文/张群 贾帅 翟志国 陈泽峰 马睿，海洋石油工程股份有限公司，船舶物资与市场随着人口增长、工业化的进程以及经济的高速发展，人类对石油资源的需求不断增加，常规油田逐渐枯竭，而陆地非常规油气田（如致密油）和老油田由于其开采难度大、开发成本高、可采储量低而不能满足实际需求。近些年，随着各国大力开发海洋资源，海上油气的开采已经成为石油工业中不可或缺的一部分。尽管海上石油开采面临着水深和复杂环境等挑战，但是新型海上油气开采设备如浮式生产储卸油船等，因其灵活性、可移动性和适应深水等特点得到广泛应用，成为海上石油生产的主要装备之一。合作、咨询、交易：微信：energyinsider；邮箱eipress@qq.com
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浮式生产储卸油船（Floating Production Storage and Offloading，FPSO）是一种集油气生产、储存和运输于一体的浮动装置。FPSO主要由船体和上部模块组成，在船体方面，通常其采用内外两层的双壳结构来增加其强度和稳定性。内壳主要起到承载生产设备和储存原油的作用，外壳则起到保护内部设备和提供浮力的作用。上部模块位于FPSO的甲板上，主要包含了油气处理系统、公用系统、动力和仪表控制系统等。与传统的固定式采油平台相比，FPSO具有更高的灵活性、更低的成本和更小的环境影响，具体主要体现在：1）FPSO移动性强，一旦原始油田耗尽，可以移动到其他油田并进行重新部署。输管道。对于附近没有管道网络的偏远油田，可以用FPSO进行开发。3）FPSO具有适应不同水深的能力，能够在没有任何基础设施（如导管架）的条件下进行服役。4）FPSO项目一般有新建船体、转换项目和重新部署方式。新建船体能够根据油田需求自定义设计，但需要较长时间和大量资金的投入。转换项目可以节省时间和成本，但受限于原有的结构和设计。重新部署可充分利用已退役或空置的FPSO，但需要对原有设施进行评估及改造。三者各有优缺点，具体可以根据油田的开发情况和项目的资金情况选择合适的方式。最初，船形生产系统由于其可移动性及快速部署的能力被主要应用于小型油田来加快生产效率。直到1975年，巴西国家石油公司为Garoupa油田设计了一套可以容纳处理设备的油轮，用于存储和外输石油。与此同时，壳牌在西班牙Castellon油田的项目中也设计了类似的船型生产系统，即将油轮系泊在海上并将其油舱作为储存容器来暂存和外输石油，最终通过接驳油船完成转送工作。这两个项目被认为是FPSO时代开启的标志。20世纪80年代，由于技术原因，此时的FPSO仅用于浅水（小于150m）和较温和的海洋环境，且主要用于临时生产和早期生产。为了降低成本，此时的FPSO通常使用旧船体来进行改装，因此在服役期间经常暴露出一些安全隐患和维护性方面的瓶颈，例如船体疲劳，生产设备失效等。合作、咨询、交易：微信：energyinsider；邮箱eipress@qq.com
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在这一时期，我国的FPSO项目开始起步：1986年，我国海域第一艘FPSO“南海希望号”在涠洲10-3油田服役，其由旧油轮改造而成；1989年，我国自主设计的第一艘FPSO“渤海友谊”在渤中28-1油田服役，实现了我国建造FPSO的零突破。20世纪90年代起，随着海洋石油和天然气开发不断向深海迈进，为了开发某些环境恶劣但却具有较高储量的海上油田，很多新建FPSO项目就此出现，并逐步成为深海油气开采领域的主力军。在这十年，FPSO的系泊系统也迅速发展，其中一个重大突破是开发了聚合物材料的系泊绳，这使得FPSO的长期系泊和深水开发成为现实。进入新世纪，FPSO的技术逐渐发展成熟，世界范围内出现了一系列大型FPSO项目，这些项目设计了处理量为20~25万桶/天的大型FPSO设施。而我国也在2009年自主设计并建造了日处理量为19万桶的“海洋石油117”FPSO，并在蓬莱项目服役。而在近期，由中海油自主设计建造的亚洲首艘圆筒型FPSO“海葵一号”已完成海上安装，未来将与亚洲第一深水导管架平台“海基二号”一同服务于我国第一个深水油田——流花11-1/4-1油田。3FPSO系统设计FPSO主要包括系泊系统、立管系统、原油处理系统、原油储存系统、原油外输系统及压排载系统等。系泊系统主要目的是保证FPSO在海上服役时稳定不动。按照系泊点的数量和分布可以将系泊系统分为单点系泊和多点系泊。多点系泊系统主要使用锚链或桩腿，通过多个固定点来将FPSO进行固定，使FPSO处于一种静态的稳定。单点系泊系统是将FPSO固定在海上单个系泊点处，在风、浪和海流的作用下，FPSO会以系泊点为中心进行360°旋转，进而大大减缓海流对船体的冲击，使FPSO处于一种动态的稳定。立管系统主要将上部浮体与水下生产控制设施（如采油树、管汇等）进行联通，即用于生产介质的输送。根据弯曲性能，立管可分为刚性管和挠性管。挠性管由很多独立的结构层构成，每层承担不同的功能（轴向拉伸、抵抗内外水压、密封等），且各层之间可以发生相互错动，可以发生较大变形而不破坏。因此，相比刚性管，挠性管更适合于波动的海洋环境，但其造价也更为昂贵。目前在世界范围内，挠性管在深水领域应用得最多。原油处理系统的主要功能是将海底开采出来的原油进行粗处理，使其满足外输的标准。原油处理系统（见图1）通常由油水分离器、热交换器、海水冷却器及其他处理设备组成。输送到FPSO的原油会在油水分离器中进行初步脱水，经过热交换器后进入热化学处理器。在热化学处理器中，将采用化学药剂、重力沉降和加热等方法对原油中的气、水和油进行二次分离，分离出的气体将被送至火炬臂进行放空燃烧，分离出的水则被送往水处理系统。经过热化学处理器的处理，原油中的水含量将降到10%以下，之后原油将进入电脱水处理器继续进行脱水，电脱水完成后，原油中的水含量一般小于0.5%。虽然此时原油中的水含量已符合外输标准，但还需要对原油中的NaCl、MgCl2和CaCl2等盐类物质进行处理，以削弱其对相关设备、管道的腐蚀速率。在经过电除盐之后，原油将输送到货油舱进行存储。原油存储系统主要由众多货油舱构成，主要用于存储符合外输要求的原油。FPSO的各个货油舱相互独立，且沿着船纵向分左右舷对称分布。货油舱通常与上部生产甲板保持3~4m的距离以确保生产安全。在原油外输系统中，主要通过货油泵及Offloading外输站来实现外输功能。Offloading是液压驱动的滚筒卷车，用于收放外输软管，而货油泵则为原油外输提供动力。不同类型的FPSO所配备的泵的类型也不同，如电动离心泵由于其相对简单，操作维护方便，适用于中小型FPSO。液压驱动的深潜泵通常用于大吨位的FPSO，且一般会在每个货油舱内配置1台，从而实现流量调节，但其安装要求较高。货油舱通过各个支管通过遥控阀门进行隔离并汇入外输总管，外输总管一般沿船轮廓环形布置并最终连接到Offloading外输站。根据FPSO和油轮的相对位置，原油外输的形式主要分为串靠式和旁靠式。在串靠式外输过程中，油轮系泊于距离FPSO船尾60~80m的位置并通过缆绳将二者连接，使得二者呈一条直线。在这种方式中，Offloading外输站和单点系泊分别位于FPSO的首尾两端，充分利用了FPSO风向标的作用，这种外输方式更能适应恶劣的海况作业条件，且解脱缆绳安全、方便，目前绝大多数FPSO均采用这种方式进行原油外输。而在旁靠式外输过程中，油轮平行系泊于FPSO某一舷，并跟随FPSO的转动而转动，使二者处于相对稳定的位置，这种外输方式对天气条件以及海况的要求较高。合作、咨询、交易：微信：energyinsider；邮箱eipress@qq.com
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压排载系统主要用于调节船体吃水和船体平衡，同时起到保护船体和预防原油泄漏的作用。压排载系统主要由压载舱和压载泵组成。压载舱一般布置在货油舱的两舷和底部，其数量及具体位置主要依据压载水量、船舶在不同装载情况下的浮态和稳性以及防污染等因素确定。压排载系统与原油储存和外输系统密不可分，尤其在进行外输作业时，为了保持船体的平衡，压载系统会根据装载软件的设置，启动船体配载程序，对压载舱内的介质进行动态调整。FPSO需要时刻对风、浪和海流造成的环境负荷做出反应，导致其始终处于动态调整之中。因此，在影响FPSO安全性能的因素之中，船体构型就显得尤为突出。合理的船体构型不仅能够降低FPSO在极端海洋环境下的疲劳程度和振动等风险，还可以增加其承载能力。如在Mero3油田开发项目中采用非对称船体的FPSO来对抗涌浪对立管、干舷和结构载荷的影响，这种船体结构大大提高了其安全性能，同时也增强了其在承载能力、压载操作和货物装卸等方面的性能。挪威Sevan Marine公司设计了第一个圆筒型FPSO，其无论方向如何，都可以呈现出相同的风、浪和洋流剖面，与船型FPSO相比，其具有更高的储存能力和甲板负载，同时不需要复杂的转塔设计。Wang等则在圆筒形FPSO的基础上提出了一种“沙漏式”FPSO的设计，通过模拟和实验研究发现沙漏式的设计显著改善了FPSO的水动力性能。除了通过改变船体结构来优化FPSO的性能外，研究人员也将目光投向减少船体运动这一方面，如巴西的大学和研究机构希望通过使用减摆装置来减少FPSO的运动。李晨等提出带有2种新型垂荡抑制结构的圆筒型FPSO，可有效减小纵荡和纵摇的运动幅度，改善FPSO的整体运动性能。合作、咨询、交易：微信：energyinsider；邮箱eipress@qq.com
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随着节能、智能理念的提出，FPSO和新兴技术的结合也呈现多元化。由于液化技术和系泊技术的发展，与FPSO类似的浮式天然气液化装置（Floating Liquefied Natural Gas System，FLNG）实现了海上气田的高效开发，体现出比传统陆上LNG项目更加独特的优势，而我国为了开发南海，日前也自主研发了适用于深水气田FLNG装置的丙烷预冷双氮膨胀液化新工艺，并基于该工艺建成了天然气规模为的小型和中试FLNG装置。由挪威BW Offshore公司与荷兰SwitchH2公司合作开发的海上绿色氨气FPSO已于2022年获得DNV原则性批准，该FPSO从海上风电场接收电力，通过电解水技术和空气分离装置来生产H2和N2，然后在合成装置中生成氨气并将其液化储存；在2023年建成的“海洋石油123”FPSO，其运用了云计算、物联网、人工智能等诸多数字技术，可对生产数据进行全面感知、实时采集从而进行辅助决策，通过FPSO的智能化运营来最大化降低安全风险，提高生产效率。FPSO由于其灵活性、可移动性和适应深水等特点被广泛应用于深水油气开发项目中。从最初的油轮改造，到现在的一体化设计，FPSO在系泊技术、立管、原油处理、储存、外输等方面日益完善。为了应对复杂工况，研究人员针对FPSO的船体构型也进行了改良，通过设计特殊的船体结构或加入减摆装置来提升其安全性能。另外，随着新能源、人工智能等技术的提出和普及，FPSO逐渐从传统油气领域向其他新型领域延伸。这些新技术、新理念在FPSO中的应用，为其发展开辟了一个全新的赛道。
