FPSO原油装载系统的分析与优化

陈国刚

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

FPSO原油装载系统的分析与优化

陈国刚

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

浮式生产储油装置（floating production storage and offloading），简称FPSO，用于将原油处理后储存于原油储存舱中，并定期外输至穿梭油轮。原油装载作为FPSO的重要功能之一，起止于上部处理模块和储存舱底部，为典型的大落差系统。文章结合现有项目案例，研究如何实现合理的原油装载方案，并通过研究管网水力学计算，详细分析该类大落差管道的特点，为完成类似系统的优化设计和实现提供参考。

FPSO；原油装载；大落差管道；水力计算

0 引言

FPSO作为重要的油气开发装备，其原油装载系统的安全运行对于整个海上油田开发活动具有非常重要的意义。然而，在设计这类大落差管道时，往往会考虑水击的影响，经常会忽略由重力引起的重力流问题，而想当然地认为管道中不存在不满流，都是满管流。因此很多相关设计的管道，在设计运行时候，大落差管道的垂直管段中不是噪声很大就是振动很厉害。经过管网水力学计算，可以通过能量梯度直观地发现问题。

1 工程概况

位于巴西某油田的 FPSO原油处理总量约为150 000桶/天，该装载系统则担任将处理好的稳定原油通过DN300管线分配到12个32 m深的储舱内的作用。已知每个舱室内的压力恒定为0.07 kg表压，以舱底末端为EL 0.0 m标高计算，主甲板管线的标高为EL 35.0 m。

首先通过管网水力计算软件模拟该系统原油储存的状况。

1.1 稳定原油的工艺参数

表1

1.2 示例储油舱的工况模拟

考虑到空舱时候垂直管道落差最大，为最苛刻工况，且每组储油舱的结构和管道走向布置都类似。本文以其中一组的两个空舱进行装载原油时为例，对应其平均需要完成装载的源流流量进行工况模拟，如图1所示。

1.3 工况计算和结果分析

经过核查计算结果发现，管道内原油的流速偏高，各节点均出现了不同程度的负压，最小压力均远小于原油的饱和蒸气压。由此可以判断，由于原油各质点的速度不同，前端部分由于重力加速度原因与末端流体的速度差值逐渐增大，直到发生液柱被拉断的状况，造成空腔处压力低于原油的饱和蒸汽压，最终管线中会出现液相夹带气相的情况，并导致管道原油紊乱而发生剧烈的横向振动。

当该原油装载系统长期处于负压状态，主甲板总管上的波纹管膨胀节等薄弱原件极可能被负压破坏，造成原油泄漏事故。同样危害的是，储油舱连续注满需要7天时间，如果管道长时间处于振动的状况，极易产生金属材料疲劳，造成管道断裂。所以必须对原油在大落差垂直管线的流动进行分析，并采取措施消除负压的产生。系统警告截图见图2。

2 优化及验证方案

通过分析，由于原油的各质点的速度差，出现了液柱分离的情况，可以通过在垂直管线设置孔板等节流装置，减慢流体的速度，保持整个管道内的流体能够连续流动，维持各个节点的压力都高于原油的饱和蒸气压；或者添加破坏真空装置来消除管道内部负压问题。

2.1 优化方案一

采用添加节流孔板的办法，通过不断地试验和优化，分别在EL 5 m、EL 12 m、EL 17 m、EL 24 m和EL 32 m处分别设置孔板，来实现多节节流，如图3所示。

2.2 验证优化方案一

通过对方案一的验证计算进行检查发现，管道各处最小压力均大于原油的饱和蒸气压，由此可知，管道内部的原油已处于稳定的流动状态。各节点计算压力如图4所示。

此时得到每个节流孔板对应的孔径和工作压降，如表2所示。

表2 泡沫系统设计流量

2.3 优化方案二

采用在管道表面增加透气孔，通过试验确定，分别在EL 31 m和EL 28 m处分别开设ø50 mm的透气孔，通过透气孔对真空进行消除，开孔方法如图5所示。

2.4 验证优化方案二

通过对方案二的验证计算进行检查发现，管道各处负压问题均得到有效改善。各节点计算压力如图6所示。

在方案二中，大落差垂直部分管内压力均为0.007 MPa与舱内一致；主甲板以上部分为微负压状态，其中最小为管廊部分的-0.017 MPa，高于稳定原油的饱和蒸气压，故仍然可以接受。

3 结论

本文以35 m大落差管道以及对应项目设计流量为例，详尽阐述了不采取任何措施、垂直管段设置节流孔板和设置透气孔的三种情况，直观说明了若不采取任何措施会对系统的安全造成危害。

虽然两种解决方案都能解决本案例中的问题，但还存在一些不同之处，详见表3。

表3 两种优化方案各自特征

由于实际项目对操作工况的灵活性要求，既可以将150 000桶/天的原油平均装载到12个储存舱内，又能实现注入到同一个舱内，所以最终应该采用设置透气孔的优化方法。

[1]API.Recommended Practice for Design and Installation of Offshore Production Platform Piping System： API RP 14 E[S].1991.

[2]ASME.Process Piping： ASME B31.3[S].2016.

[3]NORSOK.Process Design： NORSOK P-001[S].1999.

[4]NORSOK.Piping Design, Layout and Stress Analysis：NORSOK L-002[S].1997.

Analysis and Optimization of Crude Oil Loading System for FPSO

CHEN Guogang
(COSCO Shanghai Shipyard Co., Ltd., Shanghai 200231, China)

The floating production storage and offloading, FPSO in short, is for crude oil storing in the storage tank after the treatment and being sent out to shuttle oil carriers regularly.The loading of crude oil is one of the important functions of FPSO, which is typical large-drop system from the upper treating module to the storage tank bottom.Combining with the existing project case, the paper studies the realization of reasonable loading scheme for crude oil.Through the study of the calculation of the pipe network hydraulics,it analyzes in detail the features of the kind of large-drop pipe, which offers reference for the optimization design and accomplishment of similar systems.

FPSO; crude oil loading; large-drop pipe; hydraulic calculation

U674.38

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.012

陈国刚（1976—），男，工程师，研究方向：海洋工程轮机系统设计与研究。