杜 佳

（中海油研究總院 北京 100028）

杜佳.南海FPSO臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷分析及優(yōu)化［J］.中國(guó)海上油氣，2015，27（6）：111-115.

熱站是FPSO必不可少的關(guān)鍵設(shè)備之一，根據(jù)不同服務(wù)海域環(huán)境條件，其規(guī)模及負(fù)荷組成特點(diǎn)不同。FPSO上熱站負(fù)荷分為上部設(shè)施的工藝處理流程熱負(fù)荷和船體本身各艙室的加熱維溫負(fù)荷兩部分，其中上部設(shè)施的工藝處理流程熱負(fù)荷與流程處理中的物流特性、處理量等有關(guān)，而FPSO船體本身各艙室的加熱維溫負(fù)荷又可分為在正常生產(chǎn)工況下和與環(huán)境條件有關(guān)的冬夏季艙室維溫負(fù)荷、洗艙時(shí)海水艙的加熱工況負(fù)荷（海水洗艙）等。對(duì)于運(yùn)行在南海海域的FPSO來(lái)說(shuō)，其特殊之處在于熱站規(guī)模分析時(shí)還要考慮因躲避臺(tái)風(fēng)停產(chǎn)撤離，在人員返回后恢復(fù)生產(chǎn)之前各艙室的重新加熱工況負(fù)荷（簡(jiǎn)稱(chēng)臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷）。表1列出了南海某油田開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中FPSO各工況下的熱負(fù)荷情況。

表1 南海某油田FPSO熱負(fù)荷組成Table 1 FPSO re-startup heat load analysis in an oilfield，South China Sea

南海海域已投入運(yùn)行的FPSO熱負(fù)荷顯示，臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷相比正常生產(chǎn)工況、洗艙工況熱負(fù)荷都要大很多，以往南海海域多個(gè)項(xiàng)目中FPSO熱站規(guī)模實(shí)際由臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷的大小所確定。本文主要針對(duì)南海FPSO臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷特點(diǎn)進(jìn)行分析研究，目的在于合理降低熱站系統(tǒng)設(shè)備配置規(guī)模，減少系統(tǒng)設(shè)備投資，同時(shí)縮小不同工況下熱負(fù)荷的差值，使系統(tǒng)設(shè)備在不同工況下盡可能高效運(yùn)行，從而節(jié)約熱介質(zhì)加熱爐的燃料成本，實(shí)現(xiàn)降本增效。

1 臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷分析

1.1 熱負(fù)荷組成

夏季南海海域經(jīng)常會(huì)遭到臺(tái)風(fēng)侵襲，臺(tái)風(fēng)級(jí)別達(dá)到一定程度時(shí)會(huì)對(duì)FPSO正常生產(chǎn)及人身安全造成不利影響，臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前FPSO將停止生產(chǎn)，船上所有人員撤離；臺(tái)風(fēng)過(guò)后生產(chǎn)人員返回FPSO，重新開(kāi)始正常生產(chǎn)作業(yè)。由于人員撤離前FPSO上包括熱介質(zhì)加熱系統(tǒng)在內(nèi)的所有系統(tǒng)均停止運(yùn)行，避臺(tái)撤

1.2 主要因素分析

1.2.1 影響熱負(fù)荷的主要因素

式（1）中，無(wú)論是將冷卻的油品加熱至一定溫度所需熱量Q1，還是加熱過(guò)程中的散熱損失Q3，都與臺(tái)風(fēng)撤離期間油品冷卻過(guò)程的終了溫度，即恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)的加熱初始溫度t初密切相關(guān)。以南海某15萬(wàn)噸級(jí)FPSO的10個(gè)儲(chǔ)油艙為例，假設(shè)原油需加熱至60℃，加熱時(shí)間為48 h，初始溫度在析蠟點(diǎn)以上，則臺(tái)風(fēng)工況下該FPSO熱負(fù)荷隨初始溫度的變化情況如圖1所示。

由圖1可知，該FPSO儲(chǔ)油艙艙容及油品性質(zhì)確定后，在一定的加熱時(shí)間內(nèi)，臺(tái)風(fēng)工況加熱負(fù)荷只與加熱前后艙室溫度的變化有關(guān)，且溫差越大，加熱負(fù)荷也越大，即臺(tái)風(fēng)撤離期間艙室冷卻的終了溫度越低，返回后恢復(fù)生產(chǎn)所需的重新加熱負(fù)荷將線性增加。雖然終了溫度降低可降低油品加熱過(guò)程中的平均溫度，縮小平均溫度與艙室周?chē)橘|(zhì)的溫度差，從而使加熱過(guò)程中的散熱損失隨著加熱初始溫度的離期間FPSO船體各油艙、生產(chǎn)水艙等所有艙室不再有外部熱源供熱維溫，各艙室均處于慢慢冷卻狀態(tài)，導(dǎo)致艙室溫度下降；人員返回后為恢復(fù)正常生產(chǎn)作業(yè)，熱介質(zhì)系統(tǒng)首先啟動(dòng)運(yùn)行，加熱生產(chǎn)水艙、貨油艙等使其達(dá)到一定溫度，這時(shí)的加熱總負(fù)荷Q總由以下幾部分組成：

1）將油品從撤離期間冷卻下來(lái)的溫度加熱到正常生產(chǎn)工況的維溫溫度所需熱量Q1；

2）如果撤離時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致油品溫度降到析蠟點(diǎn)或凝點(diǎn)以下，已有部分原油凝固，溶解這部分原油所需熱量Q2；

3）避臺(tái)返回復(fù)產(chǎn)前的各艙室加熱時(shí)間往往為48 h或更長(zhǎng)［1］，在此加熱過(guò)程中散失到周?chē)橘|(zhì)中的熱量Q3。

因此，加熱總負(fù)荷Q總可表示為降低而減少，但散熱損失減少的幅度遠(yuǎn)低于由于初溫降低使加熱負(fù)荷增加的幅度，因此，臺(tái)風(fēng)工況FPSO加熱總負(fù)荷受加熱初始溫度的影響較大。

莊子將死，弟子欲厚葬之。莊子曰：“吾以天地為棺槨，以日月為連璧，星辰為珠璣，萬(wàn)物為赍送。吾喪具豈不備邪？何以加此？”弟子曰：“吾恐鳥(niǎo)鳶之食夫子也！”莊子曰：“在上為鳥(niǎo)鳶食，在下為螻蟻食，奪彼與此，何其偏也！”(《莊子·列御寇》)

圖1 臺(tái)風(fēng)工況下南海某15萬(wàn)噸級(jí)FPSO熱負(fù)荷隨初始溫度的變化Fig.1 The variation of 150 000-ton FPSO re-startup heat load with initial cargo tank temperature after typhoon retreat，South China Sea

1.2.2 影響初始溫度的主要因素

1）船體結(jié)構(gòu)。船體儲(chǔ)油艙等艙室側(cè)面、底面被海水包圍，艙室頂部為上甲板。由于艙室溫度高于海水、空氣等周?chē)橘|(zhì)溫度，在臺(tái)風(fēng)撤離期間艙室內(nèi)熱量通過(guò)艙壁散發(fā)。經(jīng)艙壁散失到周?chē)橘|(zhì)中的熱量除與艙壁散熱面積、周?chē)橘|(zhì)溫差有關(guān)外，還與儲(chǔ)油艙各艙壁的傳熱系數(shù)成正比，而儲(chǔ)油艙各艙壁的傳熱系數(shù)大小取決于船體的結(jié)構(gòu)型式、材料等［1］。

出于保護(hù)海洋環(huán)境安全和防止油污染的需要，雙舷側(cè)結(jié)構(gòu)已成為FPSO的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模式［2］，但是否采用雙層底結(jié)構(gòu)，規(guī)范中并沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定。對(duì)于服務(wù)于南海海域的FPSO，由于水深可達(dá)90～100 m，甚至更深，雖然對(duì)采用雙層底結(jié)構(gòu)并不是必須的要求，但隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，F(xiàn)PSO設(shè)計(jì)壽命較長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)考慮到除在南海海域外，還會(huì)有在其他海域服務(wù)的可能，而在美國(guó)墨西哥灣為保護(hù)海洋環(huán)境，防止海洋污染，雙層船體已是強(qiáng)制性要求［3］，所以采用雙舷雙底結(jié)構(gòu)的FPSO對(duì)于艙室保溫更為有利。以避臺(tái)撤離時(shí)間3d為例，南海某15萬(wàn)噸級(jí)FPSO采用雙層底結(jié)構(gòu)與單層底結(jié)構(gòu)相比，10個(gè)儲(chǔ)油艙平均溫度提高約0.7℃，臺(tái)風(fēng)工況加熱總負(fù)荷約降低1 000 k W。

2）避臺(tái)撤離時(shí)間。人員避臺(tái)撤離時(shí)FPSO熱介質(zhì)系統(tǒng)停止供熱，艙室處于逐漸冷卻狀態(tài)，隨著撤離時(shí)間的延長(zhǎng)，艙室溫度從原維溫溫度降低到避臺(tái)返回后恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)的初始加熱溫度，此時(shí)單位時(shí)間內(nèi)損失的熱量Q損為

式（2）中：τ為避臺(tái)撤離時(shí)間，s。

艙室損失的熱量通過(guò)艙壁散失于周?chē)橘|(zhì)中。通過(guò)艙壁散失的熱量Q散為

假設(shè)在艙室冷卻過(guò)程中油溫處處均勻一致，且油品中無(wú)蠟析出，這時(shí)艙室損失的熱量與從艙壁散失的熱量相等，則由式（2）及式（3）可變換為為定值，因此避臺(tái)撤離時(shí)間τ的延長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致艙室冷卻的最終溫度與撤離初期的艙室維溫溫度的差值越來(lái)越大。

3）艙容大小。在式（4）中，當(dāng)儲(chǔ)油艙液位越高即艙容越大時(shí)，油艙裝油量G也越大，雖然相應(yīng)的散熱面積F總也會(huì)有所增加，但F總與G的比值仍會(huì)變小，避臺(tái)撤離期間艙室溫度的變化也仍會(huì)減少。也就是說(shuō)，艙容的增加會(huì)使臺(tái)風(fēng)工況初始加熱溫度升高。以南海某15萬(wàn)噸級(jí)FPSO為例，10個(gè)儲(chǔ)油艙在60%、95%艙容條件初始加熱溫度的變化見(jiàn)圖2。

圖2 南海某15萬(wàn)噸FPSO不同艙容對(duì)初始溫度的影響Fig.2 The influence of 150 000-ton FPSO tank capacity on initial temperature，South China Sea

對(duì)于特定的項(xiàng)目條件

由式（1）可以看出，將艙室溫度加熱到維溫溫度的加熱負(fù)荷與艙容成正比，艙容增加使加熱負(fù)荷相應(yīng)增加的幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始加熱溫度升高使加熱負(fù)荷減少的幅度。同時(shí)，艙容增加意味著艙壁散熱面積的增加，也會(huì)使加熱期間的散熱損失Q3增大。圖3為艙容變化對(duì)南海某15萬(wàn)噸級(jí)FPSO臺(tái)風(fēng)工況總加熱負(fù)荷的影響。

圖3 南海某15萬(wàn)噸FPSO不同艙容對(duì)臺(tái)風(fēng)工況總加熱負(fù)荷的影響Fig.3 The Influence of 150 000-ton FPSO tank capacity on re-startup heat load after typhoon retreat，South China Sea

2 臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷優(yōu)化

上述分析表明，F(xiàn)PSO避臺(tái)返回后恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)的艙室初始溫度是影響臺(tái)風(fēng)工況加熱負(fù)荷大小的關(guān)鍵因素，但初始溫度的確定又與海域的環(huán)境條件如海水、空氣溫度、臺(tái)風(fēng)遷移速度等客觀因素以及船體結(jié)構(gòu)、油品性質(zhì)等具體項(xiàng)目條件密切相關(guān)，因此臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷優(yōu)化至關(guān)重要。

2.1 優(yōu)化內(nèi)容

1）選取適宜的環(huán)境條件參數(shù)。臺(tái)風(fēng)期間FPSO所在海域的海水、空氣溫度越低，意味著艙室與外界介質(zhì)的溫差大，艙室散熱量將增大，恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)的初始加熱溫度也就越低，即臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷增加。同樣地，避臺(tái)撤離時(shí)間也受當(dāng)?shù)睾Ｓ虻呐_(tái)風(fēng)遷移特點(diǎn)、遷移速度等環(huán)境條件影響，撤離時(shí)間選擇越長(zhǎng)，臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷就會(huì)越大。因此，在臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能準(zhǔn)確掌握相關(guān)基礎(chǔ)資料，合理選取環(huán)境參數(shù)。

2）選取適當(dāng)?shù)膫鳠嵯禂?shù)。南海海域環(huán)境溫度相對(duì)較高，艙室散熱速度較慢，特別是對(duì)于雙層雙底的雙體FPSO，在臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷設(shè)計(jì)時(shí)傳熱系數(shù)在可取范圍內(nèi)宜選擇較小值。

3）確定適當(dāng)?shù)募訜峤K了溫度。油田生產(chǎn)物流經(jīng)FPSO上部工藝處理設(shè)施處理成合格原油后儲(chǔ)存在船體儲(chǔ)油艙內(nèi)等待穿梭油輪外運(yùn)，除要滿(mǎn)足雷德蒸汽壓力低于大氣壓力的條件外［4］，還要使油品保持一定的流動(dòng)性。由于穿梭油輪自身配有加熱系統(tǒng)，一般FPSO儲(chǔ)油艙的維溫溫度取油品析蠟點(diǎn)以上5～10℃［5］。

FPSO避臺(tái)返回后恢復(fù)正常生產(chǎn)初期，艙室溫度變化的實(shí)際工況是新生產(chǎn)的原油入艙溫度較高，熱介質(zhì)加熱系統(tǒng)也已開(kāi)始正常運(yùn)行，艙室溫度處于逐步升高的過(guò)程。在這種情況下，在臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷設(shè)計(jì)時(shí)，如果艙室溫度已降到析蠟點(diǎn)以下，可以考慮只要加熱負(fù)荷能夠滿(mǎn)足溶解部分已凝固的原油的熱量需求即可，即適當(dāng)降低油艙加熱終了溫度，不必在恢復(fù)生產(chǎn)前就使艙室加熱到正常維溫溫度，這樣臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷就可以大大降低。

2.2 降低熱負(fù)荷的有效措施

1）撤離前適當(dāng)提高艙室溫度。為提高避臺(tái)返回后艙室的初始溫度，可在避臺(tái)撤離前適當(dāng)提高艙室的維溫溫度。如南海某FPSO項(xiàng)目中儲(chǔ)油艙的正常維溫溫度為60℃，但艙室加熱器及潛沒(méi)式原油外泵等艙內(nèi)設(shè)備設(shè)施的高溫關(guān)斷溫度設(shè)計(jì)值為75℃，正常生產(chǎn)工況下熱介質(zhì)加熱爐總會(huì)有1臺(tái)作為備用。因此，在滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件及外輸作業(yè)操作規(guī)程的前提下，避臺(tái)撤離前加熱相關(guān)艙室，將艙室溫度保證在正常維溫溫度或以上，以提高避臺(tái)返回后的艙室溫度，這種方法在現(xiàn)場(chǎng)操作上完全可以實(shí)現(xiàn)。

2）有區(qū)別地滿(mǎn)足不同艙室的加熱需求。FPSO避臺(tái)返回后恢復(fù)生產(chǎn)前的熱介質(zhì)系統(tǒng)用戶(hù)主要包括生產(chǎn)水艙、污油艙、燃油艙及儲(chǔ)油艙等，這些艙室的加熱也有優(yōu)先順序。例如，如果生產(chǎn)水是用作恢復(fù)生產(chǎn)前的海管加熱，可優(yōu)先對(duì)生產(chǎn)水艙進(jìn)行加熱，確保其熱負(fù)荷需求，為預(yù)熱海底管線做準(zhǔn)備，以保證盡快恢復(fù)生產(chǎn)；如果主電站機(jī)組是以原油為主要燃料，則燃油艙也要優(yōu)先加熱，以使原油燃料盡快替換柴油，節(jié)約燃料操作成本；而其他負(fù)荷如儲(chǔ)油艙等的加熱，可根據(jù)油艙實(shí)際溫度等具體情況而定。如果因氣候條件惡劣而使避臺(tái)撤離時(shí)間延長(zhǎng)，造成加熱負(fù)荷較大時(shí)，則可采用這種方法，優(yōu)先保證重要用戶(hù)用熱需求，而對(duì)儲(chǔ)油艙等的加熱終了溫度要求再適當(dāng)降低。

3）減小油艙儲(chǔ)油量。雖然避臺(tái)返回后的艙室溫度將隨著艙容的減少而降低，但艙容的減少卻會(huì)大大降低艙室的加熱負(fù)荷需求?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)是，臺(tái)風(fēng)來(lái)臨前只要時(shí)間允許，F(xiàn)PSO儲(chǔ)存的原油盡可能外運(yùn)，減少臺(tái)風(fēng)期間FPSO原油裝載量。這樣做的目的雖然主要是出于安全性考慮，但間接的益處是也降低了臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷。

3 案例分析

以南海某15萬(wàn)噸級(jí)FPSO項(xiàng)目為例，臺(tái)風(fēng)工況主要加熱用戶(hù)為儲(chǔ)油艙、生產(chǎn)水艙、污油水艙及燃油艙，采用雙層底結(jié)構(gòu)，其基本設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。按照上述思路，對(duì)該FPSO避臺(tái)撤離時(shí)間及儲(chǔ)油艙加熱終了溫度進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化前后設(shè)計(jì)參數(shù)及熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

表2 南海某15萬(wàn)噸FPSO熱介質(zhì)用戶(hù)基本設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Basic design parameter of 150 000-ton FPSO，South China Sea

表3 南海某15萬(wàn)噸級(jí)FPSO優(yōu)化前后設(shè)計(jì)參數(shù)及熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果對(duì)比Table 3 The Comparison of design parameter and re-startup heat load before and after optimized of 150 000-ton FPSO，South China Sea

以往南海海域FPSO避臺(tái)撤離時(shí)間通常按5 d（120 h）考慮，經(jīng)與作業(yè)區(qū)相關(guān)人員了解，現(xiàn)場(chǎng)避臺(tái)、返回到恢復(fù)生產(chǎn)一般在3d左右，因此將避臺(tái)撤離時(shí)間優(yōu)化為3 d（72 h），這樣返回時(shí)艙室溫度提高了近3℃。原設(shè)計(jì)計(jì)算熱負(fù)荷時(shí)各艙室加熱終了溫度為日常的維溫溫度，而優(yōu)化后將儲(chǔ)油艙終了加熱溫度設(shè)定在高于原油析蠟點(diǎn)以上4～5℃，其他艙室維持原設(shè)計(jì)值不變，這樣優(yōu)化前后臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷降低了約1／3。另外，考慮到該項(xiàng)目主電站是以原油為主要燃料，優(yōu)化時(shí)適當(dāng)縮短了原油燃油艙的加熱時(shí)間，這部分負(fù)熱荷僅略有增加。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)本文分析，通過(guò)優(yōu)化FPSO臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷來(lái)合理降低南海FPSO熱站配置規(guī)模是完全可行的，但計(jì)算臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)如維溫溫度、初始加熱溫度、臺(tái)風(fēng)撤離時(shí)間等如何選取，還需要根據(jù)項(xiàng)目的具體情況如生產(chǎn)原油的油品性質(zhì)、服務(wù)海域的環(huán)境條件等因素綜合考慮。我們相信，F(xiàn)PSO處理能力和儲(chǔ)存規(guī)模越大，通過(guò)減小臺(tái)風(fēng)工況熱負(fù)荷來(lái)合理降低熱站系統(tǒng)設(shè)備配置規(guī)模所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益也將會(huì)越加顯著。

致謝：中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司徐國(guó)發(fā)、吳奇林、周楊柳、陳小剛等在該文撰寫(xiě)中提供了寶貴的現(xiàn)場(chǎng)操作經(jīng)驗(yàn)，在此深表感謝！

［1］中國(guó)船舶工業(yè)總公司.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)：輪機(jī)分冊(cè)［M］.北京：中國(guó)交通科技出版社，1999.

［2］International Maritime Organization.International convention for the protection of pollution from ships［S］.2006.

［3］金曉劍.FPSO最佳實(shí)踐與推薦做法［M］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2012.

［4］國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油裝置（FPSO）安全規(guī)則［S］.2010.

［5］郭光臣，董文蘭，張志廉.油庫(kù)設(shè)計(jì)與管理［M］.東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2006.