小型多邊形FPSO兩點外輸方案分析

時光志，夏華波，黃國良，王司祺，吳昊

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

中國海域環境惡劣，目前投產的FPSO均為船形，多采用具風標效應的單點系泊式尾部輸油方式，關于系泊式外輸方式，已有的報道[1-6]未見涉及類似無風標效應FPSO的外輸方案比選、外輸方式配置、大纜張力及偏移角計算、外輸操作模式及其可靠性分析。本文提出基于多點系泊方式的多邊形FPSO兩點外輸方式，論證其外輸方案可行性。

1 方案基本情況

采用多邊形FPSO，儲油量約3萬～5萬t，5口水下井口開發，電潛泵開采，由于浮體各向同性，采用張緊式多點系泊方式定位，動態電纜、臍帶纜及柔性立管從浮體底部穿入，通過舷側艙室，在主甲板穿出，接至管匯。多邊形FPSO在作業海域永久系泊，臺風不解脫。作業于南海深水海域，約為330 m，環境條件極為惡劣。主船體外徑為62 m，主甲板處外徑為68 m，模塊甲板處外徑為72 m，阻尼板處外徑為82 m，主甲板處型深28 m，工藝甲板處型深32m，設計吃水和壓載吃水分別為16.2 m與11.5 m。采用10邊的多邊形，5對貨油艙艙容為40 577 m3，壓載水33 327 m3。

圖1 多邊形FPSO總體方案示意

該多邊型FPSO不同于船形FPSO具有風標效應，不能采用傳統在艉部設置一套外輸的方案。初步考慮以下3種外輸卸油方案。

1)常規DP油船卸油方案，應用于北海和巴西，適用于多點系泊，見圖2。

圖2 DP穿梭油船外輸方式

2)HILOAD定位卸油，增加1套裝置，常規卸油船在多點系泊FPSO位置的卸油(巴西進行了試驗應用)，見圖3。

圖3 Hiload外輸方式

3)常規油船(加裝艏側推、艏裝載)加拖船輔助定位。

國內暫無DP油船，Hiload方式在巴西工程示范應用未取得理想效果，技術成熟性有待提高，故考慮采用常規油船方案。中國南海常年風向分別為夏季西南風與冬季東北風，最大利用風標效應，在多邊形FPSO的東北和西南2個主環境方向上分別設1套外輸系統，采用常規提油船，油船配艏側推、艏裝載和艉部拖船。

2 方案關鍵技術

如圖4和圖5所示，多邊形FPSO采用兩點外輸方案，包含2個外輸平臺，2套外輸系統，布置在工藝甲板，該層甲板依次為生活區，電站、熱站及公用區，油氣處理區，水處理區，包含預留區。多邊形FPSO是相對固定不隨風浪流旋轉的，采用常規油船串靠外輸方式，提油船距離FPSO約100 m時，值守拖船從FPSO向油船傳送外輸系泊大纜及漂浮軟管，根據風向選擇東北或西南外輸點，使提油船利用風標盡量處于迎風位置，根據作業天氣確定采用1艘或2艘拖船在提油船艉部輔助外輸操作。外輸的常規油船配置艏側推、艏部裝載系統。

圖4 外輸方案示意

圖5 外輸方案布置

1)雙外輸點設計。外輸時提油船視風向系泊在兩點中的其中1個外輸點，使提油船具有風標效應，雙外輸點核心理念是如何充分利用該風標效應，確保其在安全的下風側外輸作業。雙外輸方案使其外輸在多數情況下與船形FPSO一樣實現風標作業，夏季風時在東北側外輸點作業，冬季風時在西南側外輸點作業，基本能覆蓋南海外輸作業窗口，實現下風側安全外輸。

2)艏部接油方式。中國海域FPSO外輸為船舯接油，方案采用油船艏部裝載，屬國內首次擬應用案例。外輸時，提油船停泊在距FPSO約100 m的下風側待命，值守拖船完成FPSO與油船間系泊大纜和漂浮軟管的傳輸，系泊大纜和外輸軟管分別連接至油船艏部系泊設備及油船艏裝載系統，實現艏部接油。與船舯接油相比，艏部接油有如下特點：艏部接油方式在國外應用較普遍；可免去拖船從艏部到船舯傳輸軟管帶來的風險；避免外輸時軟管與FPSO或提油船的碰撞；縮短軟管長度，減少約2/3軟管傳輸時間，節省軟管投資；艏裝載具備應急解脫功能；是OCIMF的推薦操作模式，具有簡易、便捷、通用的優點。

3)艏側推。提油船配置艏側推，具備以下特點：更加靈活可靠的操縱性，協助靠泊，提高靠泊成功率；停在泊期間能有效降低大纜瞬間張力，減少碰撞風險；若油船受到較大的橫向力將發生艏向偏轉時，艏側推能夠抵消橫向作用，使油船盡量保持在較小的環境力艏向上；國內帶艏側推的油船有8艘，其中一半在南海使用過；該功能和DP提油船的艏部側推相當，費用約30萬美元。

4)艉部拖船。當外輸大纜松弛或距FPSO較近時，利用艉部拖船進行拖拽定位，確保外輸的合理角度與安全距離。拖船兼具作業守護、大纜和軟管傳輸、輔助消防等功能。天氣良好時，采用1艘拖船系泊于提油船的艉部拖帶作業，氣候條件較差時則采用2艘拖船系泊于提油船的艉部拖帶作業。弱風標配置2艘拖船，則弱風標效應時，采用雙拖船拖艉，確保安全外輸，雙拖船為2個獨立動力源，功能可靠、冗余度高、安全性好；降低使用FPSO應急解脫的幾率，減少FPSO回接油管和大纜的時間。

3 外輸方案比較

兩點外輸與傳統外輸在大纜配置、接管方式與難度、提油船靠泊難度與風險等方面的對比見表1。

表1 2點外輸與傳統外輸提油作業外輸配置與作業難度比較

國外圓筒形FPSO提油方式為DP穿梭油船輸油，多邊形FPSO與國外圓筒形FPSO提油方式在外輸方案及設備配置方面的對比見表2。

表2 常規油船雙外輸點與DP外輸方案及設備配置對比

4 外輸分析

如圖6所示，風浪流同向，從A～G方向來風、流和浪進行計算，具體數值見表3～4。根據南海以往的外輸條件經驗，確定多邊形FPSO外輸條件見表4。以惡劣環境時，1艘提油船正在提油作業，2艘艉部拖船牽引為例進行分析，其中提油船為5萬t，拖船分別為3 000 t和6 000 t。

表3 外輸環境方向

表4 多邊形FPSO外輸操作條件

圖6 波浪方向示意

多邊形FPSO通過多點系泊固定在某海域，外輸時系泊大纜兩端分別連接FPSO和提油船，2艘艉部拖船在FPSO艉部拖拽，方向及夾角見圖7。

圖7 外輸作業布置示意

其中，系泊大纜及拖船的拖力見表5、6。

表5 系泊大纜及拖船參數限制 kN

系泊大纜單纜安全因子為大纜破斷負荷與最大設計張力的比值，根據BV船級社NR494規范要求，選定單纜安全因子為3，即大纜允許的破斷載荷為2 160 kN。根據南海的作業經驗，拖船的系柱拖力利用率分別考慮90%，50%。見圖8、9，外輸大纜靜態下的計算結果解讀如下。

圖8 90%系柱拖力時外輸關系

1)該外輸方式在南海作業，其靜態大纜張力滿足安全系數。

2)每個浪向均有可能達到大纜極限張力，故大纜張力與入射浪向角無關。

3)靜態大纜張力與風浪相對夾角也無關。

4)靜態大纜張力與拖船角度有關，如拖船A角度，拖船B角度，拖船A、B相對角。

5)最大靜態張力發生在拖船A與拖船B同向或近似同向時，隨著相對夾角增大而大纜張力減小。

表6 各船舶相對運動角度限制

為了進一步確認該外輸方式的安全可靠性，在荷蘭Marin水池進行模擬實操，模擬的船舶參數與計算假定一致，以測試本模式的可行性，結果見表7。

圖9 50%系柱拖力時外輸關系

表7 兩點外輸方案水池實操模擬結果

計算和水池試驗結果表明：①除4 m及以上大風浪條件下，使用2條拖船和提油船主機、艏側推，在各種不利天氣條件下，大纜張力可控；②大纜夾角在強對流和亂流測試中偏大但可糾正；③大纜夾角在正橫風速10 m/s條件下夾角過大，但該條件出現的概率為1.10%。因此，該方案在南海外輸，大纜拉力可控，船舶偏移角在合理范圍，外輸方案可行。

5 結論

1)在南海應用雙外輸點設計，能充分利用環境風標特點，保證作業時率。

2)艏部接油設計，能縮短軟管長度，降低碰撞風險，提高作業效率。

3)提油船配艏側推設計，能保證操作的靈活性和最小外輸大纜系泊力。

4)雙艉部拖船設計，能保障作業的可靠性和作業時率。配置雙外輸點、艏側推、艏部接油、雙艉部拖船方式的常規油船兩點外輸方案，系泊大纜張力和船舶偏移角都能控制在合理的作業范圍，能夠在南海進行無風標外輸安全作業。這種基于多邊形FPSO的兩點外輸方案可為中國海上油氣開發提供一種新的外輸模式。