动力定位穿梭油轮在海上边际油田外输中的应用研究

江 城，安振武

(1. 中海油能源发展股份有限公司天津分公司 天津300452；2. 中海油能源发展装备技术有限公司 天津300452)

0 引 言

小型边际油田由于受到开发成本的限制，对开发设施的造价提出很多限制。虽然单点系泊方式技术上可行，且有成熟应用，但其高造价不能满足边际油田的开发，二点系泊方式从技术上和造价两方面来说是一种较好的选择，但存在油轮受到较大横向力的缺点，其他多点系泊的方式改善效果不明显，且造价高昂不可重复利用。

动力定位技术由于操作简单、安全、自动化程度高及经济性好等优势，很快在油轮系泊方案中得到广泛应用。自从1982年第一个动力定位油轮出现以后，30多年来动力定位技术大量应用于穿梭油轮上，并取得了良好的经济效益。

本文将动力定位穿梭油轮应用到边际油田开发的外输方案中，并进行了相应外输方案设计研究，以期为以后动力定位穿梭油轮在边际油田外输方案中的应用提供参考。

1 动力定位介绍

1.1 动力定位技术

船舶动力定位系统不借助传统的锚泊技术提供反力矩来克服因为风、浪、流等传统海洋环境引起的船体移动，而只是利用各种精密的位置测量传感器和GPS来测定船体位置和艏向的变化，以获得与目标位置的偏差。通过自动控制系统的相关处理器对信息进行整理并计算出使船舶达到设定位置时各个方向上所需要的力，并将这些推力合理分配到各个推进器上。

1.2 动力定位等级分类

DP定位等级的分类：①DP-1，发生单点故障后可能失位。船舶失位后可能导致轻微的污染和少许的经济损失，但不会给人员造成严重伤害。②DP-2，主动性的部件和系统发生单点故障后不能引起船舶失位。③DP-3，除了主动性的部件和系统，还包括任何在一个水密和防火物理分隔舱室内所有静态部件，发生故障后不能引起船舶失位。

2 动力定位穿梭油轮的应用

2.1 油田开发总体方案

本文以CFD2-1油田开发为应用背景，油田开发工程方案如下：油田开发采用全油田海上独立开发模式，以及电潜泵采油和注水开发方式，电潜泵的动力和控制均来自自安装生产储油平台。井口保护架上不设任何处理设施，工艺流程简单，所有井口物流通过管线进入自安装生产储油平台进行处理、储存，采用穿梭油轮定期进行原油外输。

2.2 外输方案设计

自安装生产储油平台最大储油量4,902,m3，外输能力500,m3/h×2，外输周期7,d(按最大日产656.5,m3原油计，考虑1%,的舱底死油以及5%,的惰气保护)。设计采用5,000吨级穿梭油轮用于平台原油外输。油轮的主要参数如下：型长，99.98,m；型宽，16.4,m；型深，7.1,m；干船重，2,172.55,t；满载排水量，7,172.55,t。

图1 油田开发总体布置图Fig.1 General layout of oil field development

穿梭油轮采用动力定位技术，定位靠泊在距离安装生产储油平台约100,m的位置。自安装生产储油平台上设置滚筒，外输软管缠绕在滚筒上，外输作业时将利用守护船将缠绕在滚筒上的软管拖至油轮上对接(见图1)。

2.3 动力定位穿梭油轮船型设计方案

2.3.1 动力等级选择

参考中国船级社关于DP船舶冗余度的规定、IMO在1994年发行DP船舶指导准则以及海洋石油的运营商及钻探商协会草拟的作业规则，穿梭油轮的动力定位级别建议为DP2，这也是各类海工支持船和海上平台近距离作业船舶的标准配置。

2.3.2 动力系统推进器设计

动力定位系统需要根据具体的水域环境配置，在进行动力定位时，本文设定的环境条件初步确定如下：风，7级，15,m/s；流，1,m/s；波浪，有义波高2.1,m；动力定位能力参见图2。

图2 给定的海况条件下，动力定位能力计算图Fig.2 Calculation chart of dynamic positioning capability under given sea conditions

满足给定海况下320 °可定位能力的推进器总功率约为3,800,kW，因此整个动力定位系统推进器总功率以3,800,kW左右较为适宜，推进器配置推荐方案：2套1,200,kW全回转舵桨(艉部主推进)+2套700,kW侧向推进器(艏部推进)。

2.3.3 动力定位能力

图3为在无任何设备失效时的定位能力图，图中蓝线为定位范围曲线图，红线为定位失效范围曲线图，从上图可以看出，在无设备失效时，风和水流从船艏0 °到左右约74 °的范围内来流以及从船艉0 °到左右约86 °的范围内来流均能定住船位，在这范围外则定不住船位。

图4为艉部推力器失效一台时的定位能力图，图中蓝线为定位范围曲线图，红线为定位失效范围曲线图，从图4可以看出，在艉舵桨失效一台时，风和水流从船艏0,°到左右约53,°的范围内来流以及从船艉0,°到左右约82,°的范围内来流均能定住船位，在这范围外则定不住船位。

图3 无设备失效的定位能力图Fig.3 Positioning capability chart without equipment failure

图4 艉部单一设备失效的定位能力图Fig.4 Positioning capability chart of single unit failure of stern

图5为艏部推力器失效一台时的定位能力图，图中蓝线为定位范围曲线图，红线为定位失效范围曲线图，从图5可以看出，在艏侧推失效一台时，风和水流从船艏0,°到左右约35,°的范围内来流以及从船艉0,°到左右约81,°的范围内来流均能定住船位，在这范围外则定不住船位。

图5 艏部单一设备失效的定位能力图Fig.5 Positioning capability chart of single unit failure of bow

2.3.4 安全距离验证

假定动力定位穿梭油轮在流速1,m/s、风速15,m/s、波高2.1,m、波浪周期5.4,s的海洋环境参数下，根据动力定位能力分析图，最严重的单点故障下安全距离示意图如图6所示。

图6 安全距离示意图Fig.6 Sketch chart of safety distance

最严重的单点故障下，穿梭油轮向远离平台方向旋转60,°，此时油管长度为140.5,m，满足采油平台输油管150,m的要求。

3 结 论

本文对动力定位技术及动力定位等级进行了详细介绍，并以CFD2-1油田开发为例，将动力定位穿梭油轮应用于油田外输方案中，并进行了深入的研究论证，得出结论如下：根据外输方案中穿梭油轮的功能及相关法规规定，穿梭油轮的动力定位级别建议为DP-2，动力定位系统推力器总功率建议为3,800,kW左右；通过动力定位能力分析和安全距离的论证，确定方案中采用的动力定位穿梭油轮能够满足油田开发外输方案要求。■

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