恩平油田FPSO船体总体设计研究

童 波，伦玉国

(1.中国船舶工业集团公司第七O八研究所，上海 200011;2.中国海洋石油有限公司深圳分公司，广东深圳 518067)

从1970年开始，在中东、非洲、东南亚一些海上油田开发中采用了FS和FSO，20世纪70年代中在欧洲开始出现FPSO。中海油采用FPSO开发近海油田始于20世纪80年代后期，1986年第一条由二手油船改装成的FPSO命名为南海希望号，用于我国北部湾油田开发，这是我国海上油气开发应用FPSO的开始。后续改装或新建的南海发现号、南海盛开号、南海开拓号、南海胜利号、南海奋进号、海洋石油111、115、116等陆续在南海投入使用，渤海友谊号、长青号、明珠号、世纪号、海洋石油112、113、117等在渤海投入使用［1］。

恩平24-2 FPSO是中海油新建项目，其作业于南海珠江口盆地恩平凹陷，可抵御500年一遇台风环境条件，采用内转塔单点系泊的浮式生产储油装置。该油田高峰年产油233万方，FPSO液处理能力13 000方/天，水处理能力7 200方/天，油处理能力9 000方/天。油田开发工程设施包括一座8腿钻采生产平台，一艘FPSO及内转塔单点系泊系统，以及海底管线和复合电缆。采用电潜泵人工举升，井液在平台上处理至30%含水后通过海底柔性软管输到FPSO进一步处理后储存外输，FPSO的电站除为自身供电外，还通过海底电缆为平台提供动力，见图1。

图1 油田开发方案示意Fig.1 Oil development plan diagram

1 全船概述

恩平FPSO设计水深90 m，设计寿命30年，定员100人，单甲板双层底双舷侧结构，设5对货油舱、1对污油舱、1对工艺水舱、一个燃料油(原油)舱和6对专用压载水舱，首尖舱后设置APL转塔系泊系统。货油泵和专用压载泵均采用浸没式深井泵，全船没有泵舱，货油舱与艉机舱间设隔离空舱，艏楼甲板设有火炬塔，挡浪板。工艺甲板高出主甲板中心4.5 m，由首至尾依次设置预留模块3个，工艺流程模块5个，热站、电站、电气设备间和堆场，生活楼和串靠外输装置位于船尾。主甲板设3台甲板克令吊，供工艺设备维修及备品备件起吊用。业主根据恩平油田日产量，穿梭油轮吨位、卸油周期和缓冲天数等因素确定FPSO载重量为15万吨，空船重量可结合类似船型数据，并考虑本船特殊性(例如500年一遇环境条件，双层底型式，上部模块预留重量等)初步确定，满足船体排水量、舱容、总布置和性能要求的主尺度参数如下:

水线间长254 m，型宽48.9 m，型深26.7 m，设计吃水17.8 m，货油舱容积176 000 m3，主电站双燃料柴油发电机7 600 kW×6台，应急发电机1 600 kW，外输能力5 400 m3/h。恩平FPSO总布置如图2所示。

FPSO主电站燃料采用原油和柴油，原油燃料舱位于船中，燃料油通过负压闪蒸方式，去除油中轻组分，提高闪点至60度以上，以满足主电站燃料油使用安全。FPSO惰气系统操作时有两种模式:烟气模式和系统自带1台燃用柴油的惰气发生器，烟气条件合格时，优先采用烟气模式，在锅炉总烟气量不足或含氧量超标时才使用柴油模式，实现节能减排。

该油田主风来自东北东，主流流向西北西，初步判定船体艏向后，风主要从左舷吹向右舷。生活区位于船尾，主电站和锅炉位于生活楼前方，为减小主机和锅炉排气对生活区的影响，本船充分考虑烟囱的布置和排放口的位置，排气管延伸至右舷舷外排放，右舷尾部起重机水平搁置。另外安装脱硫除尘装置，可以有效脱掉烟气的颗粒灰尘，降低烟气对周围环境的影响。同时考虑到供应船旁靠船体右舷，生活区的进风口设在左舷，出风口设在右舷。

本船左右舷相邻货油舱设连通阀和管路，实现货油泵的互为备用，深井泵内设置扫舱管系。深井泵液压动力单元位于尾部液压间内，能满足6台货油泵，1台专用压载泵，1台污油泵、1台工艺水泵和1台燃油泵同时满负荷运行。货油舱采用甲板加热器加热，工艺流程舱采用盘管加热。

恩平FPSO采用可解脱的浸没式转塔生产系统(STP)永久性单点系泊，按照500年一遇海况设计，STP和系泊系统的设计寿命也是30年。STP系统包括以下主要部分:海底锚、系泊缆、立管、STP浮筒、STP船上设备(液压站、消防设备和电气设备等)、滑环系统和STP模块［6］，可通过以下视图了解STP系统概貌。

图2 FPSO总布置示意Fig.2 FPSO general arrangement

图3 STP系统示意Fig.3 STP system diagram

2 总体设计特点

2.1 首次采用500年一遇环境条件，增强FPSO抗御恶劣海况能力

根据该油田环境资料，与100年一遇相比，采用500年一遇参数，设计静水弯矩不变并考虑相同的波浪弯矩设计裕度情况，总纵弯矩和规范剖面模数增加6.6%，造成中剖面构件尺寸增加。

船体运动响应极值增加，设计惯性力和波面升高等参数提高，导致局部强度要求提高，舱内构件尺寸较大，另外对工艺流程模块支墩、克令、火炬塔和转塔区等结构的加强提出更高的要求。由于船体运动响应极值和上部模块自重增加，导致模块甲板下主梁高度1.2 m内，管线布置空间紧张。

为解决环境条件提高引起的甲板上浪问题，抬高艏楼甲板高度，略增加艏部线型外飘，同时在艏楼甲板前缘设置挡浪板。工艺甲板高度的设置既考虑防止甲板上浪，又要保证船体稳性。

2.2 设计寿命30年，延长服务年限，减少进坞维修工作量

对于疲劳强度而言，在环境条件不变的情况下，设计寿命提高，导致疲劳热点处的热点应力需降低。为此，需提高构件尺寸剖面模数或改进节点型式减小应力集中。

对于腐蚀厚度，由于船级社规范要求的腐蚀裕度基本是基于20年的设计寿命制定的，如设计寿命增加至30年，需要业主提出在船级社腐蚀裕度之外额外要求的腐蚀厚度应用于腐蚀情况高发的船体结构;另一方面，也对船体防腐设计(包括涂料、外加电流和牺牲阳极等)提出更高要求。

2.3 南海FPSO采用双层底构造

该FPSO设计水深90 m，通常认为FPSO生产作业时长期系泊定位在此水深不会有触底风险，浅水拖航时舱内不再储存原油，规范也不要求破舱稳性考虑底部破损，原则上可以采用单底。业主要求双层底构造主要基于以下原因:

■双底的剖面惯性矩和剖面模数增加，对总强度有利;

■油舱内结构件少，易于洗舱、扫舱;

■便于油舱底部结构件的检查;

■保温效果好;

■更有利于环保，更好地防止油污染。

由于本船业主提出500年一遇环境条件，30年设计寿命和双层底等技术要求，使得钢材重量增加较大。

2.4 污油水舱和工艺水舱布置于船中

污油水舱及工艺水舱位于船中相对首(尾)位置，满载时最大中垂静水弯矩减少22%，设计总纵弯矩减少8%。基于剖面模数减小约8%，中剖面面积减小约5%，相当于纵向构件节约约615 t。另外在上部模块布置方面，可以减少不必要的管路长度。开排罐位于主甲板船中污油水舱附近，FPSO海上作业期间船体基本平浮，模块甲板开排系统通过重力自流到开排罐，再用开排泵输送至污油水舱;主甲板污油水通过气动隔膜泵直接输送至污油水舱。

2.5 货油系统采用浸没式深井泵

FPSO货油泵主要有深井泵和泵舱泵两个方案，其中泵舱泵方案的货油与压载泵均采用电动(或者液压驱动)的干式离心泵，由于货油泵舱属于危险区，所以通常是将驱动电机或蒸汽透平布置在机舱内。原动机通过传动轴及气密式填料函驱动泵舱内的货油泵或者专用压载泵。在采用泵舱布置货油泵的方案中，专用压载泵通常也采用泵舱布置的形式。该方案需要设置专门的货油泵舱，由于货油泵舱属于危险区，需要为货油泵舱配置专用的通风系统、泵舱可燃气体探测系统、泵舱灭火系统、照明及呼叫系统、泵舱舱底水系统等附属系统。

恩平FPSO的货油与压载泵均采用深井泵的形式，由液压系统的高压液压油驱动液压马达带动潜没在液舱内的货油泵或者是专用压载泵。与采用泵舱泵相比，采用液压驱动深井式货油泵方案的优点在于:

■取消泵舱，可以适当地缩短船长和增加舱容;

■取消泵舱，省去泵舱以及为泵舱服务的相关设备，如泵舱通风系统及风机、泵舱固定灭火系统、泵舱可燃气体探测系统、泵舱专属舱底水系统等;

■可采用甲板加热器，从而简化加热管线，使用较少的加热盘管;

■可以减小油舱中的死油比例，增加油舱的有效体积;

■良好的吸入性能;

■可以无级变速(可控制泵的流量);

■货油舱内有较少的管路和阀件(维修及洗舱均很方便)。

2.6 预留空间

考虑到恩平油田未来生产扩容需求，业主要求上部模块甲板具有预留空间，上部模块(包括电站、热站、电气间、计量撬和油气水处理单元)最大操作重量12 000 t，其中预留区面积1 700 m2，预留重量3 000 t。预留概念的提出对船体主尺度、重量分布、甲板布置和危险区域范围等提出新的要求。

2.7 双船级

恩平FPSO入BV和CCS双船级。FPSO适用的规范规则包括中国法律法规(如安监总局浮式储油装置安全规则)，IMO规范(如海上移动平台规范MODU、载重线公约LOAD LINES、完整稳性规则IS CODE等)，船级社规范，OCIMF、美国石油协会API、国际劳工组织ILO、国际电气协会IEC和美国消防协会NFPA标准等。理论上讲，FPSO是海洋工程，不属于船的范畴，所以一般的船规如SOLAS、MARPOL等对FPSO没有约束力，但FPSO设计往往直接借鉴船规内容［3］。BV在海洋平台规范NR445 Rules for the Classification of Offshore Units PART A～C的基础上独立编写了PART D作为FPSO规范。

CCS在FPSO规范方面尚未完善，有海上浮式装置入级和建造规范(2003)，国际航行海船法定检验技术规则(2008)，浮式储油装置安全规则可参考。其中部分设计要求还需商讨，例如:

结构设计中本船需按照500年一遇海况直接计算外载荷进行强度校核，CCS仅有2003年的海上浮式装置入级和建造规范可用或指向2008年CSR油船共同规范(基于北大西洋25年一遇的设计规范)，都已不能满足本船设计要求。

在稳性方面CCS参考安监总局FPSO安全规则审图，完整稳性衡准相对BV要求外(BV要求等同于油船衡准)，还要按照MODU中完整稳性衡准校核。在破舱稳性方面CCS和BV差别较大，本船为B型干舷船，BV破舱衡准类似油船MARPOL要求，不考虑底部破舱［5］。CCS则按照MODU要求校核破舱。

在布置方面，CCS依据FPSO安全规则提出中央控制室除设有通往居住区内部的开口外，还应设置直接通向开敞甲板的出口［7］，这主要基于逃生考虑。但为便于观察，中控室布置在生活楼内靠近生产模块端，且中控室通向开敞甲板的门应位于生活楼外侧距离生活楼面向货物区域的端壁至少5 m外，这样中控室开门位置所确定的房间长度将影响生活楼的整体规划。另外中控室具有直通开敞甲板的门后，为保证生活区通风正压50 Pa要求，势必增大中控室通风要求和保温要求。本船中央控制室除设有通往居住区内部的开口外，另外的出口通向走廊的缓冲间。

3 线型设计

恩平FPSO方型系数0.91，平行舯体占船长的60%，线型设计主要考虑在风浪中有较佳的耐波性，但一般来说首尾型线对此影响有限;在满足排水量需求的前提下，调整首尾线型可以有效降低满载时的中垂弯矩;线型设计时还要注意满载时的水下浮心位置和船体重心的配合，要求此时无压载水基本平浮略带尾倾;另外艏部型线外飘程度的设计要兼顾艏部砰击和甲板上浪问题。

需要特别指出的是，由于FPSO单点系泊，船首经常顶风对流，线型设计应能有效减小海流冲击载荷，本文使用FLUENT软件，在浮心位置，方型系数等满足一定约束条件，满足货油舱区双壳要求的前提下，进行型线优化。

目标船方形系数Cb＞0.9，来流速度特别低，属极低速肥大型船。对此类船型的优化，通常考虑将首部变得丰满，浮心前移。通过多次尝试艏部、艉部不同线型调整方案，得到的优化线型如图4、图5所示。

优化方案相对母型方案尾部轮廓线倾角减小，并使尾轮廓与底平面的交点前移，更加平缓的与底平面相连。同时优化方案相对母型方案尾部的横剖面线与中纵剖面相交处更加平缓，优化后阻力降低约3.7%。

图4 线型优化前后尾部侧视图Fig.4 Stern profile view for lines optimization

图5 线型优化前后尾部横剖面图Fig.5 Stern section view for lines optimization

优化方案尾部倾角减小使得从平底到艉封板间的抬升过渡更加平缓，相对地增加了去流段的长度，减小了尾部的负压区域面积，同时增加了正压区域的面积，有利于船体阻力减少，见图6～图7。

图7 尾部压力分布，优化方案(St.4～St.0)Fig.7 Stern pressure distribution for present model(St.4～St.0)

这一情况更为明显的是St.2～St.0区域。高负压区已经消失，取代之的是绝对值相对较低的低负压区面积的增大，同时正压区域的面积也较母型的有所增大，如图8～图9所示。这样最终使得尾部的压力合力向正方向有所增加，向负方向有所减少，从而降低了尾部的黏差阻力。

图8 尾部压力分布，母型方案(St.2～St.0)Fig.8 Stern pressure distribution for master model(St.2～St.0)

图9 尾部压力分布，优化方案(St.2～St.0)Fig.9 Stern pressure distribution for present model(St.2～St.0)

4 水动力性能

4.1 迎浪角分析

本船基于迎浪角分析进行运动响应数值预报，并通过模型试验验证。由于FPSO单点系泊所具有的风标效应，需要通过迎浪角分析确定在风、浪、流作用下，船体与波浪的相对夹角，得到有义波高/相对浪向的包络线，进而用于运动响应预报。本文波浪载荷使用BV HydroStar软件计算，流载荷和风载荷取自MARINTEK水池试验，迎浪角计算中根据APL设计的单点系泊系统通过BV ARIANE软件完成。

对于台风频发的南海海域，台风通过时风、浪、流的方向和强度都会迅速变化，规范建议用以下方法考虑环境载荷［4］:

■波浪主导:风、浪相对夹角-45°到+45°，浪、流相对夹角-30°到 +30°;

■流主导:风、浪相对夹角-45°到+45°，浪、流相对夹角-60°到 -120°。

环境载荷强度如表1所示，折减因子qV的选取可参照BV规范NI493。

表1 不同海况的环境载荷强度Tab.1 Environment load for different sea states

由此船体在单点系泊系统下，按照上述环境载荷计算得到的有义波高/相对浪向的结果如表2所示。

表2 迎浪角分析结果Tab.2 Heading analysis results

4.2 运动响应预报

本船使用BV HydroStar软件计算运动响应，以满载和压载工况为例，考虑自由液面效应对重心高度的影响，将运动响应传递函数RAO、固有周期与MARINTEK水池提供值进行比较，数值计算中使用ITH公式计算横摇黏性阻尼，舭龙骨长度占水线间长74%，横摇阻尼与船体运动、波高相关，使用数值迭代计算RAO，波幅决定阻尼水平。

运动固有周期及RAO对比如表3所示，括号内为水池试验值，可见横摇固有周期略有差别，RAO相似度高。

表3 固有周期对比表Tab.3 Comparison of natural periods

图10 满载横摇RAO比较-90°浪向Fig.10 RAO for roll in full load-90°

图11 满载纵摇RAO比较-60°浪向Fig.11 RAO for pitch in full load-60°

图12 满载垂荡RAO比较-90°浪向Fig.12 RAO for heave in full load-90°

图14 压载纵摇RAO比较-60°浪向Fig.14 RAO for pitch in ballast load-60°

图15 压载垂荡RAO比较-90°浪向Fig.15 RAO for heave in ballast load-90°

本船在满载/压载工况，不同海况，计及/未计及自由液面效应情况下，运动短期预报极值如表4所示。MARINTEK水池试验中横摇极值6.4°，纵摇极值8°［2］。分析认为横摇差异较大的原因主要是:数值计算中迎浪角按照BV规范进行大量计算得到台风和季风条件下的相对浪向/波高关系，出于实际工程考虑略有裕度，而试验中不同强度的风、浪、流初始方向的组合数量有限，可作为数值计算验证，不能获得单点系泊下斜浪或横浪对应的最大波高。

4.3 甲板上浪

FPSO长期系泊于作业海域，在恶劣海况下由于风标效应，波浪常正对船头方向，因此甲板上浪现象尤为明显。本船艏楼甲板干舷满载17.45 m，压载24.25 m，试验中两种工况均有甲板上浪发生，压载工况相对波面升高较大，但上浪次数明显减少，上浪高度与首摇角度密切相关，根据试验结果高出艏楼甲板4 m以上的浪已较为少见［2］。百年一遇的相对波面升高未必小于500年一遇，因为较小的波浪与船体的方向角较大，可能会引起较大的船体垂荡运动。图16为试验中满载工况上浪情况。根据试验情况为减小上浪，艏楼甲板抬高750 mm，艏部线型略外飘，挡浪板加高至距艏楼甲板中心线3.5 m。

表4 重心处运动响应极值Tab.4 Motion result of C.O.G.

图16 甲板上浪试验情况Fig.16 Model test for green water

5 结语

以中海油新建FPSO为研究对象，介绍恩平油田的开发模式，FPSO的主尺度、总体布置以及动力系统、货油泵和STP设备要点，对比了BV和CCS关于FPSO的部分规范差异。说明了本船为满足作业海况、设计寿命、双层底构造、预留空间等要求所具有的设计特点，以及为此带来的钢料增加。本船在原有15万载重吨FPSO的基础上进行线型优化，首次基于迎浪角分析进行运动性能计算，说明数值计算和模型试验结果的匹配情况，描述模型试验中观察的甲板上浪情况及改进措施，本文是恩平FPSO总体设计的概要总结。

［1］ 金晓剑.FPSO最佳实践与推荐做法［M］.青岛:中国石油大学出版社，2012.(JIN Xiao-jian.Best practise and recommended method for FPSO［M］.Qingdao:China University of Petroleum，2012.(in Chinese))

［2］ ENPING FPSO Model Test Main Report［R］.MARINTEK.

［3］ 金强.秦皇岛32-6油田浮式生产储油船(FPSO)总体设计［J］.船舶，2003(2):32-39.(JIN Qiang.General design for FPSO in QHD 32-6 oil field［J］.Ship，2003(2):32-39.(in Chinese))

［4］ BV NI493，Classification of Mooring Systems for Permanent Offshore Units［S］.2004.

［5］ BV NR 445，Rules for the Classification of Offshore Units［S］.2010.

［6］ Submerged Turret Production(STP)Technical Description［S］.NOV.

［7］ FPSO安全规则［S］.中国安监总局，2010.(Safety codes for FPSO［S］.State Administration of Work Safety，2010.(in Chinese))