海上漂浮输油系统流动保障分析

王彦瑞

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)



海上漂浮输油系统流动保障分析

王彦瑞

(海洋石油工程股份有限公司， 天津 300451)

摘要：储油设施安装在海上，通过穿梭油轮将原油直接运给用户是常见的海上油田的储存和运输方式，液相管线在运行过程中，由于操作失误或控制系统失灵，导致管道输量突变或阀门急速关闭，稳定状态受到破坏，压力发生瞬变，在管路内出现“水锤”现象。水锤引起的水击压力，比正常的工作压力要高出很多，所以应对管路内可能出现水击压力的管段进行承受水击压力的核算。该文首先对最小时间步长进行了研究，阐述了最小时间步长研究的必要性，提出海上漂浮输油系统流动保障分析最小时间步长敏感性分析这一概念。进行了管输量对输油系统安全的重要性研究，同时对其它参数的设定也做了大量的研究，发现管道的弹性模量、管道的壁厚、软管入口阀门关闭时间/压力及外输泵关闭时间/压力等亦有较大影响。

关键词：海上输油系统； 流动保障； OLGA模型

0引言

海上油田所产原油的储存一般有两种方式：(1)海上储油：储油设施安装在海上，通过穿梭油轮将原油直接运给用户；(2)岸上储油：原油通过海底管道从海上输送到岸上的储油库，然后再利用其他运输方式运给用户。浮式生产储油轮和单点系泊装置相连接形成海上输油终端，是一种具备多种功能的浮式采油生产系统，适用于远离陆地或不便于登陆的海上油田的开发。该海上漂浮输油系统是由外输泵、计量撬、漂浮输油软管和穿梭油轮接收端组成，海上漂浮输油系统如图1所示。

图1　海上漂浮输油系统流程示意图

1基础数据

(1) 原油基础物性

15℃时的密度：932 kg/m3；50℃时的运动粘度：87.66 cSt；100℃时的运动粘度：14.41 cSt。

(2) 原油馏分数据

原油馏分数据见表1。

表1　原油馏分数据

(3) 软管参数

漂浮软管各参数如图2所示。

图2　软管数据

漂浮软管的最大操作压力30 barg，破裂压力75 barg。

(4) 其它参数

由于一些数据没有明确，所以参考相关资料，做出如下假设：

1) 16″软管的绝对粗糙度是1.5 mm ；

2) 软管的弹性模量是2.76×109Pa；

3) 总传热系数5 W/(m2·℃)；

4) 卸油软管出口压力130 kPa。

硬管和软管的尺寸、壁厚见表2。

表2　硬管和软管的尺寸、壁厚

2算例及结果分析

液相管线在运行过程中，由于操作失误或控制系统失灵，导致管道输量突变或阀门急速关闭，稳定状态受到破坏，压力发生瞬变，在管路内出现“水锤”现象。由于水锤引起的水击压力，比正常的工作压力要高出很多，所以对管路内可能出现水击压力的管段，应进行承受水击压力的核算。

有时为了简便水击计算公式，没有考虑时间概念，是静态的，描述的是出口阀门瞬间关闭，然而，实际操作过程中阀门的关闭需要一定的时间，其计算的结果过于保守，水击压力最大值也比动态计算的结果大。结果偏大会导致海管的设计压力增高、壁厚增大、投资增大，在海洋工程中海管的投资占整个投资的较大部分。动态水击计算，可以为设置水击保护设备和海管出口阀门的选型做指导，设计压力的降低，减小了壁厚，从而节约投资和运行费用。

(1) OLGA计算公式与理论计算公式

管路内压力波的传递速度a，可由Jaeger公式求得：

(1)

式中：γ0为管内油流的容重，kg/m3；g 为重力加速度；β为管内油流的体积弹性系数，β=0.95×108kg/m2；Di为管子内径，m；e为系数，e=1-μ2，其中μ为管材的泊松比；E为管线的弹性模量，Pa；t为管壁的厚度，m。

根据管线长度和管路内压力波的传递速度，可分为急速关闭和缓慢关闭两种情况，根据不同情况分别计算水击压力。

1) 急速关闭时的水击压力

当阀门关闭时间T小于压力波在管路内往返一次所需要的时间，即T<2 L/a的情况，称为急速关闭，其中L为计算管段长度。

在急速关闭时的水击压力一般按Joukowski公式计算：

(2)

式中：H为水柱，m；a为水击波速，m/s；ΔV为速度变化，m/s。

(3)

式中：ρ为密度，kg/m3。

2) 缓慢关闭时的水击压力

(4)

式中：V为流体速度，m/s；L为管长， m；t为时间，s。

3) OLGA的水击压力

采用OLGA开发海管水击动态分析技术计算水击压力，OLGA水击计算公式与理论计算公式的关系如图3所示。

图3　OLGA水击计算公式与理论公式的对比图

从图3中可以看出，非弹性管关闭时间很短时，OLGA的模拟结果与Joukowski的计算结果是相当的。需要注意的是，OLGA模拟出的最大水击压力较理论计算公式Joukowski的要大。这是因为，当阀门完全关闭后管道上游流体继续充装，在阀门关闭之前，不考虑由于上游流体继续充装而引起的压力增加。

(2) 建立OLGA模型

根据已知的基础数据建立OLGA动态数值模型，ESDCONTROLLER_1控制漂浮软管入口的关断阀关断，ESDCONTROLLER_2控制关断生产储油船上的外输泵，OLGA模型截图如图4所示。

图4　OLGA模型截图

(3) 模拟工况

1) 最小时间步长研究

由于阀门关断都是秒级的，所以OLGA中最小时间步长的设置尤为重要，该文对时间步长进行大量研究，摘取最小时间步长分别为0.1 s、0.01 s、0.001 s和0.000 1 s的结果如图5～图8所示，最小时间步长与最大水击压力对比见表3。

图5　最小时间步长为0.1 s时，关断阀处的水击压力图

图6　最小时间步长为0.01 s时，关断阀处的水击压力图

图7　最小时间步长为0.001 s时，关断阀处的水击压力图

图8　最小时间步长为0.000 1 s时，关断阀处的水击压力图

最小时间步长/s最大水击压力/bar0.1470.0157.90.00161.40.000161.4

从图5～图8中可以看出：最小时间步长0.1 s时，最大水击压力为47 bar，减小到0.000 1 s的时候，最大水击压力为61.4 bar，相差14.4 bar；最小步长为0.001 s，减小到0.000 1 s的时候，最大水击压力几乎相等，所以选择0.001 s作为最小时间步长，软件运行的速度快，而且能保证计算精度。

2) 输量研究

在进行该海上漂浮输油系统动态分析的过程中，考虑到输油效率、穿梭油轮周期、生产储油船上外输泵及单套计量设备的能力，确定输量分别为3 800 m3/h、4 500 m3/h 和6 000 m3/h，同时考虑穿梭油轮上的关断阀关断时间分别为2 s和16 s，不同工况下穿梭油轮判断阀关断确定的方案见表4。

表4　不同工况下穿梭油轮关断阀关断确定方案

不同工况下沿管线关键点水击压力图如图9～图14所示,动态模拟的结果见表5。

表5　动态模拟结果

对其它参数的设定也做了大量的研究，发现管道的弹性模量、管道的壁厚、软管入口阀门关闭时间/压力及外输泵关闭时间/压力等亦有较大影响。

图9　Case A-1a 沿管线关键点水击压力图

图10　Case A-1b沿管线关键点水击压力图

图11　Case A-1c沿管线关键点水击压力图

图12　Case A-2a沿管线关键点水击压力图

图13　Case A-2b沿管线关键点水击压力图

图14　Case A-2c沿管线关键点水击压力图

3结论

虽然OLGA软件并没有直接采用急速关闭时和缓慢关闭时的水击压力计算公式，但并不妨碍用急速关闭和缓慢关闭理论来解释OLGA软件的计算结果，随着时间由0到足够大的时间之内，必然有一个由非弹性关闭到弹性关闭的转变点，即急速关闭和缓慢关闭的转变点。由此，可以得到以下结论：

(1) 随着整个系统的增压波和减压波的相互作用，无论阀门是急速关闭还是缓慢关闭，最大的水击压力均出现在关断阀门处。

(2) 无论是急速关闭还是缓慢关闭，前4个参考点的最大水击压力并没有严格的规律，这是因为每个参考点的管径、管壁厚、位差或管道的弹性模量都是不相同的，所以这些参考点的压力不尽相同，没有规律可循。第5个参考点，即管线出口阀门处，水击压力随着流量的增加而增加。

(3) 当急速关闭、外输量超过4 500 m3/h以上时，阀门处的压力已经接近或超过软管的破裂压力75 bar，故不推荐外输量超过3 800 m3/h，且应在软管入口处设置保护装置；缓慢关闭时，流量从3 800 m3/h增大到6 000 m3/h，水击压力并未超过软管的破裂压力，但6 000 m3/h输量时的水击压力已经超过最大的操作压力30 bar，故缓慢关闭时也不推荐流量超过4 500 m3/h。

(4) 急速关闭的最大水击压力较缓慢关闭的最大水击压力大的多，约2倍～4倍，所以建议在输油作业结束的时候，尽量延长软管出口阀门的关闭时间。

(5) 当急速关闭时，压力有规律的波动随即出现，水击压力高位运行；而当缓慢关闭时，起初压力迅速升高，然后降低，有规律地波动出现，水击压力在低位运行。主要原因是急速关闭时，压力波返回到出口阀门处，此时阀门已完全关闭，压力波随即展开衰减波动；缓慢关闭时，压力波返回到出口阀门处，这时阀门并没有完全关闭，已经升高的压力通过阀门传递到下游，压力减小，阀门完全关闭后压力波才展开衰减波动。

Dynamic Security Analysis of Offloading System on Offshore Oil Field

WANG Yan-rui

(Offshore Oil Engineering Co.， Ltd， Tianjin 300452， China)

Abstract：The means of oil storage facilities and shuttle tankers is frequently used on offshore oil field. The oil offloading system on FPSO consists of cargo oil pump, offloading piping, metering skid and offloading hose, the objective of this document is to carry out process study to find out the surge pressure of offloading system. In order to make sure that the time step is small enough, we analyze the minimum time step for the first time and the flowrate study is to carry out and others factors is considered in the study, for example the Young’s modulus of hose, the thickness of the pipe, the shutdown time of valve, the shutdown time of cargo oil pump and so on. But due to limited space, the study result of the factors is not including in the report.

Keywords：offloading system; dynamic security; OLGA model

中图分类号:TE56

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2016)02-0039-10

作者简介：王彦瑞(1981-)，男，工程师。

收稿日期：2015-01-04