTV与VLCC之间的系泊大缆的最大张力可达到339 t，此时整个作业系统是安全的。在有义波高为3～4 m时，大缆的最大张力>350 t，需拖船辅助作业，以减小VLCC的受力和偏荡范围。整个系统能作业的环境条件为7级风、2 kn流、4 m有义波高。在该海况下， CTV与FPSO之间的安全作业距离为100 m，CTV与VLCC之间的安全作业距离为150 m。CTV具有机动性和跟随功能，在一个安全的扇形作业带范围内，通过调整艏向角和位置，能有效控制3个浮体之间的安全作业距离，实现深海原油过驳。CTV扇形安全作业带范围示意见图4。

中远海运重工在巴西FPSO原油外输市场的需求下，与挪威SealoadHolding AS公司签约建造了2艘CTV，目前命名为“sealoader 1”的首制船已准备交船(见图5)。

图4 CTV扇形安全作业带范围示意

图5 CTV实船

6 结 语

在CTV卸油模式下，常规油船无需任何改造便可投入使用；相比常规油船，DPST的造价和维护成本较高。在长距离运输时，采用DPST模式成本较高；而采用CTV模式既可节约中转存储费(或锚地过驳费)，又能节约时间成本。在短距离运输时，采用CTV模式的成本与采用DPST模式的成本基本相当。在CALM模式下，中转驳装置的深水安装成本较高，且存在技术垄断，CTV的出现填补了长距离原油低成本运输的空白。CTV具有以下优势：

1) 通过动力定位实现与FPSO的动态跟随，不存在系泊或其他方式的连接，其强大的装机功率可牵引VLCC进行原油转驳；

2) 具有灵活的机动性，可实现恶劣海况下的原油转驳，可依据石油公司的计划灵活地自航至目的地；

3) 能解决部分边际油田和短距离必须使用DPST的问题，提高VLCC的作业范围和作业条件，降低原油的装载成本。