FPSO原油裝載系統的分析與優化

陳國剛

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

FPSO原油裝載系統的分析與優化

陳國剛

（上海中遠船務工程有限公司，上海 200231）

浮式生產儲油裝置（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。文章結合現有項目案例，研究如何實現合理的原油裝載方案，并通過研究管網水力學計算，詳細分析該類大落差管道的特點，為完成類似系統的優化設計和實現提供參考。

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裝備，其原油裝載系統的安全運行對于整個海上油田開發活動具有非常重要的意義。然而，在設計這類大落差管道時，往往會考慮水擊的影響，經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。因此很多相關設計的管道，在設計運行時候，大落差管道的垂直管段中不是噪聲很大就是振動很厲害。經過管網水力學計算，可以通過能量梯度直觀地發現問題。

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，該裝載系統則擔任將處理好的穩定原油通過DN300管線分配到12個32 m深的儲艙內的作用。已知每個艙室內的壓力恒定為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。

首先通過管網水力計算軟件模擬該系統原油儲存的狀況。

1.1 穩定原油的工藝參數

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，且每組儲油艙的結構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 工況計算和結果分析

經過核查計算結果發現，管道內原油的流速偏高，各節點均出現了不同程度的負壓，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，最終管線中會出現液相夾帶氣相的情況，并導致管道原油紊亂而發生劇烈的橫向振動。

當該原油裝載系統長期處于負壓狀態，主甲板總管上的波紋管膨脹節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生。系統警告截圖見圖2。

2 優化及驗證方案

通過分析，由于原油的各質點的速度差，出現了液柱分離的情況，可以通過在垂直管線設置孔板等節流裝置，減慢流體的速度，保持整個管道內的流體能夠連續流動，維持各個節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部負壓問題。

2.1 優化方案一

采用添加節流孔板的辦法，通過不斷地試驗和優化，分別在EL 5 m、EL 12 m、EL 17 m、EL 24 m和EL 32 m處分別設置孔板，來實現多節節流，如圖3所示。

2.2 驗證優化方案一

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

此時得到每個節流孔板對應的孔徑和工作壓降，如表2所示。

表2 泡沫系統設計流量

2.3 優化方案二

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?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 驗證優化方案二

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

在方案二中，大落差垂直部分管內壓力均為0.007 MPa與艙內一致；主甲板以上部分為微負壓狀態，其中最小為管廊部分的-0.017 MPa，高于穩定原油的飽和蒸氣壓，故仍然可以接受。

3 結論

本文以35 m大落差管道以及對應項目設計流量為例，詳盡闡述了不采取任何措施、垂直管段設置節流孔板和設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，又能實現注入到同一個艙內，所以最終應該采用設置透氣孔的優化方法。

[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：海洋工程輪機系統設計與研究。