“海洋石油119号”FPSO海水取水系统方案研究

王文祥 白雪平 李 达 陈子婧 于邦廷

(中海油研究总院有限责任公司 北京 100028)

1 南海现有FPSO海水冷却系统问题分析

海水冷却系统是FPSO正常生产不可或缺的组成部分[1-2]，不仅用于电站、锅炉、惰气装置、中央空调及其他机械系统的冷却，而且可为工艺流程系统的正常运行提供不可缺少的冷却介质[3]。海水冷却系统由海底门、通海阀、海水总管和海水泵组成，通常布置在FPSO机舱内，冷却的海水从机舱海底门经海水总管通过冷却泵供给用户，因此，海水冷却系统对FPSO的正常运行至关重要。然而，海水对系统管线和设备的腐蚀及海洋浮游生物对船底及海底门的侵蚀，使海水冷却系统面临极大的威胁。通常情况下，常规油轮在海上航行一段时间后会进坞检修，而新建FPSO需连续作业至少10年，作业期间通常采用水下检验的方式替代进坞检验[4]。因此，FPSO存在检修复杂且风险高的问题。

南海新建FPSO包括“南海奋进号”“海洋石油111号”“海洋石油115号”“海洋石油116号”和“海洋石油118号”，机舱内均设置了3个用于海水冷却系统的海底门[8](图1)。虽然这些FPSO在设计时考虑了水下检验与维修用的海底门封堵措施，但从全生命周期来看，存在很多无法保证潜水员安全和船体安全的情况：①南海海域水流速度大，封堵毯无法固定在海底门上，且其水下暗流也将威胁潜水员的生命安全；②通海阀尺寸很大，一旦海底门封堵毯出现异常，将会为油田生产及海上人员的安全带来灾难性后果，即使采用双道阀通海阀，也同样存在着海底门第一道阀在检验和维修时封堵不上的情况；③南海海域海生物种类丰富且生长较快，一旦附着在海底门外侧、管道和海水阀上，则极易造成海底门的结构腐蚀、海水阀堵塞、无法关严和失效。

图1 “海洋石油115号”FPSO海底门Fig .1 Underwater door of HYSY 115 FPSO

根据对现有南海FPSO海底门的调研，发现除“海洋石油118号”FPSO外，其他几个型号的FPSO在实际运营中均出现了不同程度的腐蚀，因此在坞修期间不得不更换海底门和通海阀等设备；“海洋石油118号”FPSO虽然腐蚀情况不严重，但由于其采用了特殊封堵盖板的方法及船体表面的固定装置来实现船外板的封堵，因此海底门内单条管线或通海阀封堵不严的问题仍未得到彻底解决。

尽管机舱海底门取水是我国目前主流的FPSO海水冷却系统方案，而且有着较高的技术优势，但近几年来舷侧边舱取水方案以其特有的优势被越来越多国外的FPSO采用，也逐步被国内海水冷却系统的设计所接纳。

流花16-2/20-2/21-2油田群是中国海油在南海发现的第一个自营大型深水油田群，将采用水下生产系统加FPSO的整体开发模式[5-7]，即通过单点实现井口物流传输至FPSO处理、储存和外输，通过海底电缆为新建的水下井口提供动力，通过脐带缆为水下生产系统提供控制和化学药剂注入，因此FPSO的正常运行对于流花油田群的安全开采至关重要。本文针对FPSO海水冷却系统检修复杂、风险高的问题，以流花16-2/20-2/21-2油田群“海洋石油119号”(以下简称HYSY 119)FPSO为例，开展了考虑海水取水系统特点，并以全生命周期性和人员安全性为设计理念的FPSO海水取水系统方案研究。

2 HYSY 119 FPSO概况

根据流花16-2/20-2/21-2油田群的产量剖面和整体开发模式，在技术及经济性双重比选下，该油田群考虑新建一艘15万t级FPSO，即HYSY 119 FPSO，用于接收、处理油田群水下生产系统输来的井流如原油等，之后通过FPSO实现储存和外输。因此，HYSY 119 FPSO是流花油田群开发生产的关键设施。参考中国海油30余年的FPSO运营经验，结合南海油田的油品特性及环境条件(其所在区域水深420 m)，确定了HYSY 119 FPSO船体的主要设计参数及标准(表1)，其设计效果图如图2所示。

表1 HYSY 119 FPSO主要设计参数及标准 Table 1 Main design parameters and criterias of HYSY 119 FPSO

图2 HYSY 119 FPSO设计效果图Fig .2 Design sketch of HYSY119 FPSO

3 HYSY 119 FPSO海水取水系统方案比选

3.1 机舱海底门取水方案

目前由中国海油运营的17艘FPSO均采用机舱海底门取水方式。机舱海底门取水方案的总体思路是考虑将6～7个海水泵(通常为离心泵)放置于船体机舱内，这些离心泵将海水从3个海底门抽取至FPSO的海水总管，再分配至船体和组块的各用户，如图3所示。

3.2 舷侧边舱取水方案

舷侧边舱取水方案是最近几年随着潜没泵技术的进步逐步发展起来的，其总体思路是考虑海水泵(通常为潜没泵)布置于船体舷外或舷侧边舱内，这些潜没泵将海水抽取至FPSO海水总管，再分配至船体和组块的各用户，如图4所示。

海水泵的布置有船体舷外侧和舷侧边舱2种方式。布置于船体舷外侧的方式基本不影响船体主甲板的布置，但需要使用结构固定件，因而存在与供应

图3 机舱海底门取水方案的海水取水流程图Fig .3 Flow chart of seawater intake systems from undersea door of engine room

图4 舷侧边舱取水的海水取水流程图Fig .4 Flow chart of seawater intake system from side ballast tank

船靠船冲突的风险，另外也需要加强对护管的保护[9]。布置于舷侧边舱的方式可以避免布置结构固定件及与供应船碰撞的风险，但舷侧边舱的布置会较为紧凑。从技术和安全的角度出发，采用舷侧边舱取水方式更符合中国海油 FPSO操作的实际需求。

3.3 取水方案的对比分析

机舱海底门和舷侧边舱取水方案的特点及优势对比如表2所示[10-11]。从表2可以看出，在设计理念、运行可靠性、维修便利性、系统经济性、全生命周期性能和人员安全性等方面，机舱海底门和舷侧边舱取水这2种方案特点不同且各具优势，但均可满足海水连续、可靠的供给需求；然而在全生命周期性能和人员安全性这两方面，舷侧边舱取水方案更加有利于保障人员生命安全及保持FPSO的作业安全。

表2 机舱海底门和舷侧边舱取水方案的对比Table 2 Seawater intake system comparisons between undersea door of engine room and side ballast tank

4 HYSY 119 FPSO海水用户需求分析与取水系统方案配置对比

4.1 海水用户需求分析

海水主要用于工艺介质冷却、设备冷却、空调、冲洗设备及甲板等用户，每个用户的用水量根据实际需求来定。根据工艺处理流程及需求，HYSY 119 FPSO的海水主要用户及其用量统计见表3。

表3 HYSY 119 FPSO海水冷却系统主要用户及用水量统计Table 3 Main users and water demand statistics of HYSY 119 FPSO cooling water systems

从表3可以看出，HYSY 119 FPSO的总体海水用量为3 592.7 m3/h，其中上部组块用户的海水需求量占FPSO总需用水量的72.1%。如果采用机舱海底门取水方案，则需在机舱内布置6台700 m3/h的主海水冷却泵(离心泵)和1台420 m3/h的辅助海水泵；如果采用舷侧边舱取水方案，则需在船体舷侧布置3台1 450 m3/h的主海水冷却泵(潜没泵)和1台420 m3/h的辅助海水泵。

4.2 取水系统方案配置对比

根据以上对海水取水系统方案的总体思路和用户系统的分析，将机舱海底门取水和舷侧边舱取水方案的配置加以总体对比，如表4所示。

表4 HYSY 119 FPSO海水冷却系统方案对比Table 4 Comparisons of HYSY 119 FPSO cooling water systems

虽然中国海油在采用机舱海底门方面具有丰富的设计、建造和运营的经验，但采用该方案面临潜在的停产和人员安全事故的风险。 而采用舷侧边舱取水方案可以减少海水泵的数量，有效减小输往上部模块的大管径输水管线的长度、质量和机舱的长度，避免海底门由于腐蚀或无法封堵导致的FPSO停产的风险，以及由于潜水员水下误操作而导致人员伤亡。

因此，在综合比较海底门取水和舷侧边舱取水方案后，认为HYSY 119 FPSO采用舷侧边舱取水方案具有更好的技术性、经济性和安全性。

4.3 舷侧边舱取水方案布置与实施

目前HYSY 119 FPSO仍处于建造阶段，计划于2020年5—6月在海上安装并服务于南海流花16-2/20-2/21-2油田群，是国内首次在设计上采用舷侧取水方式的浮式结构物。基于HYSYS 119 FPSO的船体布置和上部组块的布置空间需求，舷侧边舱取水方案的3台主海水泵和1台副海水泵均布置于右舷船中压载水舱内，并最大程度地减少与上部组块的干涉及管线的长度；海水泵布置于吊机可以覆盖并远离排海口的位置，且保障海水泵吸入口在正常生产时不露出水面；每个海水泵均采用一个护管与船体相连，保证海水泵的操作安全。

考虑到FPSO在运营过程中需5年进行2次水下检验来替代坞检，在进行海水泵区域的船体检查时，出于安全因素的考虑，需停止运行该区域的海水提升泵；而海水提升泵作为全船海水水源，其停泵对生产及人员都会造成不便。为了保证潜水员的安全性及坞修期间不停产，可以考虑再增加一路从尾部消防泵出口至海水总管的管线，用于提供海水水源。

5 结论与建议

本文分析了南海现有FPSO海水冷却系统存在的问题，对HYSY 119 FPSO机舱海底门取水和舷侧边舱取水2种海水冷却系统方案进行了对比分析，认为舷侧边舱取水方案具有较好的技术性和经济性，在人员安全和全生命周期生产方面更具优势。考虑到FPSO在运营过程中需5年进行2次水下检验，为了保证潜水员的安全性及坞修期间不停产，建议考虑从尾部消防泵出口再单接一路管线到海水总管用于提供海水水源。