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無人FPSO不為人知的細節,超燃!

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Aker Solution透露無人FPSO概念設計新細節。

編輯 | 大安

FPSO,可謂海工界的“高富帥”,其結構及工藝十分復雜,造價昂貴。因此其擁有者不是財大氣粗的油公司就是服務于油公司的FPSO服務公司。近幾年,隨著自動化、無人機、數字孿生等新興技術的發展,無人FPSO的概念越來越受到業界的青睞。目前國際上FPSO領軍公司Aker Solution也只能實現某些模塊自動化、無人化操作,要想實現真正的無人FPSO,還有很遠的路要走。還有很多細節值得我們探討、精益設計。

1、什么是傳統FPSO和無人FPSO?

FPSO(Floating Production Storage and Offloading)浮式生產儲油卸油船,它兼有生產、儲油和卸油功能,油氣生產裝置系統復雜程度和價格遠遠高出同噸位油船,FPSO裝置作為海洋油氣開發系統的組成部分,一般與水下采油裝置和穿梭油船組成一套完整的生產系統,是目前海洋工程船舶中的高技術產品。

W傳統VS無人

傳統FPSO需要一直有人在船上操作以及執行任務。假設一艘FPSO上有60名船員,每年就的有約260000個海上工時(每年365天,每天12個小時)。

無人FPSO是遠程操作的,預計每年只有1-2人參與維護活動,每年的海上工時也就7000。要想實現從永久有人值班到無人值班的轉變,將工作和任務轉移到陸上,必須具備“海底思維模式”和一個超大型的數字處理系統。尤其是這種新型的“海底思維模式”,不能將傳統FPSO作為設計模板,而是在一張白紙上重新設計,其中每添加一個系統都要證明其合理性,即追求“精益設計”。

2、為什么要研發無人FPSO?

無人FPSO不僅是技術發展的趨勢,更是人類從經濟效益、安全環保方面出發而想出的有效手段。

從經濟性角度看,據估算Aker Solution的無人FPSO建造成本約為18億美元,比具有類似能力的傳統FPSO低10%左右。不過后期的運營成本會節約很多,研究發現無人FPSO的運營費用將減少25-30%。

從安全角度看,無人FPSO上的設備采用全電動,所有電動機都是電動的,加熱是電動的,閥門也是電動的,等等。所有的數據采集工作均由傳感器、無人機等實施,盡量減少人為干預,降低人員風險。

從環保角度來看,無人FPSO上沒有發電設備,電力都將從海岸通過電纜輸入,電源采用高壓交流電。這樣的話預計每年會減少約24萬噸的二氧化碳排放,不過要確保陸上輸送的電是綠色的,比如來自水力發電、風力發電或太陽能發電等環保方式。

3、無人FPSO的概念設計

無人FPSO的理想狀態就是設備的控制以及操作均在陸上進行。海上和陸上之間通過光纖電纜傳輸數據,衛星作為備份解決方案。一年進行1-2次的維修,維修工作將由配套有人員住宿設施的SOV支持,往返SOV的橋梁將是往返設施的主要通道。因此無人FPSO上既沒有住宿設施,也沒有直升機甲板。

數字孿生是無人FPSO概念設計的關鍵。數字孿生是一個數據模型,具有一套相應的應用程序,通過一個統一的數據平臺訪問所有相關的資產數據。其目標是優化跨數據源和資產生命周期階段的數據利用。隨著資產在其生命周期中的進展,實施數據將被鏈接并存儲,典型數據有來自設施中傳感器/儀器的數據,無人掃描等,用于操作、規劃和優化的應用程序可以讀取所有相關數據。這種獲取數據(工程數據、更新的完整性數據和實時在線數據)的方式在監視/監控、生產優化、測試活動、資產完整性管理和分析、干預計劃的啟停、供應鏈管理、應急響應等方面都已有應用。

W數字孿生

此外無人機、履帶爬行器以及其他類型的機器人也將是無人FPSO概念設計的重要支持。這些設備可用于監測和檢查,從而降低人員風險。

所有這些數字化操作通常均由陸上中央控制室進行管理,基于云的解決方案和相關的網絡安全規則,不同地點的專家和供應商將有不同的權限訪問這些數據。

頂部布局

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頂部的布局基于一個平面頂部單層甲板的設計,這就要求簡化設備安裝,因此平臺布局采用功能平攤型,如果某設備發生故障,可以很容易的移除替換。當然設備的位置由MTBF決定,需要頻繁更換的設備放置在外部邊緣區域。功能區由中央管架提供服務,這與傳統FPSO相似。在左舷和右舷均配備免維護通道,方便設備的拆卸,也方便將替換設備直接吊到此區域。

對于大型裝備模塊的拆除,預計使用傳統的水下干預船,水下干預船的最大承重可達600噸,遠遠高于無人FPSO上的最大設備模塊(200噸)的重量。

W-SOV

船體設計

相對于傳統的船舶工業設計,無人FPSO的船體設計主要針對資本支出進行了優化,通過簡化結構形狀、結構細節以及固有的海事和實用功能來實現。將所有非必要的功能提升到上層甲板,在那里設備和管道更容易維護和檢查。除了優化船體結構降低運營成本外,子結構中的體積也被釋放出來,以便于利用它來存儲和改善浮力以及整體結構彎矩。

轉塔。對于惡劣的天氣FPSO設計,在縱向放置炮塔時,應考慮船體的自然風向響應,以平衡并減輕不必要的擺尾或過度的側傾運動,因為這會影響惡劣天氣狀態下或非航行狀態下的卸載規律和分離器效率。用于航向控制的隧道推進器適用于大多數惡劣天氣的應用。此外FPSO的外部電源將通過基于交流電源的電氣旋轉設計來實現。

船體系統。與傳統FPSO設計相比,需要安裝在船體上的系統中,只保留壓載泵和艙底泵。這些系統中的泵是可接近并且可從上面伸縮的,是線軸或堆棧類型,以允許在有限的空間中進行最小的干預。船體系統的環形管、分支、噴射器和與這些系統相關的任何閥門仍然位于船體內,并可通過遠程控制設備進行檢查。所有其他系統將被分開安裝,有利于檢查和維護。對于貨物儲存部分,除了使用卸貨泵外,還利用艙壁閥來簡化裝卸過程中的被動調整和最少的壓載操作。常規的惰性氣體覆蓋設備由于需要太多的人工干預和維護,并不適合無人FPSO。

卸載。對于無人FPSO的卸載設計,由兩類概念。一種是串聯系泊原則,將郵輪系泊到FPSO船尾,同時進行卸載。另一種是大多數固定海上裝置上使用的卸載浮筒類型,石油輸出管線tong過炮塔到一個相鄰的系泊浮筒,穿梭郵輪連接到該浮筒??紤]成本的話,首選串聯系泊卸載方式,即使用動態定位系統代替FPSO的物理系泊。

設計安全

無人FPSO應設有量身定制的安全屏障,以適應其計劃操作和維護理念。一般來說,為了減少維護需求,被動屏障(如防火墻)比主動屏障(如消防水系統)更受青睞。與傳統FPSO相比,無人FPSO的目標是簡化的安全系統設計和最低的維護需求,這些目標與現行的標準及法規沒有沖突,但是由于目前的標準、指導方針等沒有針對無人駕駛相關的設計方案,安全系統可能得不到相關部門的批準,尤其是與消防相關的系統,因為沒有先例,此項目很可能被相關監管部門認為風險項目而得不到授權。

對于無人FPSO來說,還有一個重要的安全和環境屏障那就是布局。布局設計的主要特點之一是分離潛在的點火源和泄漏源。將主要電氣設備位于裝有氮氣的容器中。此外單層甲板和矩形形狀的設計造成了良好的通風環境,很容易引起爆炸。設計中建議使用帶電鍍的處理甲板,以保護貨艙免受掉落物的傷害,并防止火災升級到貨艙。

因為無人FPSO需要更加堅固耐用,因此選擇材料至關重要。建議盡可能選擇用于管道和設備的耐腐蝕合金(CRA)。但是對于主要的碳鋼結構以及大型設備,使用CRA將非常昂貴,因此可以使用涂層材料,例如熱噴涂鋁(TSA)。對于設備撬、電纜橋架和舾裝鋼,建議廣泛使用耐腐蝕材料(不銹鋼或鋁)。螺栓和管道支架可以使用CRA。

最后,在計劃維護期間,對主過程會進行關閉并減壓。有利于提高人員安全性。

操作和維護

無人FPSO的宗旨就是減少海上工時,首先是通過設計來優化,然后考慮使用傳感器、機器人以及新材料、新技術代替。

全船視覺檢查可由配備攝像頭/傳感器的大型無人機與固定攝像頭結合執行。對于特殊需求,自主和遠程控制的機器人,包括履帶和無人機都可以進行近距離檢查、測量。對于關鍵的防爆設備,主要通過傳感器進行監視。對于現場儀器,要具備自動校準功能,確??刂坪貌杉瘶悠返倪^程和質量。如測量儀器,若不經校準,會有不安全的產品。

對于應急響應,由陸上中央控制室負責,船上并沒有消防團隊,不過可以采用機器人技術作為應急的備選方案。

4、傳統FPSO與無人FPSO對比

PK資本支出

據Aker Solution的估算,無人FPSO的成本約為18億美元——比具有類似能力的傳統FPSO低10%左右??紤]到無人FPSO的上部重量只有傳統FPSO的一半,所以資金節約程度看起來是相對較小的。 傳統FPSO和無人FPSO資本支出PK。其中的價格是參照Aker Solution的2019年在挪威大陸架的價格估算。

W-成本

運營支出

無人FPSO的資本節約主要體現在總體運營成本。據Aker Solution的研究發現無人FPSO的運營費用將減少25~30%。

W運營成本人工時

海上作業人員成本降低是運營費用減少的主要原因。在傳統FPSO上面,60人的工作團隊,每天工作12小時,每年會產生約26萬工時,而無人FPSO的目標是每年約產生7000工時,減少了37倍。

W運營成本

直升機運輸費用每年也將節約數百萬美元,同時簡化了施工程序,消除了海上作業人員的一個重大安全隱患。因為數十年來已經有數十位石油工人因為直升機失事而失去生命。

人員成本加上估算的運營成本,無人FPSO的運營成本要比傳統FPSO的低55%。不過無人FPSO的電力成本可能會高于海上發電的成本,雖然將發電廠移除可以減少約500噸的重量,但是從陸地輸電成本也會很高。

收入/可用性

假設每年有16天的生產停機時間(14天的維護活動+2天的啟停時間),那么FPSO的可用性超過95%,這與傳統FPSO的可用性相似。不過最關鍵的還是要避免因故障而導致的計劃外的生產停機時間,這就需要在設計中具有正確的冗余級別以及謹慎的陸上狀態監測和維修故障時間預測來實現。

HSE

用直升機運送人員、將人員安置在危險區域附近或在危險區域工作都將有可能造成人員傷亡。但是對于無人FPSO來說,這些風險幾乎為零。使人員的安全風險整體降低。

此外,無人FPSO也是朝著減少碳足跡向綠色環保方向邁出的正確一步。相比海上發電,陸上輸電每年會減少約24萬噸的二氧化碳排放,不過要確保陸上輸送的電是綠色的,比如來自水力發電、風力發電或太陽能發電等環保方式。

5、結論

無人FPSO概念已經建立,這個概念建立在海底設計思維,以及數字化技術應用的基礎上??傮w來講,與傳統FPSO相比,無人FPSO的概念設計將改善經濟性并且減少人員風險,而且這一概念對減少碳足跡非常有益。因此,無人FPSO不會只停留在概念設計階段,隨著技術的進步必將進入我們的石油生活。

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評論 1

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    匿名1個月前 (08-03)回復