陳國剛

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

FPSO原油裝載系統(tǒng)的分析與優(yōu)化

陳國剛

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

浮式生產(chǎn)儲油裝置（floating production storage and offloading），簡稱FPSO，用于將原油處理后儲存于原油儲存艙中，并定期外輸至穿梭油輪。原油裝載作為FPSO的重要功能之一，起止于上部處理模塊和儲存艙底部，為典型的大落差系統(tǒng)。文章結(jié)合現(xiàn)有項目案例，研究如何實現(xiàn)合理的原油裝載方案，并通過研究管網(wǎng)水力學計算，詳細分析該類大落差管道的特點，為完成類似系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和實現(xiàn)提供參考。

FPSO；原油裝載；大落差管道；水力計算

0 引言

FPSO作為重要的油氣開發(fā)裝備，其原油裝載系統(tǒng)的安全運行對于整個海上油田開發(fā)活動具有非常重要的意義。然而，在設(shè)計這類大落差管道時，往往會考慮水擊的影響，經(jīng)常會忽略由重力引起的重力流問題，而想當然地認為管道中不存在不滿流，都是滿管流。因此很多相關(guān)設(shè)計的管道，在設(shè)計運行時候，大落差管道的垂直管段中不是噪聲很大就是振動很厲害。經(jīng)過管網(wǎng)水力學計算，可以通過能量梯度直觀地發(fā)現(xiàn)問題。

1 工程概況

位于巴西某油田的 FPSO原油處理總量約為150 000桶/天，該裝載系統(tǒng)則擔任將處理好的穩(wěn)定原油通過DN300管線分配到12個32 m深的儲艙內(nèi)的作用。已知每個艙室內(nèi)的壓力恒定為0.07 kg表壓，以艙底末端為EL 0.0 m標高計算，主甲板管線的標高為EL 35.0 m。

首先通過管網(wǎng)水力計算軟件模擬該系統(tǒng)原油儲存的狀況。

1.1 穩(wěn)定原油的工藝參數(shù)

表1

1.2 示例儲油艙的工況模擬

考慮到空艙時候垂直管道落差最大，為最苛刻工況，且每組儲油艙的結(jié)構(gòu)和管道走向布置都類似。本文以其中一組的兩個空艙進行裝載原油時為例，對應其平均需要完成裝載的源流流量進行工況模擬，如圖1所示。

1.3 工況計算和結(jié)果分析

經(jīng)過核查計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，管道內(nèi)原油的流速偏高，各節(jié)點均出現(xiàn)了不同程度的負壓，最小壓力均遠小于原油的飽和蒸氣壓。由此可以判斷，由于原油各質(zhì)點的速度不同，前端部分由于重力加速度原因與末端流體的速度差值逐漸增大，直到發(fā)生液柱被拉斷的狀況，造成空腔處壓力低于原油的飽和蒸汽壓，最終管線中會出現(xiàn)液相夾帶氣相的情況，并導致管道原油紊亂而發(fā)生劇烈的橫向振動。

當該原油裝載系統(tǒng)長期處于負壓狀態(tài)，主甲板總管上的波紋管膨脹節(jié)等薄弱原件極可能被負壓破壞，造成原油泄漏事故。同樣危害的是，儲油艙連續(xù)注滿需要7天時間，如果管道長時間處于振動的狀況，極易產(chǎn)生金屬材料疲勞，造成管道斷裂。所以必須對原油在大落差垂直管線的流動進行分析，并采取措施消除負壓的產(chǎn)生。系統(tǒng)警告截圖見圖2。

2 優(yōu)化及驗證方案

通過分析，由于原油的各質(zhì)點的速度差，出現(xiàn)了液柱分離的情況，可以通過在垂直管線設(shè)置孔板等節(jié)流裝置，減慢流體的速度，保持整個管道內(nèi)的流體能夠連續(xù)流動，維持各個節(jié)點的壓力都高于原油的飽和蒸氣壓；或者添加破壞真空裝置來消除管道內(nèi)部負壓問題。

2.1 優(yōu)化方案一

采用添加節(jié)流孔板的辦法，通過不斷地試驗和優(yōu)化，分別在EL 5 m、EL 12 m、EL 17 m、EL 24 m和EL 32 m處分別設(shè)置孔板，來實現(xiàn)多節(jié)節(jié)流，如圖3所示。

2.2 驗證優(yōu)化方案一

通過對方案一的驗證計算進行檢查發(fā)現(xiàn)，管道各處最小壓力均大于原油的飽和蒸氣壓，由此可知，管道內(nèi)部的原油已處于穩(wěn)定的流動狀態(tài)。各節(jié)點計算壓力如圖4所示。

此時得到每個節(jié)流孔板對應的孔徑和工作壓降，如表2所示。

表2 泡沫系統(tǒng)設(shè)計流量

2.3 優(yōu)化方案二

采用在管道表面增加透氣孔，通過試驗確定，分別在EL 31 m和EL 28 m處分別開設(shè)?50 mm的透氣孔，通過透氣孔對真空進行消除，開孔方法如圖5所示。

2.4 驗證優(yōu)化方案二

通過對方案二的驗證計算進行檢查發(fā)現(xiàn)，管道各處負壓問題均得到有效改善。各節(jié)點計算壓力如圖6所示。

在方案二中，大落差垂直部分管內(nèi)壓力均為0.007 MPa與艙內(nèi)一致；主甲板以上部分為微負壓狀態(tài)，其中最小為管廊部分的-0.017 MPa，高于穩(wěn)定原油的飽和蒸氣壓，故仍然可以接受。

3 結(jié)論

本文以35 m大落差管道以及對應項目設(shè)計流量為例，詳盡闡述了不采取任何措施、垂直管段設(shè)置節(jié)流孔板和設(shè)置透氣孔的三種情況，直觀說明了若不采取任何措施會對系統(tǒng)的安全造成危害。

雖然兩種解決方案都能解決本案例中的問題，但還存在一些不同之處，詳見表3。

表3 兩種優(yōu)化方案各自特征

由于實際項目對操作工況的靈活性要求，既可以將150 000桶/天的原油平均裝載到12個儲存艙內(nèi)，又能實現(xiàn)注入到同一個艙內(nèi)，所以最終應該采用設(shè)置透氣孔的優(yōu)化方法。

[1]API.Recommended Practice for Design and Installation of Offshore Production Platform Piping System： API RP 14 E[S].1991.

[2]ASME.Process Piping： ASME B31.3[S].2016.

[3]NORSOK.Process Design： NORSOK P-001[S].1999.

[4]NORSOK.Piping Design, Layout and Stress Analysis：NORSOK L-002[S].1997.

Analysis and Optimization of Crude Oil Loading System for FPSO

CHEN Guogang
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

The floating production storage and offloading, FPSO in short, is for crude oil storing in the storage tank after the treatment and being sent out to shuttle oil carriers regularly.The loading of crude oil is one of the important functions of FPSO, which is typical large-drop system from the upper treating module to the storage tank bottom.Combining with the existing project case, the paper studies the realization of reasonable loading scheme for crude oil.Through the study of the calculation of the pipe network hydraulics,it analyzes in detail the features of the kind of large-drop pipe, which offers reference for the optimization design and accomplishment of similar systems.

FPSO; crude oil loading; large-drop pipe; hydraulic calculation

U674.38

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.012

陳國剛（1976—），男，工程師，研究方向：海洋工程輪機系統(tǒng)設(shè)計與研究。