FPSO系泊与定位方法

近海石油工程与装备
学生姓名：***
学号：S********
专业班级：机械工程研09-1
任课教师：***
2010年6月30日
FPSO系泊与定位方法
机械工程研09-1 黄庆 S0*******
1 FPSO的发展
石油天然气资源是一个国家国民经济发展和国家安全的重要战略保障，是工业体系中不可再生的能源基础，是国民生活的重要物资。

随着陆上油气资源的不断减少和能源储备的考虑，世界各国越来越多的把目光集中到海上油气的开发与生产。

海洋占地球表面积的71%。

据估计，海底石油储量约为1350亿吨，占世界总储量的2/3；天然气储量约14万亿立方米。

开发海洋已成为石油产业进步的重要标志，海洋经济也成为国民经济的新增长点。

浮式生产储油卸油船 (Floating production，storage and offloading system)出现在上世纪7O年代，西班牙壳牌公司首次将一艘商业油船改装成浮式生产储油卸油装置，并用于距西班牙的卡斯特伦油田。

FPSO对开采出的原油进行初步分离，是一种新型的集人员居住和生产指挥系统为一体的海洋大型石油生产设施。

FPSO的应用可以说是遍布各大海域，尤其是在巴西、北海及西非海域得到了广泛的应用。

美国的国家矿产资源管理署已经批准了FPSO在美国海上油气田开发中的应用，尤其是在远离正在开发油田区域的超深水海域都设计用 FPSO作为主力生产平台。

由于FPSO可以方便的转移地点重复使用，并且其使用比传统的由于自重和工程造价随水深大幅度地增加的导管架平台和重力式平台投入成本低，所以在深海和浅海都得到了广泛的应用。

近年来，FPSO已成为世界海上油气田开发的重要设施。

进入 2l世纪后，人们已将FPSO重新定位，划入海洋工程的范畴。

而且有了确切的定义：是集油气处理、发电、供热、原油产品储存和外输、人员居住于一体的，具有“高风险、高技术、高附加值、高投入、高回报”的综合性海洋工程。

2 FPSO的系泊方式
随着科学技术的发展，FPSO 的系泊技术有了长足的进展和不断的创新。

根据不同海域的海况条件不同，目前应用到FPSO的系泊方式主要有：单点-转塔系泊系统(Turret mooring)、多点-伸展系泊系统(Spread mooring)及动力定位系统
(Dynamic positioning)。

从目前的应用状况来看，转塔式系泊方式的应用最为广泛，比较适合中深水和多种环境条件；而塔架式主要适用于浅水海域，采用锚链，不能产生悬链效应；散射系泊主要应用于环境比较温和的海域；悬链腿浮筒式也是应用于环境温和的海域。

2.1单点系泊系统
2.1.1单点系泊类型
FPSO的单点系泊系统就是指锚泊系统与船体只有一个接触点，其分类方法众多，美国船级社将单点系泊系统分为：悬链锚腿系泊系统、单锚腿系泊系统、转塔式系泊系统和软钢臂四大类。

第一座单点系泊系统诞生于1959年，采用悬链锚腿系统，第一艘用单点系泊的浮式储油装置(FSO)出现于1972年，安装在突尼斯海上油田。

截止上世纪80年代中叶，世界上已有300多座单点。

悬链锚腿(CALM)单点占总数的80%以上。

到本世纪初，把系泊FPSO和FSO的单点考虑在内，单点总数约在500座左右。

目前常用的单点系泊方式有转塔式系泊，浮简式系泊，塔式系泊。

2.1.2 转塔式系泊
转塔式系泊系统是一种集系泊、油气和电力输送为一体的系泊系统，通过一钢质结构与船体的船艏或船艉相连，允许FPSO产生风向标效应绕转塔360度旋转。

转塔式系泊技术主要由API及SBM等几家国外公司掌握。

根据供应商不同，转塔的设计也多种多样，按转塔所处位置的差异，转塔系泊系统可分为外转塔式和内转塔式系泊。

2.1.2.1 外转塔系泊
经过 20多年的发展，外转塔系泊系统已经有了很大的改进。

目前以悬臂式转塔为主要发展形式，该系统由一钢质结构组成，此钢结构为转塔的建筑基础，转塔用于安放旋转轴承和转塔的外伸悬臂钢结构。

它能从船艏或船艉靠拢或延伸一段距离。

通过轴承使 FPSO产生风向标效应从而降低最大应力影响。

这是一种永久系泊系统。

2.1.2.2 内转塔系泊
内转塔系泊是FPSO最常用的单点系泊系统分为内转塔永久系泊系统和可解脱内转塔系泊系统两种形式。

内转塔系泊系统一般设置于靠近FPSO船艏的位置，
由于设计在船体内部，转塔直径可设计得很大，由于有足够的空间所以便于布置设备和管汇，内转塔嵌入船体之中后得到很好的保护。

它被支撑在一个大的滚柱轴承上。

轴承的外圈被连接到船体上，而内圈与塔的固定部分结合为一体。

2.1.2.2.1 可解脱内转塔系泊系统
可解脱内转塔系泊系统根据作业海域情况可以进行快速的解脱和回接，在极端恶劣的海况条件下可以迅速解脱，以规避可能造成人员伤害和浮体设施损坏的危险海况，更适合处于恶劣环境和复杂海况的海上油田。

可解脱内转塔系泊系统多采用内转塔浮筒形式，这种可在海上提前安装的单点系泊系统，缩短了FPSO 回接作业的时间。

近年来使用的可解脱内转塔单点系泊系统，逐渐开始采用百年一遇海况下FPSO不解脱的条件进行设计，使得系泊系统具备了遇台风不解脱的功能，进一步保证了人员及平台安全和正常生产的进行。

常见的可解脱内转塔系泊系统有浮筒式转塔系泊系统、沉没式转塔装卸系统和沉没式转塔生产系统。

浮筒式转塔系泊系统由嵌入到船艏的通过结构连接器连接的内转塔和浮筒组成，浮筒能提供足够的浮力以承受系泊腿和立管的重量。

浮筒式转塔系泊系统能够在恶劣海况下靠近管汇等关键性部件进行维修保养；安装转塔作业可在坞内进行，减少了海上现场安装工作量。

沉没式转塔装卸系统由水下浮筒和一套完整的转塔系统组成，系泊于海底的锥形浮筒内部是连接系泊链和立管系统的转台。

浮筒的外部结构可以和船体一起绕转塔旋转。

沉没式转塔装卸系统可在任何气候条件下的解脱；并具有简单快速的解脱和回接功能，安全性高。

沉没式转塔生产系统是沉没式转塔装卸系统和系泊技术与多功能旋转接头相结合的产物，是一个集系泊系统、转塔装置和旋转接头为一体的新一代内转塔式单点系泊系统。

2.1.2.2.2 内转塔永久系泊系统
内转塔永久系泊系采统用极端天气情况和海域状况作为设计标准，以遇最恶劣海况不解脱作业为设计目标，提供足够的系泊力以保证海上油气处理和储存传输的正常进行，有些内转塔永久系泊系统配备紧缩装置，必要时紧缩以限制船体的突发运动
2.1.3 单点系泊防碰圈分析的假定条件
防碰圈直接焊接在转台下部，保护固定塔免遭油轮碰撞损坏。

目前，关于防碰圈的理论分析及相关介绍不多，梁政提出了单点系泊防碰圈的理论分析：假定
了辐条与外缘圈位于同一水平面内，且辐条两端均为铰接；分析中略去自重影响；设碰撞载荷位于两辐条间外缘圈的中点。

2.2 多点系泊系统
多点系泊是指锚泊系统与船体有多个接触点把 FPSO系泊在固定位置，原油通过海底管线输送到水下基盘，再通过悬挂在FPSO舷侧的柔性立管从管汇进人FPSO处理系统。

外输有串靠和旁靠等靠泊形式。

旁靠外输方式仅适用于深海，因为，为了防止 FPSO的系泊链妨碍提油轮的靠泊，这些系泊链通过导览器系泊海底。

然而，只有在深水中锚链才能产生悬链效应。

对于浅水海域就不适应了。

采用多点系泊系统的FPSO船体位置及船艏方向确定，所以不能产生风险标效应，因此其应用受环境的影响很大，只能够应用在环境比较温和，风浪流条件改变频率很低的海域。

近年来新型FPSO理念和多点系泊系统有了较快的发展，范模提出的八角形FPSO的两点系泊系统就是一种前瞻性的多点系泊系统 (见图1)。

图1 分组系泊图2 对等分布系泊
多点系泊方式的锚链分布比较分散，多采用四点和六点系泊。

锚链分组分布可以避免组与组之间系泊锚链之间的摩擦和碰撞，造成锚链损坏；为了保证系泊的可靠性，每组采用多根锚链。

图2对等分布系泊这样设计的锚链间距很近，从而增加了组内锚链之间摩擦和碰撞的可能性。

2.3 动力定位系统
动力定位系统(DPS)于上世纪7O年代研制成功并交付使用，动力定位船舶推进器系统特点是在低速条件下控制多个驱动器输出驱动力以抵抗各干扰力。

系统正常运行时对船舶在水平面内纵荡、横荡以及转艏3个自由度上的运动进行控制。

通常需要三组推力器来抵消这3个面的运动，提供三个方向的平衡力与力矩。

动力定位系统定位成本不会随着水深增加而增加，并且操作也比较方便。

动力定位系统原理是利用感应元件将在外界扰动力作用下浮体的水平漂移量与方位偏差量及时检测出来。

经过信号处理器自动输入计算机计算并发出推力指令。

使推进系统发出相应的推力，以抵抗外界扰动力。

使浮体回复到原有的位置和方位，动力定位系统主要由位置测量系统、控制系统和推力系统三部分组成，位置测量系统用于测量出船舶或平台相对于某一参考点的位置；控制系统根据外部环境条件计算出船舶或平台所受的扰动力。

然后由此外力与测量所得位置，计算得到保持船位所需的作用力，即推力系统应产生的合力；推力系统则一般由数个推力器组成 (见图3)。

图3 DSP工作原理示意图
2.4 系泊与动力定位的使用
浮式生产储油卸油轮在海上进行生产作业时可采用系泊与动力定位两种方式的组合。

新一代带有动力系泊的FPSO在艏艉配备了多个侧向推进器，发展了第三代动力定位技术(DPS-3)。

在一般海况条件下，采用侧推进器辅助锚泊方式控制浮体的位移是最常见的方法，但是在抛锚系泊有困难的深水作业区域，在需要极大控制力的海况和气象条件下，以及在不可能获得必要抓力的海底土质条件下，动力定位方式将是比较好的选择。