FPSO船体热油加热系统设计

2022-07-13张永发云月胜耿凤康王海宇

石油和化工设备 2022年4期

张永发，云月胜，耿凤康，王海宇

（海洋石油工程股份有限公司，天津300451）

引言

FPSO（浮式生产储卸油装置）已成为当今海上油气田开发的主流装备。海上油田生产的原油储存于FPSO货油舱中，并定期外输到穿梭油轮。FPSO货油舱中的原油温度降低会导致其粘度增大，从而影响正常的原油驳运、外输等过程，因此需配置加热系统向货油舱供热，使舱内原油始终保持在适当的温度。

1 FPSO加热系统比选

目前常用的加热系统按加热介质可划分为以下三种：热油系统、热水系统和蒸汽系统。三种加热系统的特点对比如表1所示：

表1 常用加热系统对比

通过对三种加热系统的对比分析，可以看出，采用热油系统加热FPSO货油舱最为合理。此种方式可以在较低压力下提供最高的供热温度，加热效率高，且系统安全稳定。因规范要求加热原油的介质温度不应超过220℃[1,2]，所以FPSO热油系统的导热油供热温度一般设置为210℃。

在热油系统中，热油锅炉及热油循环泵等主要设施均布置于上部模块区域，通过管路向上部模块用户和船体用户供热，本文只针对船体部分的热油系统设计进行讨论研究。

2 船体用户热耗值计算及加热设备选型

2.1 热耗量及加热盘管长度计算方法

热油系统的设计能力应满足FPSO在保温、加热等不同工况下的热量需求，船体各用户热耗值的计算是合理匹配热油加热设备的前提。

1）货油加热所需热量Q可按下式计算[3,4]：

式中：Q1为由于散热损失的热量；Q2为货油升温所需的热量。

2）加热时由于散热损失的热量Q1计算公式如下所示[3,4]：

式中：Q1为散热损失的热量，kW；G1为保温条件下的热油耗量，m3/h；Ai为舱壁面积，m2；Ki为舱壁传热系数，W/(m2.℃)；tm=t1+2×(t2-t1)/3为货油平均温度，℃；为初始油温，℃；t2为终止油温，℃；t0为相邻介质温度，℃；η为装载系数；t3为导热油加热前温度，℃；t4为导热油加热后温度，℃；Sto为导热油比热，Kj/(kg. ℃)；ρto为导热油密度，kg/m3。

格式特征是指电子邮件中除开标题与正文的部分，格式特征由称呼语、敬语、署名和书写日期等组成。在研究中将格式特征划分为内模式与外模式两种特征，其中内模式指的是电子邮件中的称呼语、作者署名以及书写日期等除开正文之外的部分。而外模式指的是电子邮件中各段落出现的换行数，以及正文中出现的空格数。基于上述特点将格式特征划分为表2所示的5种。

舱壁传热系数Ki按表2取值：

表2 油对相邻舱壁的传热系数[W/(m2. ℃)]

3）货油升温所需的热量Q2计算公式如下所示[3,4]：

式中：Q2为升温所需的热量，；G2为升温条件下的热油耗量，m3/h ；t2为终止油温，℃；t1为初始油温，℃；V为舱容，m3；ρ为货油密度，kg/m3；η 为装载系数；S 为货油比热，kJ/(kg.℃) ；T 为加热时间，h；t3为导热油加热前温度，℃；t4为导热油加热后温度，℃；Sto为导热油比热，kJ/(kg.℃) ；ρto为导热油密度，kg/m3。

4）加热盘管面积As采用如下公式计算[3,4]：

式中：Q 为加热所需热量，kW ；Ks 为加热盘管传热系数，W/(m2. ℃) ；ts=(t3+t4)/2 为导热油平均温度，℃；t3为导热油加热前温度，℃；t4 为导热油加热后温度，℃；tm =t1+2×(t2-t1)/3 为货油平均温度，℃；t1 为初始油温，℃；t2为终止油温，℃。

5）加热盘管长度L 的计算公式为[3,4]：

式中：As为加热盘管面积，m2；D为加热盘管外径，m 。

2.2 工程设计实例

以服役于南海的某15万吨级FPSO为例，其总长约256米，型宽约49米，型深约26.5米，设计吃水17.5米，船体舱室分布如图1所示，热耗量计算所需的基础参数见表3～表9。

表9 保温温度

图1 舱室分布

表3 温度条件

表4 舱室加热温度及时间

表5 导热油数据

表6 加热盘管参数

表7 介质密度

表8 介质比热

2.2.2 计算结果

根据以上数据并结合船体的尺度及装载、吃水情况，可计算出FPSO各舱室在冬季保温条件下所需的热量、撤台返回后重新加热至保温温度所需的热量以及在冬季洗舱工况下加热污油水舱所需的热量，如表10和表11所示。

表10 各舱室在保温、加热工况下所需的热量及热油流量

表11 洗舱所需的热量及热油流量

2.2.3 加热设备选型

对于在液货舱中分别布置有潜液泵的FPSO而言，大型的货油舱一般使用位于主甲板上的甲板加热器进行加热，而舱容较小的污油水舱、生产水舱及燃油舱等则采用舱内的加热盘管加热。

在选择甲板加热器功率时，应在计算出的货油舱加热所需最大热量的基础上考虑约10%余量（如表12所示）。

表12 甲板加热器功率

在计算污油水舱、生产水舱及燃油舱内加热盘管面积时，除应用式（6）外，还应满足根据实际使用经验得出的加热盘管面积和舱容的比R，如表13所示数据。

表13 加热盘管面积与舱容比R

按最大供热量Q和舱容比R分别计算出加热盘管面积，并取大者，即可得出污油水舱、生产水舱及燃油舱内的加热盘管长度，见表14：

表14 加热盘管长度

3 船体热油系统设计

热油系统属于强制循环系统，由上部模块将导热油加热后通过供油总管输送至船体，再由甲板加热器及加热盘管将热量传递给船体各用户，换热后的导热油经回油总管返回上部模块进行重新加热。

采用甲板加热器的热油系统原理如图2所示，每一甲板加热器的热油供/回油支管分别与热油供/回油总管相连，货油舱内的原油通过货油泵输送至甲板加热器，经加热后自下舱管路返回货油舱。为控制货油舱温度，在甲板加热器的热油供油管路上设置气动温控阀，通过加热器原油侧的进口温度来控制阀门开启程度。在加热器的原油进口管路上设置安全阀，以防止管路超压损坏甲板加热器，保障系统安全。