半潜式生产储油平台压排载系统设计研究

2022-06-28凯张守森祁德路

海洋工程装备与技术 2022年1期

张凯张守森祁德路

(海洋石油工程股份有限公司设计院,天津 300450)

0 引言

根据杜庆贵等[1]对半潜式生产平台的设计和发展趋势做的研究,目前世界范围内钢结构的环型浮箱半潜式生产平台的发展只有20年左右,在服役和在建的类似项目较少,且立柱储油的可供参考的半潜式生产平台项目更是屈指可数。为了推动我国海洋油气的发展,迫切需要开发一个适应我国南海环境条件,具有自主知识产权的新型半潜式生产平台[2]。

半潜式生产平台压排载系统的设计是平台设计的关键技术之一,该系统设计直接关系到平台的稳性与安全[3],起到调节平台吃水及平衡的作用,同时保障平台和工作人员生命财产安全[2]。

李仁科等[3]对某深水半潜式生产平台压载系统配置做过研究,传统的半潜式生产平台多采用浮箱底部设置海底门,浮箱内设置单环网总管,且每个节点设一用一备两台离心式排载泵的压排载系统形式。但“深海一号“30年不回坞的总体设计准则,对南海的恶劣环境对压排载系统提出了更严苛的要求,不仅要满足船级社规范要求,也要满足附体总体设计要求,在此基础上提高压排载的效率适应储卸油功能和南海环境[4]。

“深海一号”的压排载系统对此做出了多项创新设计,例如海水泵顶部注入压载水、浮箱双环网、液压驱动排载泵等,本文主要对这种适用与半潜式生产平台的新型压排载系统的设计展开研究。

1 概述

“深海一号”能源站船体部分为口字形环型浮箱结构加4 个立柱组成,船体立柱加浮箱总高59 m,立柱尺寸为21 m×21 m,浮箱长49.5 m。浮箱内设置24个压载舱,立柱内设置4 个压载舱、4个货油舱,以及柴油舱、淡水舱、乙二醇舱和竖井通道,立柱周围以隔离空舱包围,防止撞击破舱漏油,外形效果如图1所示。

图1 “深海一号”总体外形Fig.1 Appearance of Deep Sea No.1

下文中立柱命名为方位缩写。

立柱正下方的浮箱内设置为泵舱,浮箱两侧设置压载舱,中间为管弄,管弄中穿行管路和电缆。立柱内压载舱的作用为在储卸油工作时调整整体倾斜,浮箱4个角的压载舱容量适应最大储油量,在储卸油工作前调整压载容量,保证船体吃水在安全范围。浮箱内压载舱保证船体最小吃水。

2 设计原则

压排载系统是保障平台安全运行的关键系统,它的作用是通过将压载水注入或排出设置在船体内的压载舱,获得平台在各种工况下的稳性,另外可以在假定破舱的情况下,使平台恢复到安全吃水状态。

对于半潜式生产平台的压排载系统设计,按照船级社的相关设计要求[5-7]可总结为以下内容:

(1)一般情况下,每一个压载舱可以有2台独立的压载泵进行压排载操作。

(2)压载泵能在规定的3 h内,使平台从最大操作吃水排载调整至强风暴吃水或使平台吃水减小4.6 m,两者取较大者。

(3)系统在任意一台压载泵失效的情况下,能使平台在假定破损状态下重新恢复移位吃水或水平纵倾状态。另外每一台泵应具有足够的压头/容量特性和有效的吸入性能(NPSHr),确保在最大破损倾角的情况下泵的容量不小于额定容量的50%。

(4)当平台处于假定的破损状态下要求至少有2台泵能够有效排空任意一个压载舱。

3 系统设计与计算分析

3.1 系统的整体方案

压载水系统取水方式按照传统设计方法在浮箱底部设置海底门,就需要在浮箱底部开4个较大的孔,这样就会对结构整体强度产生较大影响,这在30年不回坞的总体设计准则下是不允许的。所以海底门方案不能满足项目设计要求。半潜式生产平台上部组块生产也需用大量海水,故整体取水方案设计为压载水系统与上部组块的海水系统共用海水泵,海水由足够排量的海水泵提升海水至上部组块后分成两路,其中一路在上部组块依靠重力和海水泵压头余量经管网阀门控制选择注入单个或多个立柱中的海水注入管线,并经过阀门控制系统的控制选择进入压载舱。

为提高系统的卸载快速性和灵活性,浮箱内设置两条环型压载主管并列,环网连接各压载舱注入和排出管线。这样可极大地提高系统冗余度,相比单环网的设计,当主管或支管的阀门或管线损坏或需维修时,系统仍能正常工作。且可同时对两个或多个压载舱就行压排载或倒舱操作。系统示意图如图2所示。

3.2 排载泵的布置和计算

按照上述船级社规定,压载泵要能在规定的3 h内,使平台从最大操作吃水排载调整至强风暴吃水或使平台吃水减小4.6 m,两者取较大者。

本项目最大载重吃水线为40 m,风暴吃水须达到37 m,平台从最大操作吃水排载调整至风暴吃水仅需调整3 m,所以泵排量需按照调整吃水4.6 m计算。

调整压载水量估算为Q=4.6×21×21×4=8 114.4 m3(估算4个立柱每个立柱长宽为21 m×21 m),所以排载泵的总排量为Q/3 h=2704.8 m3/h。考虑设计余量3.5%可取总排量为2 800 m3/h,本项目设置有4×25%的排载泵,每个节点机械处设一台,单台排载泵需求额定流量为700 m3/h。

除流量外,排载泵的扬程也是本项目非常重要的参数。

立柱顶部要求压力Pc=12.33 m(10.33 m大气压力+2 m 管阻)。

管线阻力损失Pf=13 m(1 m 泵管阻力损失+3 m 泵出口至立柱顶部管阻损失+9 m 泵前管线阻力损失)。

水位上压力PI=10.33 m(大气压)。

压载舱液位L1=0.2 m(假定最低液位)。

泵安装高度差L2=1.2 m。

立柱顶部至管线最高处高差L3=1.7m。

泵吸入端至管线最高处高差Ps=59+L3=60.7(m)。

泵扬程Pd=Pc+Ps+Pf+L2-PI-L1=12.33+60.7+13+1.2-10.33-0.2=76.7(m)。

即需求泵扬程为76.7 m,加余量取整为80 m。计算结果可作为最终泵选型参数的参考值。

排载泵最终选型为液压驱动型,由各自立柱内的液压单元提供动力。相比其他类型常用的排载泵,例如离心泵、液压浸没泵,具有结构紧凑、排量大、扬程大、可无级调速、安全可靠且可实现远程控制、便于实现自动操作等优点[8]。

排载泵接入双环网,各压载舱通过阀门开闭与环网连接。以上压排载系统的布置满足本文第2节设计原则第(1)条。

3.3 破舱分析

压排载系统应在发生破损并且有任意一台泵失效的情况下重新使平台恢复水平吃水状态。另外,每一台排载泵需要有足够的扬程和流量性能,在破损倾斜状态下以50%的能力进行排载操作。

通过破损稳性模拟分析,在所有的破损和浸水情况下,隔离空舱SW4B在生产后期满载状态下发生破损浸水后,SW 立柱的吃水最大(见表1),SW立柱吃水最大可达到49.1 m。

表1 破损稳性分析Tab.1 Analysis of damage stability

在这种情况下,要重新使平台恢复水平状态,一些压载舱需要排出压载水,同时一些压载舱需要加注压载水。经过稳性模拟分析,NW1、W4、S2、SE1和SE3总共需要排载约3 149 m3(图3中所示位置)。另外,NE3、N2 和E3 总共需要加载1 223 m3(图3中所示位置)

图3 压载舱加载方案Fig.3 Loading scheme of ballast tank

压载水由安装在SE立柱外侧的海水提升泵提升海水,而海水提升泵的吸口位置在10 m 吃水位置,在上述破损倾斜情况下可以满足海水提升用于加载的要求。

为验证在最坏的工况下,排载系统能满足每一台泵应具有足够的压头/容量特性和有效的吸入性能(NPSHr),假设SW 立柱的排载泵不能操作,将使用相邻的NW 立柱排载泵对W4压载舱排载,SE立柱排载泵对S2压载舱排载。排载泵的吸入能力体现在泵的NPSHa 即有效气蚀余量上,如果NPSHa大于泵自身NPSHr,即必需气蚀余量,就表明泵可以在相应工况下工作[7]。

因船体倾斜导致的泵入口和压载舱吸口之间的高度差分别为3.87 m 和4.57 m,如表2所示。

NPSHa=大气压(Ha)-入口高差(E)+静水压(Hh)-饱和蒸气压(Hvp)-管阻(Hf),表3(1 bar=105Pa=0.1 MPa,bar(a)为绝对压力)为计算在排载泵在调载后压载舱水位6 m 的工况下,泵的吸入能力有效气蚀余量(NPSHa)的计算内容。

表3 有效气蚀余量计算Tab.3 Calculation of effective NPSH

同时对比排载泵性能曲线(图4,曲线3 为在150 bar液压驱动力情况下泵的性能),结论为在排载泵驱动液压压力为150 bar时,排载泵流量为480 m3/h,NPSHr为5.6 m,最终调整舱内水位在6 m 以上时,有效气蚀余量NPSHa大于泵自身必须气蚀余量NPSHr,可以完成排载操作,且泵的排量大于额定流量的50%。

图4 排载泵性能曲线Fig.4 Performance curve of discharge pump

设计原则第4条要求当平台处于假定的破损状态时要求至少有2台泵能够有效排空任意一个压载舱。这就要求排载泵不仅能对连接到泵所在机械处所的浮筒内的压载舱进行排载,而且能对相邻节点和立柱的压载舱进行排载。

因为本项目的排载泵为液压驱动离心泵,不同于其他电驱离心泵等类型的泵,只要液压系统正常,液压潜没泵在浸水状态下仍然可以正常运行。以节点处压载舱为例,对应机械处所的排载泵算一台符合要求的泵,相邻机械处所内的排载泵在设计中作为另一台按要求设置的泵。这其中最不利的工况如下:相邻机械处所的排载泵对破损节点处的压载舱进行排载操作。以下为验证此不利工况下,泵的能力能否满足要求。

在压载舱满舱状态(9 m 液位),泵可以在额定流量下操作。随着液位下降,当有效气蚀余量NPSHa接近或小于必须汽蚀余量NPSHr时,泵吸入能力下降或不能抽吸压载水,根据液压离心泵的特性,这时需要下调驱动液压压力,降低泵流量。表4为相邻排载泵对节点舱不同液位的排载性能。

表4 相邻排载泵对节点舱排载性能Tab.4 Discharging performance of adjacent discharge pumps on node tanks

对比泵流量-液压压力曲线图(图5,曲线3为在150 bar液压驱动力情况下泵的排量性能,曲线4为100 bar液压驱动力情况下泵的排量性能),在满舱容状态,即9 m 液位到吸口最低液位0.2 m,排载泵在液压压力分别为235 bar、200 bar、150 bar和100 bar的情况下,NPSHa大于NPSHr,可以进行正常排载操作。