半潜式平台压排载系统设计与调载应用

李 杰，徐亚玲，王君如，毕华奇，梁宪超

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300461）

0 引言

随着采油水域的不断加深，半潜式生产储油平台逐渐脱颖而出，其集生产、储油、卸油[1]为一体，是一种快速、有效、经济的开发海上油气资源不可替代的开发装置。压排载系统是半潜式生产储油平台的重要组成部分，其主要功能是调整整个平台的重心、纵倾、横倾和吃水[2]，以保持平台较好的稳定性和操作性，并且可以适应不同环境和工况条件。因此压载系统的集成技术与其他集成技术同样重要。

P W Penney 和R M Riiser[3]通过手机大量平台的设计资料，给出设计流程，将常见的半潜式平台分为浮体、立柱、撑杆和甲板四部分，建立了各部分尺寸与其重量的回归公式，可用于平台的初步设计。

张茴栋[4]针对大型起重船压载舱的特点，提出了数值分析法的数学模型和优化原则，运用数值分析法对其压载舱进行具体的优化设计。

岳吉祥等[5]在基于作业流程层次分解布局法，提出了布局理论、算法和布局流程。研究了以作业流程为基础，按材料输送系统输送模式划分子空间，子空间以模块为布局基本单位，对不同空间采用相应的优化算法，并对立柱和下浮体的存储区进行规划，然后根据重心对平台的布局进行调整，以提高稳定性，完成布局的详细设计。

本文介绍了某半潜式生产储油平台压排载系统的结构、功能和基本设计原理，以及调载方式的应用，并以大合拢工况为例，介绍该工况下的调载方案及操作流程，为后续海上拖航及回接工况调载方案的设计和应用提供参考。

1 压排载系统

本文介绍的半潜式生产储油平台分为上部模块和船体两大部分，船体承载着上部模块，船体总尺寸为L91.5 m×B91.5 m×H59 m，浮筒为L49.5 m×B21 m×H9 m，立柱为L21 m×B21 m×H59 m，生存工况吃水为35～40 m，生存工况立柱最小干舷为22 m，下甲板标高为60.5 m。压排载系统相关的设备及管路均位于船体。

1.1 压载舱设置

船体的舱室组成主要包括28 个压载舱、2 个淡水舱、2 个柴油舱、4 个凝析油舱、2 个污油舱、2 个MEG舱。其中28个压载舱主要用于装载海水，压载舱数量之多，可以大大减小每个舱室的自由液面，且每个舱室并未设置海底门，避免了压载舱与海水直接接触，大大提高了其安全性。

船体压载舱由16 个浮筒舱、8 个节点舱和4 个柱舱组成，每个旁通上分别有4 个浮筒舱，分别为E1～E4，N1～N4，S1～S4，W1～W4，8 个节点舱分为位于船体的4 个拐角处，分别为NW1、NW9、NE1、NE9、SW1、SW9、SE1、SE9，4 个柱舱分别位于船体的4 个立柱中，分别为NW3、NE3、SW3、SE3。由于各舱室的位置不同，舱室的高度、容积等参数也略有不同的，各舱室的参数如表1 所示。船体的调载即通过调节压载舱的水位进而调节船体的吃水并保持整个平台的稳定。

表1 船体压载舱参数

1.2 压排载管路设置

该半潜式平台的压排载系统为双压排载环网，即一路是压载管路，一路为排载管路，且每路管线既可作为压载管路又可作为排载管路，28 个压载舱用于装载海水，压载管路连接上部模块海水系统，海水经压载管路灌入压载舱内。为满足不同的施工条件，当平台需要进行调载时，压载舱中的海水将通过排载管路排出船体，或通过倒舱的方式将船体调平[4]，船体的调载作业主要由排载系统完成。压载舱室布置及压排载管路如图1所示。

图1 压载舱室布置和压排载管路

2 压排载系统调载方法

2.1 调载方式确定

根据《船舶压载水管理计划编制指南》中的压载水及安全评估[6]等相关规定，在进行压排载系统调载前，需结合具体的施工工况编制对应的调载方案。目前，常用的排载方式有排载水泵排载方式、压缩空气排载方式和重力自流排载方式[7-8]。3 种排载方式的优缺点见表2。如表所示，3 种排载方式具有各自的优缺点，由于该半潜式平台压载舱较多，且为保证半潜式平台的稳性，该半潜平台采用挑拨性能较好、技术比较成熟的排载水泵的方式进行排载。

表2 船舶常用排载方式性能对比表

2.2 压排载动力系统

压载水来自上部模块海水系统，在东北立柱悬外安装有海水提升泵，海水提升泵的海水提升流量为1 100 m3/h立柱，海水经海水提升泵到达上部模块海水系统，经反冲洗滤器系统进行相应处理后经压载管线进入船体的压载舱，此过程为下潜过程。

上浮过程即排载过程，排载工作由4 台排载水泵完成，4台排载泵分别位于船体4个立柱的最底层，其最大排量为700 m3/h/立柱，最大操作压力为800 kPa。4 台排载水泵采用液压驱动的方式进行驱动，船体每个立柱B层的公用设备间均设有液压驱动站，每个液压驱动站包括4个主马达和3个辅助马达，为排载水泵提供动力，液压动力操作站位于船体的C 层应急开关间，通过操作HPU 控制盘或压载控制系统（BCS）操作站驱动排载水泵。对于该半潜式平台，最重要的就是要始终保持平台处于平稳状态，因此需要始终保持排载水泵的排水能力处于合理范围[8]。

排载水泵的理论扬程：

式中：r为叶轮半径；ω为叶轮旋转角速度；Q为泵的体积流量；b为叶片宽度；β为叶片装置角。

排载水泵的管路损失：

式中：λ为管道沿程阻力系数；d为管内径；l为管长；∑ξ为管路上各局部阻力系数的总和。

排载水泵的扬程为：

式中：Δz为静扬程；Δp为出入口压力差。

排载水泵的机械效率：

式中：N为轴功率。

该半潜式平台的排载水泵的性能参数如图2所示。

图2 排载水泵的性能参数

2.3 排水量计算法

图3 所示为平台某一压载舱φ角度后横剖面处的入水和出水楔形。

图3 某压载舱入水和出水楔形

首先讨论入水楔形，把入水楔形L0OLΦ分成无穷多的小楔形[9]。在φ处取一夹角为dφ的小三角形，设底边的距离为a，则小三角形面积为：

在平台方向取dx一段，则小三角形的体积为dAdx，沿整个平台L积分便得到楔形的体积：

于是在横倾角φ范围内的入水楔形的体积为：

同理，可求得出水楔形体积：

因此，入水与出水楔形的体积差为：

3 大合拢工况调载方案

3.1 前置条件

为保证船体进坞后与上部模块保持相对合理的距离，船体靠泊码头后需加注压载水7 637.9 t，达到基本正浮吃水7.2 m。根据排水量计算法，通过装载计算机计算出各压载舱需加注的水量和各舱室液位高度如表3所示。

表3 舱室加注水量和液位高度

压载时，开启对应管线和压载舱的遥控蝶阀，启动海水提升泵，将海水从海里抽吸至压载舱，观察液位测深系统，当压载舱液位达到指定位置时，海水提升泵停用，关闭管线上的遥控蝶阀，压载操作完成。具体的压载操作如图4所示。

图4 压载操作流程

3.2 船体与上部模块合拢

在大合拢过程中，上部模块释放压力到船体，合拢过程中船体需要向外排出压载水用以调节4 个立柱受到的内应力，直至上部模块与船体合拢到位，上部模块总重为15 000 t，上部模块向船体转移重量的同时进行排载作业。当吊机卸载上部模块重量3 500 t 时，开始准备排水。各压载舱需排出的水量和各舱室液位高度如表4所示。

表4 舱室排水量和液位高度

排载时，检查相关的遥控蝶阀，避免误操作造成船体倾斜，启动排载水泵，通过排载泵抽吸相应压载舱内的海水，通过液位测深系统观察相应压载舱液位直到降至目标高度，停用排载泵并关闭相应的遥控蝶阀，排载操作完成。具体的排载操作如图5所示。

图5 排载操作流程

4 结束语

压排载系统是半潜式生产平台非常关键的系统，对于维持整个平台的稳定起着不可替代的作用，对于平台上其他设备的安装和操作有着直接的影响[10]。半潜式生产平台的压载与排载需要压排载动力系统、压排载管路系统、压载控制系统、液位测深系统以及操作人员等相互配合完成。本文对舱室及管路设计原理进行了详细介绍，并对调载方式及稳态计算方法进行详细分析，在该半潜式平台的实际建造和调试的过程中，可以验证以排载水泵为动力源的压排载技术方案是成功的，本文的设计方案完全满足半潜式平台的各种作业需求。