FPSO單點中壓電滑環配置方案對比

田志強 杜銀昌 付文宇 張天儀 劉建申

摘要：FPSO單點系泊系統中的中壓電滑環一般為井口平臺或水下生產設施傳輸電能，其電氣參數、配置方式、尺寸、重量一般根據供電需求不同而有所不同。中壓電滑環的選型將影響整個滑環堆棧的布置及其結構的設計，配置方案變動太大甚至將影響整個單點轉塔和FPSO的設計，因此有必要在設計前期階段綜合考慮，確定最合適的配置方案。現針對中壓電滑環的選型設計進行對比分析，可為FPSO單點設計提供參考。

關鍵詞：FPSO;單點;滑環堆棧;中壓電滑環;配置方案

0 引言

隨著我國海洋油氣開發工程逐步朝深海、遠海方向發展，常規開采模式需要鋪設的油氣管線越來越長，導致成本越來越高，風險也越來越大，而FPSO+水下生產系統的開采方式正是解決這一難題最有效的途徑。單點系泊的FPSO可以圍繞轉塔在風、波、流的作用下360°旋轉，實現最小的環境載荷。滑環堆棧是FPSO單點系泊轉塔的重要組成部分，也是最昂貴的系統，其負責在對地固定的系泊轉塔與對地旋轉的FPSO船體之間進行油氣、電力、控制和通信傳輸。中壓電滑環的選型配置不僅會影響其他生產、公用滑環的布置，還將影響滑環堆棧的整體布置和結構設計，進而影響整個單點系泊轉塔系統及FPSO的結構設計。

1 FPSO簡介

FPSO全稱為Floating Production Storage and Offloading，是集浮式生產、存儲、卸載功能于一體的油輪，具備對原油進行油氣分離、處理含油污水、動力發電、供熱、原油產品的儲存和運輸功能，是一種海上綜合性的大型油氣處理工廠。

FPSO主要系統包括系泊系統、水下系統、船體系統和上部模塊系統。

（1）系泊系統是影響FPSO安全性、決定適應海況的關鍵組成部分，也是FPSO最昂貴的系統。其主要可分為3種系泊方式：單點系泊系統、多點系泊系統和動力定位系統。其中單點系泊系統是指錨鏈系統與船體只有一個連接點，具有明顯的風向標效應，能保證FPSO的方位始終處在系泊力最小的方向上，適用于海況惡劣的深水海域。

（2）水下系統由水下采油樹、海底管匯、管纜等組成。由臍帶纜為水下生產系統提供動力和控制，各井口采油樹的油氣匯集到中心管匯，然后通過立管系統輸送到FPSO上。

（3）船體系統主要用于承載上部模塊、儲油和外輸，處理合格后的原油儲存在船艙中各個獨立的油艙，滿載后通過外輸系統將原油輸送給穿梭油輪。

（4）上部模塊系統與常規油氣平臺處理系統類似，主要包括油氣水分離系統、計量系統、生產水處理系統和火炬系統等，但布置得更加緊湊，在保證滿足更加嚴格的工藝流程安全要求的同時，還要滿足船體運動的要求，集成化和自動化程度更高。

2 滑環堆棧簡介

滑環堆棧由一系列液滑環、中壓電滑環、低壓電滑環、公用系統滑環以及光纖滑環堆疊組成，是FPSO單點系泊轉塔的重要組成部分，其負責在對地固定的系泊轉塔與對地旋轉的FPSO之間進行油氣、電力、控制和通信傳輸，如圖1所示。滑環外側通過驅動臂及塔架與船體連接，對地旋轉;滑環內側與轉塔結構連接，對地固定。滑環堆棧中心孔內布置有各種氣液管線、電力、控制和通信電纜，空間非常緊湊，如圖2所示。

3 中壓電滑環配置方案對比

中壓電滑環的選型首先需要明確電氣參數、防護和防爆等級要求，電氣參數包括電壓等級、額定電流、短路容量、回路數，這些參數都會直接影響中壓電滑環的結構配置、防爆型式、尺寸、重量和價格。

電壓等級、額定電流、短路容量和回路數一般在整個油田電氣系統設計時根據油田開采方式來確定。若為FPSO+井口平臺開采方式，則其電壓等級、額定電流、短路容量參數一般較高，回路數較少;若為FPSO+水下生產設施開采方式，則其電壓等級、額定電流、短路容量參數一般較低，但回路數較多，具體由井口數決定。因FPSO單點系泊系統始終面向風、浪、流的方向，室外露天區域電氣設備防護等級一般要求IP66，內部區域一般要求IP56。防爆型式根據危險區劃分，中壓電滑環一般與生產氣、液滑環相鄰布置，最低要求適用于1類危險區，溫度等級T3，常用防爆型式為ExO和ExP。滑環中空內孔的大小與滑環堆棧的整體布置有關，主要由其與生產滑環的位置和生產管線大小決定，若位于生產滑環上方，則其載荷、尺寸和內孔都較小;若位于生產滑環下方，則其載荷、尺寸和內孔都會明顯增大。

以中國南海某深水油田項目為例，該項目水深400 m左右，共有3個水下油田，新建一艘15萬t級內轉塔型單點系泊FPSO，連接3個水下油田生產設施共26口井，采用變頻器驅動中壓電潛泵開采，油田分布如圖3所示。

中壓電滑環輸電需求為6.6 kV、200 A、5 kA RMS 3 s、28個三相回路，空氣絕緣中壓電滑環配置選型方案如表1所示。

方案1采用1組滑環設計，總體高度較高，外徑、內孔徑最大，重量比方案2和方案3重約1倍，對滑環堆棧結構有較大影響，目前全球還未生產過如此巨大的電滑環，造價最高;并且所有油田電潛泵回路位于同一組滑環中，可靠性最低，一旦滑環故障將導致3個油田停產。

方案2采用2組滑環設計，總體高度最低，外徑、內孔徑較小，重量較輕，造價最低;3個油田電潛泵回路合理布置在2組滑環中，當一組滑環故障時，可至少保證一個油田全部井口和一個油田部分井口正常生產，可靠性較高。

方案3采用3組滑環設計，總體高度最高，外徑、內孔徑最小，重量最輕，造價較低;3個油田電潛泵回路合理布置在獨立的滑環中，互不影響，可靠性最高。

綜合考慮3個中壓電滑環配置方案的造價、高度、尺寸、重量和可靠性以及對其他滑環的布置和結構影響、對堆棧結構與單點結構的影響，方案2為最優配置。

4 結語

隨著海洋石油開發逐步向深水海域邁進，固定式導管架平臺已不能滿足要求，且長距離鋪設海管成本高昂，單點系泊FPSO配合多井口水下生產設施的開發方式將成為一種發展趨勢，在越來越多的深海油氣田中被應用。單點系泊系統中最重要和最昂貴的系統就是滑環堆棧，它是整個開采項目中的咽喉，需要對其進行合理的選型和配置，才能保證水下生產設施的供電和油氣的傳輸。在多通道的中壓供電需求下，需要綜合考慮中壓電滑環的配置方案，從造價、高度、尺寸、重量和可靠性等多個維度去對比分析，最終確定適合具體項目的最優方案。

收稿日期：2021-05-18

作者簡介：田志強（1986—），男，重慶人，高級工程師，研究方向：海上油氣設施電氣系統設計。