南海FPSO台风工况热负荷分析及优化

杜 佳

（中海油研究总院 北京 100028）

杜佳.南海FPSO台风工况热负荷分析及优化［J］.中国海上油气，2015，27（6）：111-115.

热站是FPSO必不可少的关键设备之一，根据不同服务海域环境条件，其规模及负荷组成特点不同。FPSO上热站负荷分为上部设施的工艺处理流程热负荷和船体本身各舱室的加热维温负荷两部分，其中上部设施的工艺处理流程热负荷与流程处理中的物流特性、处理量等有关，而FPSO船体本身各舱室的加热维温负荷又可分为在正常生产工况下和与环境条件有关的冬夏季舱室维温负荷、洗舱时海水舱的加热工况负荷（海水洗舱）等。对于运行在南海海域的FPSO来说，其特殊之处在于热站规模分析时还要考虑因躲避台风停产撤离，在人员返回后恢复生产之前各舱室的重新加热工况负荷（简称台风工况热负荷）。表1列出了南海某油田开发项目中FPSO各工况下的热负荷情况。

表1 南海某油田FPSO热负荷组成Table 1 FPSO re-startup heat load analysis in an oilfield，South China Sea

南海海域已投入运行的FPSO热负荷显示，台风工况热负荷相比正常生产工况、洗舱工况热负荷都要大很多，以往南海海域多个项目中FPSO热站规模实际由台风工况热负荷的大小所确定。本文主要针对南海FPSO台风工况热负荷特点进行分析研究，目的在于合理降低热站系统设备配置规模，减少系统设备投资，同时缩小不同工况下热负荷的差值，使系统设备在不同工况下尽可能高效运行，从而节约热介质加热炉的燃料成本，实现降本增效。

1 台风工况热负荷分析

1.1 热负荷组成

夏季南海海域经常会遭到台风侵袭，台风级别达到一定程度时会对FPSO正常生产及人身安全造成不利影响，台风来临前FPSO将停止生产，船上所有人员撤离；台风过后生产人员返回FPSO，重新开始正常生产作业。由于人员撤离前FPSO上包括热介质加热系统在内的所有系统均停止运行，避台撤

1.2 主要因素分析

1.2.1 影响热负荷的主要因素

式（1）中，无论是将冷却的油品加热至一定温度所需热量Q1，还是加热过程中的散热损失Q3，都与台风撤离期间油品冷却过程的终了温度，即恢复生产时的加热初始温度t初密切相关。以南海某15万吨级FPSO的10个储油舱为例，假设原油需加热至60℃，加热时间为48 h，初始温度在析蜡点以上，则台风工况下该FPSO热负荷随初始温度的变化情况如图1所示。

由图1可知，该FPSO储油舱舱容及油品性质确定后，在一定的加热时间内，台风工况加热负荷只与加热前后舱室温度的变化有关，且温差越大，加热负荷也越大，即台风撤离期间舱室冷却的终了温度越低，返回后恢复生产所需的重新加热负荷将线性增加。虽然终了温度降低可降低油品加热过程中的平均温度，缩小平均温度与舱室周围介质的温度差，从而使加热过程中的散热损失随着加热初始温度的离期间FPSO船体各油舱、生产水舱等所有舱室不再有外部热源供热维温，各舱室均处于慢慢冷却状态，导致舱室温度下降；人员返回后为恢复正常生产作业，热介质系统首先启动运行，加热生产水舱、货油舱等使其达到一定温度，这时的加热总负荷Q总由以下几部分组成：

1）将油品从撤离期间冷却下来的温度加热到正常生产工况的维温温度所需热量Q1；

2）如果撤离时间较长，导致油品温度降到析蜡点或凝点以下，已有部分原油凝固，溶解这部分原油所需热量Q2；

3）避台返回复产前的各舱室加热时间往往为48 h或更长［1］，在此加热过程中散失到周围介质中的热量Q3。

因此，加热总负荷Q总可表示为降低而减少，但散热损失减少的幅度远低于由于初温降低使加热负荷增加的幅度，因此，台风工况FPSO加热总负荷受加热初始温度的影响较大。

庄子将死，弟子欲厚葬之。庄子曰：“吾以天地为棺椁，以日月为连璧，星辰为珠玑，万物为赍送。吾丧具岂不备邪？何以加此？”弟子曰：“吾恐鸟鸢之食夫子也！”庄子曰：“在上为鸟鸢食，在下为蝼蚁食，夺彼与此，何其偏也！”(《庄子·列御寇》)

图1 台风工况下南海某15万吨级FPSO热负荷随初始温度的变化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 影响初始温度的主要因素

1）船体结构。船体储油舱等舱室侧面、底面被海水包围，舱室顶部为上甲板。由于舱室温度高于海水、空气等周围介质温度，在台风撤离期间舱室内热量通过舱壁散发。经舱壁散失到周围介质中的热量除与舱壁散热面积、周围介质温差有关外，还与储油舱各舱壁的传热系数成正比，而储油舱各舱壁的传热系数大小取决于船体的结构型式、材料等［1］。

出于保护海洋环境安全和防止油污染的需要，双舷侧结构已成为FPSO的强制标准设计模式［2］，但是否采用双层底结构，规范中并没有强制规定。对于服务于南海海域的FPSO，由于水深可达90～100 m，甚至更深，虽然对采用双层底结构并不是必须的要求，但随着技术的不断进步，FPSO设计寿命较长，在设计之初就应考虑到除在南海海域外，还会有在其他海域服务的可能，而在美国墨西哥湾为保护海洋环境，防止海洋污染，双层船体已是强制性要求［3］，所以采用双舷双底结构的FPSO对于舱室保温更为有利。以避台撤离时间3d为例，南海某15万吨级FPSO采用双层底结构与单层底结构相比，10个储油舱平均温度提高约0.7℃，台风工况加热总负荷约降低1 000 k W。

2）避台撤离时间。人员避台撤离时FPSO热介质系统停止供热，舱室处于逐渐冷却状态，随着撤离时间的延长，舱室温度从原维温温度降低到避台返回后恢复生产时的初始加热温度，此时单位时间内损失的热量Q损为

式（2）中：τ为避台撤离时间，s。

舱室损失的热量通过舱壁散失于周围介质中。通过舱壁散失的热量Q散为

假设在舱室冷却过程中油温处处均匀一致，且油品中无蜡析出，这时舱室损失的热量与从舱壁散失的热量相等，则由式（2）及式（3）可变换为为定值，因此避台撤离时间τ的延长会导致舱室冷却的最终温度与撤离初期的舱室维温温度的差值越来越大。

3）舱容大小。在式（4）中，当储油舱液位越高即舱容越大时，油舱装油量G也越大，虽然相应的散热面积F总也会有所增加，但F总与G的比值仍会变小，避台撤离期间舱室温度的变化也仍会减少。也就是说，舱容的增加会使台风工况初始加热温度升高。以南海某15万吨级FPSO为例，10个储油舱在60%、95%舱容条件初始加热温度的变化见图2。

图2 南海某15万吨FPSO不同舱容对初始温度的影响Fig.2 The influence of 150 000-ton FPSO tank capacity on initial temperature，South China Sea

对于特定的项目条件

由式（1）可以看出，将舱室温度加热到维温温度的加热负荷与舱容成正比，舱容增加使加热负荷相应增加的幅度远远大于初始加热温度升高使加热负荷减少的幅度。同时，舱容增加意味着舱壁散热面积的增加，也会使加热期间的散热损失Q3增大。图3为舱容变化对南海某15万吨级FPSO台风工况总加热负荷的影响。

图3 南海某15万吨FPSO不同舱容对台风工况总加热负荷的影响Fig.3 The Influence of 150 000-ton FPSO tank capacity on re-startup heat load after typhoon retreat，South China Sea

2 台风工况热负荷优化

上述分析表明，FPSO避台返回后恢复生产时的舱室初始温度是影响台风工况加热负荷大小的关键因素，但初始温度的确定又与海域的环境条件如海水、空气温度、台风迁移速度等客观因素以及船体结构、油品性质等具体项目条件密切相关，因此台风工况热负荷优化至关重要。

2.1 优化内容

1）选取适宜的环境条件参数。台风期间FPSO所在海域的海水、空气温度越低，意味着舱室与外界介质的温差大，舱室散热量将增大，恢复生产时的初始加热温度也就越低，即台风工况热负荷增加。同样地，避台撤离时间也受当地海域的台风迁移特点、迁移速度等环境条件影响，撤离时间选择越长，台风工况热负荷就会越大。因此，在台风工况热负荷设计时应尽可能准确掌握相关基础资料，合理选取环境参数。

2）选取适当的传热系数。南海海域环境温度相对较高，舱室散热速度较慢，特别是对于双层双底的双体FPSO，在台风工况热负荷设计时传热系数在可取范围内宜选择较小值。

3）确定适当的加热终了温度。油田生产物流经FPSO上部工艺处理设施处理成合格原油后储存在船体储油舱内等待穿梭油轮外运，除要满足雷德蒸汽压力低于大气压力的条件外［4］，还要使油品保持一定的流动性。由于穿梭油轮自身配有加热系统，一般FPSO储油舱的维温温度取油品析蜡点以上5～10℃［5］。

FPSO避台返回后恢复正常生产初期，舱室温度变化的实际工况是新生产的原油入舱温度较高，热介质加热系统也已开始正常运行，舱室温度处于逐步升高的过程。在这种情况下，在台风工况热负荷设计时，如果舱室温度已降到析蜡点以下，可以考虑只要加热负荷能够满足溶解部分已凝固的原油的热量需求即可，即适当降低油舱加热终了温度，不必在恢复生产前就使舱室加热到正常维温温度，这样台风工况热负荷就可以大大降低。

2.2 降低热负荷的有效措施

1）撤离前适当提高舱室温度。为提高避台返回后舱室的初始温度，可在避台撤离前适当提高舱室的维温温度。如南海某FPSO项目中储油舱的正常维温温度为60℃，但舱室加热器及潜没式原油外泵等舱内设备设施的高温关断温度设计值为75℃，正常生产工况下热介质加热炉总会有1台作为备用。因此，在满足设计条件及外输作业操作规程的前提下，避台撤离前加热相关舱室，将舱室温度保证在正常维温温度或以上，以提高避台返回后的舱室温度，这种方法在现场操作上完全可以实现。

2）有区别地满足不同舱室的加热需求。FPSO避台返回后恢复生产前的热介质系统用户主要包括生产水舱、污油舱、燃油舱及储油舱等，这些舱室的加热也有优先顺序。例如，如果生产水是用作恢复生产前的海管加热，可优先对生产水舱进行加热，确保其热负荷需求，为预热海底管线做准备，以保证尽快恢复生产；如果主电站机组是以原油为主要燃料，则燃油舱也要优先加热，以使原油燃料尽快替换柴油，节约燃料操作成本；而其他负荷如储油舱等的加热，可根据油舱实际温度等具体情况而定。如果因气候条件恶劣而使避台撤离时间延长，造成加热负荷较大时，则可采用这种方法，优先保证重要用户用热需求，而对储油舱等的加热终了温度要求再适当降低。

3）减小油舱储油量。虽然避台返回后的舱室温度将随着舱容的减少而降低，但舱容的减少却会大大降低舱室的加热负荷需求。现场实际操作经验是，台风来临前只要时间允许，FPSO储存的原油尽可能外运，减少台风期间FPSO原油装载量。这样做的目的虽然主要是出于安全性考虑，但间接的益处是也降低了台风工况热负荷。

3 案例分析

以南海某15万吨级FPSO项目为例，台风工况主要加热用户为储油舱、生产水舱、污油水舱及燃油舱，采用双层底结构，其基本设计参数见表2。按照上述思路，对该FPSO避台撤离时间及储油舱加热终了温度进行了优化，优化前后设计参数及热负荷计算结果对比见表3。

表2 南海某15万吨FPSO热介质用户基本设计参数Table 2 Basic design parameter of 150 000-ton FPSO，South China Sea

表3 南海某15万吨级FPSO优化前后设计参数及热负荷计算结果对比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避台撤离时间通常按5 d（120 h）考虑，经与作业区相关人员了解，现场避台、返回到恢复生产一般在3d左右，因此将避台撤离时间优化为3 d（72 h），这样返回时舱室温度提高了近3℃。原设计计算热负荷时各舱室加热终了温度为日常的维温温度，而优化后将储油舱终了加热温度设定在高于原油析蜡点以上4～5℃，其他舱室维持原设计值不变，这样优化前后台风工况热负荷降低了约1／3。另外，考虑到该项目主电站是以原油为主要燃料，优化时适当缩短了原油燃油舱的加热时间，这部分负热荷仅略有增加。

4 结束语

根据本文分析，通过优化FPSO台风工况热负荷来合理降低南海FPSO热站配置规模是完全可行的，但计算台风工况热负荷的关键设计参数如维温温度、初始加热温度、台风撤离时间等如何选取，还需要根据项目的具体情况如生产原油的油品性质、服务海域的环境条件等因素综合考虑。我们相信，FPSO处理能力和储存规模越大，通过减小台风工况热负荷来合理降低热站系统设备配置规模所带来的经济效益也将会越加显著。

致谢：中海石油（中国）有限公司深圳分公司徐国发、吴奇林、周杨柳、陈小刚等在该文撰写中提供了宝贵的现场操作经验，在此深表感谢！

［1］中国船舶工业总公司.船舶设计实用手册：轮机分册［M］.北京：中国交通科技出版社，1999.

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

［3］金晓剑.FPSO最佳实践与推荐做法［M］.东营：中国石油大学出版社，2012.

［4］国家安全生产监督管理总局.浮式生产储油装置（FPSO）安全规则［S］.2010.

［5］郭光臣，董文兰，张志廉.油库设计与管理［M］.东营：中国石油大学出版社，2006.