吳堯增， 秦小剛， 王文祥， 洪 毅

(中海油研究總院，北京 100028)

南海某深水氣田壓縮機(jī)組布置及吊裝設(shè)計

吳堯增， 秦小剛， 王文祥， 洪 毅

(中海油研究總院，北京 100028)

優(yōu)化壓縮機(jī)組配置、做好平臺重量控制和降低項(xiàng)目投資是深水天然氣開發(fā)項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵因素。南海某深水氣田項(xiàng)目壓縮機(jī)組數(shù)量和運(yùn)行工況都比較復(fù)雜，壓縮機(jī)組的選型及布置方案對海洋平臺甲板面積及吊裝方案有直接影響。在浮托法對平臺重量有嚴(yán)格限制的前提下，采用三維可視化平臺布局，對南海某深水氣田項(xiàng)目壓縮機(jī)組的選型及吊裝方案做了大量的比選工作，推薦了臺數(shù)少、投資低的優(yōu)化方案，并提出使用平臺吊機(jī)吊裝大型預(yù)留燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動離心式壓縮機(jī)的方案，為項(xiàng)目節(jié)省了大量投資。

深水氣田項(xiàng)目；壓縮機(jī)組布置；吊裝方案設(shè)計

0 引 言

南海某深水氣田開發(fā)基本設(shè)計項(xiàng)目壓縮機(jī)選型方案面臨實(shí)際配產(chǎn)和平臺最大設(shè)計規(guī)模不一致的情況，同時生產(chǎn)期內(nèi)登平臺的物流壓力將分別經(jīng)歷7.5MPa、2.5MPa和1.0MPa三個階段。由于不同階段所需壓縮機(jī)的數(shù)量和運(yùn)行工況都比較復(fù)雜，壓縮機(jī)的選型及布置方案對平臺甲板面積及吊裝方案有直接影響。本項(xiàng)目壓縮機(jī)設(shè)計主要特點(diǎn)如下[1]。

(1) 中心平臺設(shè)計為集輸平臺，實(shí)際配產(chǎn)50億立方米/年天然氣和最大輸送規(guī)模120億立方米/年天然氣差距較大，因此壓縮機(jī)將按氣田的產(chǎn)量和壓力變化情況分期分批上平臺。

(2) 中心平臺設(shè)計為與外方聯(lián)合設(shè)計，合同規(guī)定： 一期規(guī)模按100億立方米/年天然氣輸送規(guī)?？紤]，設(shè)備需一次配齊，因此設(shè)備很難減重。

(3) 中心平臺采用浮托法安裝，浮托組塊約27000t，接近浮托駁船的能力上限，因此要求浮托工況下盡量減輕設(shè)備重量。

在滿足一期設(shè)計能力的前提下，浮托時應(yīng)盡量減少壓縮機(jī)設(shè)備，但卻導(dǎo)致后期預(yù)留的離心壓縮機(jī)設(shè)備較多。對于預(yù)留的離心壓縮機(jī)組，如果頻繁動用價格昂貴的浮吊進(jìn)行吊裝，將增加后期項(xiàng)目的成本。因此，從降低項(xiàng)目投資的角度出發(fā)，如能利用平臺吊機(jī)吊裝預(yù)留的離心壓縮機(jī)組以取代部分浮吊，將對整個平臺的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生重大影響。

本文采用三維可視化平臺布局，對南海某深水氣田項(xiàng)目壓縮機(jī)組的選型及吊裝方案進(jìn)行優(yōu)選，推薦了臺數(shù)少、投資低的優(yōu)化方案，并首次提出使用平臺吊機(jī)吊裝大型預(yù)留燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動離心式壓縮機(jī)的方案。

1 壓縮機(jī)組布置分析

預(yù)留設(shè)備情況如表1所示。為了確定壓縮機(jī)組的吊裝方案，首先要確定壓縮機(jī)組所需的布置空間，從而確定合理的吊裝半徑和吊重，以配合壓縮機(jī)組吊裝方案的研究。因此優(yōu)化壓縮機(jī)組在平臺頂層甲板的布置方案成為首要任務(wù)。

表1 某深水氣田中心平臺壓縮機(jī)配置匯總表

由于受組塊浮托重量的限制，壓縮機(jī)組的尺寸和重量在本項(xiàng)目中成為關(guān)鍵性指標(biāo)。研究分析機(jī)組布置所需的空間對于整個平臺設(shè)備的布局起到?jīng)Q定性的作用。本項(xiàng)目壓縮機(jī)組的選型方案充分考慮了不同廠家機(jī)組的特點(diǎn)和主、輔機(jī)設(shè)備的不同。

1.1 單臺壓縮機(jī)組設(shè)備的占地空間

本項(xiàng)目涉及的壓縮機(jī)驅(qū)動器為10MW和20MW兩個等級的燃?xì)廨啓C(jī)，經(jīng)過廠家咨詢和相關(guān)項(xiàng)目類比，單臺機(jī)組所需占地空間如表2所示。

表2 單臺壓縮機(jī)組設(shè)備占地空間對比

注： 單臺機(jī)組占地不包括配對的熱站尺寸，但包括進(jìn)、排氣系統(tǒng)的尺寸。

綜合各廠家機(jī)組占地空間情況，為保證任意一家壓縮機(jī)組設(shè)備都能放入平臺(招標(biāo)結(jié)果公布之前)，選擇10MW機(jī)組占地空間為22.0m×4.0m×10.0m， 20MW機(jī)組占地空間為23.0m×5.0m×12.0m。

1.2 單臺壓縮機(jī)組設(shè)備的維修空間

除了壓縮機(jī)組設(shè)備本身的占地，其所需的空間還包括燃?xì)廨啓C(jī)組件、密封氣系統(tǒng)、齒輪箱及進(jìn)氣濾器等主要部件的維修空間。結(jié)合海上固定平臺安全規(guī)則[2]，給出了單臺壓縮機(jī)組設(shè)備的維修空間。

(1) 燃?xì)廨啓C(jī)組件。機(jī)組大修主要集中在壓氣機(jī)渦輪、動力渦輪和燃燒室?？紤]維修時移出滑軌和移動小車，維修空間約為2.0m×3.7m×3.5m，如圖1所示。

圖1 燃?xì)廨啓C(jī)組件維修空間Fig.1 Maintenance space for the gas turbine

(2) 密封氣系統(tǒng)。密封氣系統(tǒng)主要布置在壓縮機(jī)側(cè)和機(jī)組旁，所需維修空間較小，為1.0m×1.0m×2.0m，如圖2所示。如果需要密封氣增壓，考慮3.0m×1.5m×1.5m的增壓橇布置空間，多臺壓縮機(jī)可共用一個增壓橇。

(3) 壓縮機(jī)。壓縮機(jī)主要考慮大修抽轉(zhuǎn)子的縱向空間或移動整個壓縮機(jī)的橫向空間，約2.6m×2.6m×3.0m，如圖2所示。

(4) 齒輪箱。齒輪箱維修所需橫向空間約1.0m×2.5m×1.0m，如圖2所示。

圖2 壓縮機(jī)、密封氣系統(tǒng)、齒輪箱所需維修空間Fig.2 Maintenance space for the compressor, seal gas system and gear box

(5) 進(jìn)氣濾器。進(jìn)氣濾器考慮一定的支撐結(jié)構(gòu)尺寸，同時在清理或更換濾器操作時，長度方向移動約3m距離，如圖3所示。

圖3 進(jìn)氣濾器所需空間Fig.3 Maintenance space for the filter

1.3 多臺壓縮機(jī)組設(shè)備的布置要求

多臺壓縮機(jī)組布置時，需考慮以下因素[2—4]： (1)燃?xì)廨啓C(jī)主件大修時的移出滑軌和支撐小車的移動空間；(2)機(jī)罩側(cè)開門的距離；(3)設(shè)置公共維修平臺結(jié)構(gòu)框架的跨度。兩臺壓縮機(jī)組的間距約9m，如圖4所示。

1.4 壓縮機(jī)組與相關(guān)設(shè)備的相對位置關(guān)系

(1) 排煙管與熱站鍋爐的布置。燃?xì)廨啓C(jī)通常為雙軸驅(qū)動，即熱端驅(qū)動，這樣的驅(qū)動方式?jīng)Q定燃?xì)廨啓C(jī)煙氣收集室的排煙方向垂直向上。若為單軸改進(jìn)的驅(qū)動器，其排氣管也可以設(shè)置為垂直排煙，只是會增加排煙管的布置空間和背壓。

本項(xiàng)目熱站為帶補(bǔ)燃設(shè)計，若按傳統(tǒng)的臥式鍋爐加補(bǔ)燃的形式，熱站尺寸將十分龐大，導(dǎo)致平臺沒有足夠的布置空間。因此本項(xiàng)目熱站首次采用立式鍋爐加管道補(bǔ)燃的形式，燃?xì)廨啓C(jī)排煙管和熱站鍋爐以及燃燒器等均通過結(jié)構(gòu)支撐布置在垂直方向上，從而減小了甲板面積，如圖4和圖5所示。

圖4 排煙管與熱站鍋爐的布置及機(jī)組間間距要求Fig.4 Spacing requirements of the layout and compressors

另一方面，根據(jù)挪威船級社(DNV)燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組排煙模型動態(tài)模擬結(jié)果，建議燃?xì)廨啓C(jī)排煙管高度設(shè)置在標(biāo)高74m處，以減小燃?xì)廨啓C(jī)排煙對直升機(jī)起降的影響。

圖5 結(jié)構(gòu)支撐框架布置Fig.5 Layout of the structural support frame

(2) 壓縮機(jī)后冷卻器的布置。本項(xiàng)目壓縮機(jī)外輸氣壓力較高，且壓縮機(jī)組數(shù)量較多，壓縮機(jī)后冷卻器若采用傳統(tǒng)的管殼式換熱器將導(dǎo)致橇塊尺寸和重量十分龐大。因此本項(xiàng)目首次采用印刷板式換熱器(PCHE)作為壓縮機(jī)后冷卻器，同時把印刷板式換熱器布置在壓縮機(jī)上方的結(jié)構(gòu)框架上，節(jié)省了大量空間。如圖3所示。

2 壓縮機(jī)組布置方案

考慮上述空間布置的特點(diǎn)和要求，并結(jié)合平臺危險區(qū)的劃分、主風(fēng)向?qū)ε艧煹挠绊懸约爸匦钠胶獾纫蛩?，本?xiàng)目采用三維可視化平臺布局，壓縮機(jī)組的三維布置如圖6所示，為了采用平臺吊機(jī)吊裝預(yù)留渦輪壓縮機(jī)組，預(yù)留機(jī)組主要布置在平臺已上機(jī)組的外圍。一期先上4臺干氣壓縮機(jī)，2大2小(紅色所示，見圖6中5， 6， 9， 10)。小壓縮機(jī)布置在平臺的北側(cè)，大壓縮機(jī)布置在西側(cè)。當(dāng)產(chǎn)氣量超過66億立方米/年時，在平臺西南側(cè)再上2臺干氣壓縮機(jī)(見圖6中7， 8)。預(yù)留的4臺濕氣壓縮機(jī)布置在平臺的西北側(cè)(見圖6中1， 2， 3， 4)。二期預(yù)留的1臺干氣壓縮機(jī)和1臺濕氣壓縮機(jī)布置在平臺的南側(cè)(見圖6中11， 12)。

圖6 壓縮機(jī)的三維布置Fig.6 Three-dimensional layout of the compressors

3 平臺吊機(jī)吊裝壓縮機(jī)組方案

采用三維可視化平臺布局得到的詳細(xì)壓縮機(jī)組布置方案為吊裝方案的比選提供了可靠依據(jù)。方案上可采用浮吊或平臺吊機(jī)進(jìn)行機(jī)組吊裝，但動用浮吊的價格昂貴，同時預(yù)留設(shè)備在安裝時間上也不同步。本項(xiàng)目大功率燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組尺寸大，占地約23.0m×5.0m×12.0m，重約180t。目前中海油使用的平臺吊機(jī)基本在40t以下，如果僅為了吊裝預(yù)留壓縮機(jī)組而將吊機(jī)的能力設(shè)置過大將導(dǎo)致后期吊機(jī)能力過剩、維護(hù)成本增加以及結(jié)構(gòu)設(shè)計困難等，在設(shè)備初始投資上也不經(jīng)濟(jì)。因此，考慮采用平臺吊機(jī)吊裝壓縮機(jī)組時首要問題就是確定經(jīng)濟(jì)合理的吊機(jī)能力。

3.1 平臺吊機(jī)能力的確定

目前大型燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動離心式壓縮機(jī)廠家通常采用模塊化設(shè)計，如圖7所示(圖中PT為動力渦輪，GP為燃?xì)獍l(fā)生器，CB為燃燒室，CT為壓氣機(jī)渦輪)。機(jī)組是可拆分的，為確定吊裝能力提供了依據(jù)。在了解Solar、 Siemens、 GE等廠家壓縮機(jī)模塊化設(shè)計理念的基礎(chǔ)上，經(jīng)過大量的咨詢和比對并參照已投產(chǎn)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為：

圖7 壓縮機(jī)組的模塊化設(shè)計Fig.7 Modular design of compressors

(1) 預(yù)留20MW等級壓縮機(jī)組在一定程度上是能拆裝的。壓縮機(jī)拆裝順序如圖8所示。

(2) 主要可拆裝件包括底座(啟動電機(jī)、滑油及油泵泵組、燃?xì)廨啓C(jī)通風(fēng)系統(tǒng)及儀表)、燃?xì)廨啓C(jī)核心機(jī)以及壓縮機(jī)(密封氣系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子芯軸)和齒輪箱等。而燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)氣濾器模塊的重量相對較小，可散供。

(3) 儀表、電氣附件由于集成在機(jī)罩上，出廠時均已經(jīng)過測試，拆裝比較困難且難以保證拆裝質(zhì)量。

(4) 啟動電機(jī)需作為重新安裝時的對中基準(zhǔn)，若拆除將導(dǎo)致機(jī)組其余組件無法對中，不能拆除。

(5) 滑油及泵組在設(shè)計時管路系統(tǒng)有些已經(jīng)焊接在底座上，且設(shè)計很緊湊，不容易從底座上拆除，重裝較難。

(6) 另外，對于集成的儀表、電氣設(shè)備由于服務(wù)人員經(jīng)驗(yàn)較少，恢復(fù)困難，因而這部分重量不建議除去。

圖8 壓縮機(jī)組的部分拆分順序Fig.8 Part of the removal order of the compressors

綜合以上因素，表3給出了預(yù)留燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組主要拆裝件的重量統(tǒng)計情況。

表3 預(yù)留燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動壓縮機(jī)組主要拆裝件的重量統(tǒng)計

從表3可以看出，除了Siemens對于減重的評估較為保守外，其余兩家的設(shè)備拆裝后，重量主要集中在底座(50t)、壓縮機(jī)(45t)和渦輪組件(17t)三部分，加上吊裝的鋼絲繩和吊具橫桿重量，最終確認(rèn)平臺吊機(jī)所需最大吊重能力為50～51t。

3.2 平臺吊機(jī)的選型

為滿足以上拆裝部分的吊裝要求，并考慮一定的設(shè)計余量(平臺吊機(jī)負(fù)載能力后期有一定下降)，平臺主吊機(jī)最大吊重能力設(shè)置為60t。吊裝半徑綜合考慮運(yùn)輸船舶與平臺之間的距離及壓縮機(jī)分拆模塊尺寸較大的因素，分塊吊到平臺上之后還需要使用平臺吊機(jī)進(jìn)行就位和組裝，因此工作半徑選為25m。50m臂長主要考慮平臺遠(yuǎn)端壓縮機(jī)組的維修需要，設(shè)置為10t@50m。綜上所述，平臺主吊機(jī)選用柴油吊機(jī)，能力設(shè)置為60t@25m和10t@50m，布置在平臺的南側(cè)。該吊機(jī)除了吊裝壓縮機(jī)外，還負(fù)責(zé)平臺南側(cè)一些預(yù)留設(shè)備的吊裝及維修。

3.3 吊裝方案的比選

通過以上分析可知，采用平臺吊機(jī)分塊吊裝預(yù)留壓縮機(jī)組方案可行。因此，對采用浮吊和平臺吊機(jī)吊裝兩種方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比選。預(yù)留的濕氣壓縮機(jī)和干氣壓縮機(jī)上平臺時間不同，不同的組合方式如表4所示。

表4 干氣與濕氣壓縮機(jī)組吊裝方案

說明： 吊裝方案沒有列出采用平臺吊機(jī)同時吊裝干氣和濕氣壓縮機(jī)組的方案是由于一方面壓縮機(jī)拆裝數(shù)量過多，重新組裝時間過長，安裝周期和質(zhì)量均較難以保證；另一方面將導(dǎo)致平臺北面40t吊機(jī)加大為60t，增加組塊重量同時導(dǎo)致后期會出現(xiàn)吊機(jī)能力過剩情況，不作為推薦方案。

按照表4所列的不同吊裝方案，進(jìn)行初步的經(jīng)濟(jì)性比選評估，如表5所示。

表5 壓縮機(jī)組吊裝方案比對

說明： (1) 如1.4所述，由于壓縮機(jī)排煙管的高度較高，平臺吊機(jī)的標(biāo)高也設(shè)置較高(EL+64m)。選擇藍(lán)鯨號作為吊裝船主要考慮浮吊在跨越吊機(jī)臂時仍有足夠的扒桿長度和高度。

(2) 在基本設(shè)計后期，明確了采用國產(chǎn)吊機(jī)方案，因而吊機(jī)費(fèi)用可以降低。

(3) 總費(fèi)用中未含動復(fù)員費(fèi)用。總體上動用浮吊次數(shù)越多，單次執(zhí)行吊裝任務(wù)越多，服務(wù)費(fèi)用也越高，趨勢不變。

通過比較，方案3最優(yōu)，推薦采用平臺吊機(jī)吊裝預(yù)留的3臺干氣壓縮機(jī)組，而一期預(yù)留的4臺濕氣壓縮機(jī)組則采用模塊化設(shè)計、整體浮吊吊裝。二期新增的1臺濕氣壓縮機(jī)也可考慮采用60t平臺吊機(jī)吊裝，進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益。預(yù)留壓縮機(jī)組均位于南側(cè)吊機(jī)附近，吊機(jī)有足夠的覆蓋能力將壓縮機(jī)模塊從船上吊到平臺上。吊到平臺之后，在吊機(jī)的輔助之下進(jìn)行移位、就位及組裝。方案的優(yōu)點(diǎn)是投資較少，避免船舶資源緊張帶來的計劃難問題，避免了離岸遠(yuǎn)帶來的浮吊動復(fù)員困難，僅需要一定載重的駁船即可，加大了后期操作的靈活性。

4 結(jié) 語

從降低項(xiàng)目投資的總體目標(biāo)出發(fā)，對壓縮機(jī)組的選型及后期吊裝方案做了深入具體的分析，第一次提出使用平臺吊機(jī)吊裝預(yù)留大型離心壓縮機(jī)組的方案，相比浮吊方案節(jié)約項(xiàng)目投資約1000萬元。要點(diǎn)總結(jié)如下：

(1) 為了確定壓縮機(jī)組的吊裝方案，首先要優(yōu)化壓縮機(jī)組所需的布置空間，從而確定合理的吊裝半徑和吊重，以配合壓縮機(jī)組吊裝方案的研究。

(2) 采用三維可視化平臺布局得到的詳細(xì)壓縮機(jī)組布置方案，為吊裝方案的比選提供了可靠的依據(jù)。

(3) 考慮采用平臺吊機(jī)吊裝壓縮機(jī)組時首要問題就是確定經(jīng)濟(jì)合理的吊機(jī)能力。

以上是南海某深水氣田項(xiàng)目諸多創(chuàng)新方法和思路中的一個縮影，不斷采用新方法、新技術(shù)，高效益、低風(fēng)險進(jìn)行工程開發(fā)是海洋石油工作永遠(yuǎn)的主題。只要以科學(xué)的態(tài)度，小心求證，就可以為“降本增效”做出貢獻(xiàn)。

[1] 王建豐,吳堯增.南海某深水氣田項(xiàng)目天然氣外輸增壓系統(tǒng)設(shè)計[J].中國海上油氣,2012,4(1)： 34.

Wang Jian-feng, Wu Yao-zeng. Natural gas transmission boosting system design for central platform of a deepwater gas field in the South China Sea [J]. China Offshore Oil and Gas, 2012,4(1)： 34.

[2] 中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會.海上固定平臺安全規(guī)則[S].2000.

National Economic and Trade Commission. Safety rules for offshore fixed platforms [S]. 2000.

[3] 中海石油(中國)有限公司.海上固定平臺總體設(shè)計規(guī)范(試行)[S].2015.

CNOOC (China) Co., Ltd. Master design code for offshore fixed platforms [S]. 2015.

[4] American Petroleum Institute. API-RP-14J. Recommended practice for design and hazards analysis for offshore production facilities [S]. 2001.

LayoutandLiftingDesignofCompressorsforaDeepwaterGasFieldintheSouthChinaSea

WU Yao-zeng， QIN Xiao-gang， WANG Wen-xiang， HONG Yi

(CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China)

Optimizing the configuration of the compressors, controlling the weight of the platform and reducing the investment cost are the key to the success of the deepwater natural gas development project. Since the number and operating conditions of compressors of the deepwater gas field in the South China Sea are complex, the deck area and the lifting design of the offshore platform are directly influenced by the selection and layout of the compressors. Under the precondition of compliance with the stringent weight limitation of “FLOAT-OVER” used for the offshore platform installation, we recommend the optimization scheme with less number of compressors and low investment, and propose to use platform crane to hoist large reservation compressors, which saves a lot of investment for the project.

deepwater gas field project；layout of the compressors；lifting scheme design

TE977

A

2095-7297(2017)04-0211-06

2017-03-31

吳堯增(1981—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋石油機(jī)械方面的研究。