仇 明

(南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司,江蘇 南通 226001)

一種新型海上油田動(dòng)力定位貨油駁運(yùn)船舶的設(shè)計(jì)

仇 明

(南通中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司,江蘇 南通 226001)

分析原油駁運(yùn)船舶CTV的設(shè)計(jì)要求，考慮船型設(shè)計(jì)、總布置、動(dòng)力裝置，貨油駁運(yùn)系統(tǒng)和直流電站的功能，提出采用“FPSO+CTV+常規(guī)油船”的新模式。

動(dòng)力定位原油輸送裝置；貨油駁運(yùn)設(shè)備；直流電站

目前，全球范圍內(nèi)服役的FPSO超過(guò)100艘，已成為海上采油裝備的主力軍。原油輸送裝備作為FPSO卸油系統(tǒng)重要組成部分需求日益旺盛。目前，穿梭油船是承擔(dān)FPSO油料卸載任務(wù)的重要工具。但是，穿梭油船造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于同等噸位的常規(guī)油船，其載重量多在8萬(wàn)～15萬(wàn)t間，而常規(guī)油船的載重量可達(dá)30萬(wàn)～40萬(wàn)t。因此，如何在大規(guī)模、遠(yuǎn)距離深海油氣資源開(kāi)發(fā)與運(yùn)輸中，充分發(fā)揮常規(guī)油船數(shù)量多、造價(jià)低、載重大、運(yùn)輸成本低的優(yōu)勢(shì)，將現(xiàn)有原油船不加改造就能從事深海油田的原油運(yùn)輸作業(yè)，成為國(guó)際原油輸送裝備技術(shù)客觀需求和潛在的發(fā)展方向。伴隨著深遠(yuǎn)海油氣開(kāi)發(fā)技術(shù)發(fā)展，深海、 長(zhǎng)距離、大噸位及低成本的轉(zhuǎn)駁運(yùn)輸成為趨勢(shì)。一款全新概念的深水動(dòng)力定位原油輸送裝置(cargo transfer vessel，CTV)成為關(guān)注的選擇。這是一款全新概念下的離岸深水FPSO原油轉(zhuǎn)駁輸送裝置，主要由配置DP(dynamic positioning system)裝置的浮式載體CTV以及由CTV搭載的原油轉(zhuǎn)駁輸送裝置系統(tǒng)組成[1]。該概念下的離岸深水FPSO原油外輸，是依靠CTV利用其DP裝置全方位推進(jìn)功能牽引VLCC等常規(guī)油輪執(zhí)行相對(duì)于FPSO的機(jī)動(dòng)系泊定位，由此通過(guò)大口徑輸油軟管將FPSO原油轉(zhuǎn)駁輸送至VLCC等常規(guī)油船，實(shí)現(xiàn)離岸深水FPSO的原油外輸。

擬在CTV的船型設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖1)基礎(chǔ)上，提出一種新的原油外輸作業(yè)理念，即“FPSO+CTV+常規(guī)油船”的模式，F(xiàn)PSO處理的原油通過(guò)CTV上側(cè)裝載系統(tǒng)過(guò)駁、CTV通過(guò)原油外輸系統(tǒng)卸載到常規(guī)油船，此原油外輸模式將廣泛地應(yīng)用于全球從主產(chǎn)油國(guó)到原油需求國(guó)之間的遠(yuǎn)程運(yùn)輸[2]。

1 船型和總布置

1.1 船型概述

具有貨油駁運(yùn)6 500 m3/h能力的動(dòng)力定位DP2型CTV裝置是一種新的原油外輸作業(yè)船舶，即采用“FPSO+CTV+常規(guī)油船”的新型輸油卸油模式，見(jiàn)圖2。

圖2 FPSO+CTV+常規(guī)油船的新型原油輸送模式

該型船舶CTV利用其DP裝置全方位推進(jìn)功能牽引VLCC等常規(guī)油船執(zhí)行相對(duì)于FPSO的機(jī)動(dòng)系泊定位，由此通過(guò)大口徑輸油軟管將FPSO原油轉(zhuǎn)駁輸送至VLCC等常規(guī)油船，實(shí)現(xiàn)離岸深水FPSO的原油外輸，見(jiàn)圖3。

圖3 CTV工作基本原理

以CTV為核心，通過(guò)一進(jìn)一出2條輸油軟管和輸送泵形成輸送系統(tǒng)：1條受油軟管連接FPSO，1條輸油軟管連接VLCC，CTV通過(guò)動(dòng)力定位保持和FPSO之間的相對(duì)位置，油輪通過(guò)系泊裝置與CTV連接實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟隨。通過(guò)該裝備，常規(guī)油船不需要任何改造就可以從事深遠(yuǎn)海油田的原油外輸作業(yè)[3]。

船體采用流線形船殼設(shè)計(jì)，中間左右兩側(cè)舭部設(shè)計(jì)成箱形結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)意義的舭龍骨，并且向艏艉延伸，有效減小船舶作業(yè)時(shí)的橫搖。

1.2 船級(jí)和規(guī)范

該船入挪威船級(jí)社DNVGL，設(shè)計(jì)規(guī)范采用 DNV Rules for Classification of ship-2015-1。該船還需滿足相應(yīng)的國(guó)際公約和規(guī)則，特別是還需要滿足巴西水域要求Brazilian NR 6,10,13,18,23,26,30,33。

1.3 船舶主要要素

船舶主要要素見(jiàn)表1。

1.4 總布置概況

1.4.1 主船體

船艏部由中間的平直部分逐漸圓弧形過(guò)渡，設(shè)計(jì)垂直的艏柱結(jié)構(gòu)，無(wú)球鼻艏，布置用于船舶動(dòng)力定位和輔助轉(zhuǎn)向的伸縮推和側(cè)推。艉部外底板流線形上翹，中間布置用于減小船舶橫搖的艉鰭，兩側(cè)布置用于船舶推進(jìn)的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。

表1 船舶主要要素

1.4.2 主甲板

全船設(shè)計(jì)從艏至艉全通主甲板。生活區(qū)布置于船舶艏部。艏部主甲板上面布置生活區(qū)甲板并圍成各種功能艙室。主甲板中部靠艉采用嵌入式設(shè)計(jì)，布置核心設(shè)備——卸油滾輪。滾輪深入主船體上設(shè)計(jì)的凹坑內(nèi)，可降低船舶重心。艉部甲板靠左舷采用開(kāi)槽設(shè)計(jì)，布置用于卸油軟管的滑道，保證卸油作業(yè)能順利進(jìn)行。艉部左舷甲板布置2臺(tái)各7 000 kN拉力的絞車，可實(shí)現(xiàn)在海上對(duì)油輪進(jìn)行的拖帶。

1.4.3 居住甲板

主甲板以上布置中間甲板，艏樓甲板，B甲板，駕駛甲板及項(xiàng)甲板。中間甲板靠中部位置布置有增壓泵，保證補(bǔ)償把FPSO上的原油轉(zhuǎn)駁到油輪過(guò)程中的壓力損失。艏樓甲板靠艏部布置系泊絞車，中間雙側(cè)甲板采用外漂設(shè)計(jì)，上面布置側(cè)裝載系統(tǒng)，用于輸油時(shí)與FPSO的連接。B甲板上布置各種起居艙室，和下層甲板的居住艙室一起滿足36人的居住要求。駕駛甲板上全部為駕駛室，采用360°落地窗帶傾角設(shè)計(jì)，極大滿足視線要求及舒適度要求，輸油作業(yè)時(shí)便于觀察，提高了作業(yè)的安全性。

2 動(dòng)力裝置及貨油駁運(yùn)設(shè)備

2.1 動(dòng)力裝置

機(jī)艙由4臺(tái)額定功率3 600 kW的變轉(zhuǎn)速柴油機(jī)為全船提供動(dòng)力。變速柴油機(jī)額定功率時(shí)的轉(zhuǎn)速750 r/min，怠速區(qū)450～550 r/min。柴油機(jī)匹配變轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)，輸出功率3 705 kW，并配有整流器rectifier，可直接輸出直流電。機(jī)組根據(jù)負(fù)載狀況，有電力管理系統(tǒng)集中控制，實(shí)時(shí)調(diào)整柴油機(jī)轉(zhuǎn)速，使得柴油機(jī)能一直工作在最低油耗狀態(tài)。

在應(yīng)急發(fā)電室配有1臺(tái)450 kW的應(yīng)急發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速1 800 r/min。發(fā)電機(jī)輸出功率為562.5 kW，440 V，60 Hz。

船艉部推進(jìn)器艙配有2臺(tái)吊艙式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器。采用變頻控制，功率為4 400 kW，螺旋槳直徑3 500 mm，定螺距，最大推力為760 kN。吊艙全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器主要用于航行和DP動(dòng)力定位工況。

艏部推進(jìn)器艙配2臺(tái)可伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，功率2 200 kW，輸入轉(zhuǎn)速為0～900 r/min，槳葉直徑2 550 mm，定距槳，最大推力366 kN。伸縮式全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器主要用于DP動(dòng)力定位工況。

另外在艏部還配有1臺(tái)管隧式推進(jìn)器,功率為700 kW，輸入轉(zhuǎn)速0～1 160 r/min，螺旋槳直徑1 650 mm，定距槳，最大推力108 kN。該推進(jìn)器主要用于進(jìn)出港口，不參與DP動(dòng)力定位。

2.2 貨油駁運(yùn)設(shè)備

貨油駁運(yùn)設(shè)備由側(cè)裝載系統(tǒng)、卸載系統(tǒng)、以及公共系統(tǒng)組成。

2.2.1 側(cè)裝載系統(tǒng)

該系統(tǒng)負(fù)責(zé)與FPSO的軟管對(duì)接，從而將原油引入CTV，側(cè)裝置系統(tǒng)的主要包括側(cè)裝載接頭，軟管提升絞車和控制設(shè)備。

側(cè)裝載接頭是1個(gè)通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)的可以橫向和縱向調(diào)整角度的快速接頭，接頭上配有壓力感應(yīng)原件以防受力過(guò)大而損壞接頭；該接頭左右舷各1套，根據(jù)情況選擇使用。在兩側(cè)裝載的中間配有1臺(tái)軟管提升絞車，通過(guò)纜繩將FPSO的貨油軟管提升并最終于側(cè)裝置接頭對(duì)接。該系統(tǒng)的控制設(shè)備由1臺(tái)無(wú)線遙控板以及駕駛室內(nèi)的固定控制臺(tái)組成，兩者均可實(shí)現(xiàn)對(duì)卸載系統(tǒng)設(shè)備的控制。

2.2.2 卸載系統(tǒng)

卸載系統(tǒng)用于將原油輸出到油輪上，該系統(tǒng)由帶纜絞車，軟管盤(pán)車，軟管滑梯，繩索絞車和撇纜槍組成。

甲板尾部配有2臺(tái)液壓絞車，每臺(tái)絞車的額度拉力3 500 kN，各配有150 m長(zhǎng)的主纜繩，用于在輸油過(guò)程中對(duì)油輪的牽引控制，絞車上裝有壓力感應(yīng)元件，作業(yè)時(shí)隨時(shí)將受力數(shù)據(jù)傳至DP系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，超過(guò)額定拉力時(shí)報(bào)警系統(tǒng)開(kāi)始報(bào)警，這時(shí)可與通過(guò)DP系統(tǒng)來(lái)調(diào)整推進(jìn)器從而降低過(guò)大拉力。

在左舷裝有1臺(tái)液壓驅(qū)動(dòng)的軟管盤(pán)車，盤(pán)車上裝有420 m貨油軟管，該軟管用于與油船對(duì)接從而將原油輸出。左舷艉部裝有1臺(tái)軟管滑梯，該滑梯由多個(gè)滾輪組成，從而減少軟管收放過(guò)程中的摩擦，軟管靠重力滑到舷外。繩索絞車上裝有為70 m長(zhǎng)直徑38 mm的軟管纜繩和500 m長(zhǎng)直徑18 mm的引纜。用于輔助收放主纜。另配有1套氣動(dòng)的撇欄槍和1臺(tái)充氣泵，撇纜槍將引纜射至150 m外，每充滿一次氣，氣瓶?jī)?nèi)的壓縮空氣可以保證槍射6次。該系統(tǒng)的控制設(shè)備由1臺(tái)無(wú)線遙控板以及駕駛室內(nèi)的固定控制臺(tái)組成，兩者均可實(shí)現(xiàn)對(duì)卸載系統(tǒng)設(shè)備的控制。

2.2.3 公共系統(tǒng)

公共系統(tǒng)主要由液壓動(dòng)力單元、應(yīng)急切斷控制組成。液壓動(dòng)力單元作為裝載系統(tǒng)和卸載系統(tǒng)所有機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力來(lái)源. 為了避免事故情況下大量原油泄露的情況出現(xiàn)，配備了應(yīng)急斷開(kāi)系統(tǒng)，任何泄露將導(dǎo)致整個(gè)貨油輸送系統(tǒng)關(guān)閉[4]。

3 直流電力配電系統(tǒng)

為了滿足減少二氧化鈦、氮硫化物排放的要求，采用直流電力配電系統(tǒng)。直流電站的顯著優(yōu)點(diǎn)就是燃油消耗低、排放量少。因?yàn)橹绷髋潆娤到y(tǒng)其主機(jī)是變速機(jī)，主機(jī)轉(zhuǎn)速是可以變化的，根據(jù)不同的負(fù)荷運(yùn)行在不同的轉(zhuǎn)速下，減少了燃油消耗；而常規(guī)交流配電系統(tǒng)，其主機(jī)是定速機(jī)，即轉(zhuǎn)速是在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行[5]。對(duì)大部分船舶來(lái)說(shuō)，都不會(huì)一直工作在滿負(fù)荷狀態(tài)下，尤其像油田作業(yè)的船舶，一般只有26%的工作在滿負(fù)荷，其他時(shí)間都工作在低負(fù)荷下。傳統(tǒng)交流電站，尤其在低負(fù)荷狀況下，主機(jī)工作在額定轉(zhuǎn)速下，耗油量會(huì)顯著增多[6]，定速機(jī)和變速機(jī)的油耗對(duì)比見(jiàn)圖4。

圖4 變速機(jī)與定速機(jī)能耗對(duì)比

由圖4可見(jiàn)，在負(fù)荷小于85%時(shí)，同等負(fù)載下，變速機(jī)比定速機(jī)所需的油耗低，在15%負(fù)荷情況下，可以減少油耗約25%?？?cè)加拖慕档?0%～15%，氮氧化物排放減少80%～85%。

由ABB提供DC GRID LINE UP直流主配電板給推進(jìn)器，貨油泵及貨油駁運(yùn)系統(tǒng)提供電力供應(yīng)，并且通過(guò)逆變器連接普通440 V低壓主配電板來(lái)給日常負(fù)荷提供電力供應(yīng)。整個(gè)電網(wǎng)分成A組和B組，以滿足動(dòng)力定位DP2運(yùn)行工況的要求[7]。

4 結(jié)論

該新型船舶工作水深和作業(yè)環(huán)境可以適應(yīng)現(xiàn)有深海油田FPSO和常規(guī)原油輪的工作海況，可以廣泛地應(yīng)用于全球從主產(chǎn)油國(guó)到原油需求國(guó)之間的遠(yuǎn)程運(yùn)輸。按照1個(gè)CTV服務(wù)2條FPSO，即2×FPSO+1×CTV+ 1×VLCC 轉(zhuǎn)駁裝載模式為例，CTV造價(jià)6 000萬(wàn)美元，5年可回收成本，與“FPSO+穿梭油船”的常規(guī)轉(zhuǎn)駁模式相比更經(jīng)濟(jì)。

新的原油外輸作業(yè)理念，與傳統(tǒng)的“FPSO+穿梭油船”相比，預(yù)期可實(shí)現(xiàn)原油輸送裝載量大、成本低、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)小、節(jié)能環(huán)保、適應(yīng)性強(qiáng)等效果，該型船舶具有合理的結(jié)構(gòu)穩(wěn)性及在惡劣海況下較強(qiáng)的操縱性能；高效、靈活的原油輸送系統(tǒng)；實(shí)用、安全、可靠的系泊系統(tǒng)及動(dòng)力定位系統(tǒng)；符合環(huán)保低碳綠色海洋工程船舶設(shè)計(jì)的要求。

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Design of a New Cargo Transfer Vessel with Dynamic Positioning for Offshore Oilfield

QIU Ming

(COSCO Nantong Shipyard, Nantong Jiangsu 226001, China)

The design requirements of the cargo transfer vessel were introduced. The ship type, general layout, engine and propeller, the cargo transfer system and DC power plant is analyzed. A new type of cargo transfer vessel with dynamic positioning was designed, using the mode of FPSO+CTV+ conventional tanker rough the design of a new offshore oil field cargo transfer vessel.

cargo transfer vessel; crude oil transfer system; DC power grid

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.002

2016-06-13

國(guó)家重大科技專項(xiàng)(工信部聯(lián)裝[2016]26號(hào))

仇 明(1974—)，男，碩士，工程師

U662；U674.18

A

1671-7953(2016)06-0005-04

修回日期：2016-06-27

研究方向:海洋工程船舶建造及設(shè)計(jì)管理

E-mail:qiuming@cosco-shipyard.com