吳堯增， 秦小剛， 王文祥， 洪 毅

(中海油研究總院，北京 100028)

南海某深水氣田壓縮機組布置及吊裝設計

吳堯增， 秦小剛， 王文祥， 洪 毅

(中海油研究總院，北京 100028)

優(yōu)化壓縮機組配置、做好平臺重量控制和降低項目投資是深水天然氣開發(fā)項目成敗的關(guān)鍵因素。南海某深水氣田項目壓縮機組數(shù)量和運行工況都比較復雜，壓縮機組的選型及布置方案對海洋平臺甲板面積及吊裝方案有直接影響。在浮托法對平臺重量有嚴格限制的前提下，采用三維可視化平臺布局，對南海某深水氣田項目壓縮機組的選型及吊裝方案做了大量的比選工作，推薦了臺數(shù)少、投資低的優(yōu)化方案，并提出使用平臺吊機吊裝大型預留燃氣輪機驅(qū)動離心式壓縮機的方案，為項目節(jié)省了大量投資。

深水氣田項目；壓縮機組布置；吊裝方案設計

0 引 言

南海某深水氣田開發(fā)基本設計項目壓縮機選型方案面臨實際配產(chǎn)和平臺最大設計規(guī)模不一致的情況，同時生產(chǎn)期內(nèi)登平臺的物流壓力將分別經(jīng)歷7.5MPa、2.5MPa和1.0MPa三個階段。由于不同階段所需壓縮機的數(shù)量和運行工況都比較復雜，壓縮機的選型及布置方案對平臺甲板面積及吊裝方案有直接影響。本項目壓縮機設計主要特點如下[1]。

(1) 中心平臺設計為集輸平臺，實際配產(chǎn)50億立方米/年天然氣和最大輸送規(guī)模120億立方米/年天然氣差距較大，因此壓縮機將按氣田的產(chǎn)量和壓力變化情況分期分批上平臺。

(2) 中心平臺設計為與外方聯(lián)合設計，合同規(guī)定： 一期規(guī)模按100億立方米/年天然氣輸送規(guī)?？紤]，設備需一次配齊，因此設備很難減重。

(3) 中心平臺采用浮托法安裝，浮托組塊約27000t，接近浮托駁船的能力上限，因此要求浮托工況下盡量減輕設備重量。

在滿足一期設計能力的前提下，浮托時應盡量減少壓縮機設備，但卻導致后期預留的離心壓縮機設備較多。對于預留的離心壓縮機組，如果頻繁動用價格昂貴的浮吊進行吊裝，將增加后期項目的成本。因此，從降低項目投資的角度出發(fā)，如能利用平臺吊機吊裝預留的離心壓縮機組以取代部分浮吊，將對整個平臺的經(jīng)濟性產(chǎn)生重大影響。

本文采用三維可視化平臺布局，對南海某深水氣田項目壓縮機組的選型及吊裝方案進行優(yōu)選，推薦了臺數(shù)少、投資低的優(yōu)化方案，并首次提出使用平臺吊機吊裝大型預留燃氣輪機驅(qū)動離心式壓縮機的方案。

1 壓縮機組布置分析

預留設備情況如表1所示。為了確定壓縮機組的吊裝方案，首先要確定壓縮機組所需的布置空間，從而確定合理的吊裝半徑和吊重，以配合壓縮機組吊裝方案的研究。因此優(yōu)化壓縮機組在平臺頂層甲板的布置方案成為首要任務。

表1 某深水氣田中心平臺壓縮機配置匯總表

由于受組塊浮托重量的限制，壓縮機組的尺寸和重量在本項目中成為關(guān)鍵性指標。研究分析機組布置所需的空間對于整個平臺設備的布局起到?jīng)Q定性的作用。本項目壓縮機組的選型方案充分考慮了不同廠家機組的特點和主、輔機設備的不同。

1.1 單臺壓縮機組設備的占地空間

本項目涉及的壓縮機驅(qū)動器為10MW和20MW兩個等級的燃氣輪機，經(jīng)過廠家咨詢和相關(guān)項目類比，單臺機組所需占地空間如表2所示。

表2 單臺壓縮機組設備占地空間對比

注： 單臺機組占地不包括配對的熱站尺寸，但包括進、排氣系統(tǒng)的尺寸。

綜合各廠家機組占地空間情況，為保證任意一家壓縮機組設備都能放入平臺(招標結(jié)果公布之前)，選擇10MW機組占地空間為22.0m×4.0m×10.0m， 20MW機組占地空間為23.0m×5.0m×12.0m。

1.2 單臺壓縮機組設備的維修空間

除了壓縮機組設備本身的占地，其所需的空間還包括燃氣輪機組件、密封氣系統(tǒng)、齒輪箱及進氣濾器等主要部件的維修空間。結(jié)合海上固定平臺安全規(guī)則[2]，給出了單臺壓縮機組設備的維修空間。

(1) 燃氣輪機組件。機組大修主要集中在壓氣機渦輪、動力渦輪和燃燒室。考慮維修時移出滑軌和移動小車，維修空間約為2.0m×3.7m×3.5m，如圖1所示。

圖1 燃氣輪機組件維修空間Fig.1 Maintenance space for the gas turbine

(2) 密封氣系統(tǒng)。密封氣系統(tǒng)主要布置在壓縮機側(cè)和機組旁，所需維修空間較小，為1.0m×1.0m×2.0m，如圖2所示。如果需要密封氣增壓，考慮3.0m×1.5m×1.5m的增壓橇布置空間，多臺壓縮機可共用一個增壓橇。

(3) 壓縮機。壓縮機主要考慮大修抽轉(zhuǎn)子的縱向空間或移動整個壓縮機的橫向空間，約2.6m×2.6m×3.0m，如圖2所示。

(4) 齒輪箱。齒輪箱維修所需橫向空間約1.0m×2.5m×1.0m，如圖2所示。

圖2 壓縮機、密封氣系統(tǒng)、齒輪箱所需維修空間Fig.2 Maintenance space for the compressor, seal gas system and gear box

(5) 進氣濾器。進氣濾器考慮一定的支撐結(jié)構(gòu)尺寸，同時在清理或更換濾器操作時，長度方向移動約3m距離，如圖3所示。

圖3 進氣濾器所需空間Fig.3 Maintenance space for the filter

1.3 多臺壓縮機組設備的布置要求

多臺壓縮機組布置時，需考慮以下因素[2—4]： (1)燃氣輪機主件大修時的移出滑軌和支撐小車的移動空間；(2)機罩側(cè)開門的距離；(3)設置公共維修平臺結(jié)構(gòu)框架的跨度。兩臺壓縮機組的間距約9m，如圖4所示。

1.4 壓縮機組與相關(guān)設備的相對位置關(guān)系

(1) 排煙管與熱站鍋爐的布置。燃氣輪機通常為雙軸驅(qū)動，即熱端驅(qū)動，這樣的驅(qū)動方式?jīng)Q定燃氣輪機煙氣收集室的排煙方向垂直向上。若為單軸改進的驅(qū)動器，其排氣管也可以設置為垂直排煙，只是會增加排煙管的布置空間和背壓。

本項目熱站為帶補燃設計，若按傳統(tǒng)的臥式鍋爐加補燃的形式，熱站尺寸將十分龐大，導致平臺沒有足夠的布置空間。因此本項目熱站首次采用立式鍋爐加管道補燃的形式，燃氣輪機排煙管和熱站鍋爐以及燃燒器等均通過結(jié)構(gòu)支撐布置在垂直方向上，從而減小了甲板面積，如圖4和圖5所示。

圖4 排煙管與熱站鍋爐的布置及機組間間距要求Fig.4 Spacing requirements of the layout and compressors

另一方面，根據(jù)挪威船級社(DNV)燃氣輪機機組排煙模型動態(tài)模擬結(jié)果，建議燃氣輪機排煙管高度設置在標高74m處，以減小燃氣輪機排煙對直升機起降的影響。

圖5 結(jié)構(gòu)支撐框架布置Fig.5 Layout of the structural support frame

(2) 壓縮機后冷卻器的布置。本項目壓縮機外輸氣壓力較高，且壓縮機組數(shù)量較多，壓縮機后冷卻器若采用傳統(tǒng)的管殼式換熱器將導致橇塊尺寸和重量十分龐大。因此本項目首次采用印刷板式換熱器(PCHE)作為壓縮機后冷卻器，同時把印刷板式換熱器布置在壓縮機上方的結(jié)構(gòu)框架上，節(jié)省了大量空間。如圖3所示。

2 壓縮機組布置方案

考慮上述空間布置的特點和要求，并結(jié)合平臺危險區(qū)的劃分、主風向?qū)ε艧煹挠绊懸约爸匦钠胶獾纫蛩?，本項目采用三維可視化平臺布局，壓縮機組的三維布置如圖6所示，為了采用平臺吊機吊裝預留渦輪壓縮機組，預留機組主要布置在平臺已上機組的外圍。一期先上4臺干氣壓縮機，2大2小(紅色所示，見圖6中5， 6， 9， 10)。小壓縮機布置在平臺的北側(cè)，大壓縮機布置在西側(cè)。當產(chǎn)氣量超過66億立方米/年時，在平臺西南側(cè)再上2臺干氣壓縮機(見圖6中7， 8)。預留的4臺濕氣壓縮機布置在平臺的西北側(cè)(見圖6中1， 2， 3， 4)。二期預留的1臺干氣壓縮機和1臺濕氣壓縮機布置在平臺的南側(cè)(見圖6中11， 12)。

圖6 壓縮機的三維布置Fig.6 Three-dimensional layout of the compressors

3 平臺吊機吊裝壓縮機組方案

采用三維可視化平臺布局得到的詳細壓縮機組布置方案為吊裝方案的比選提供了可靠依據(jù)。方案上可采用浮吊或平臺吊機進行機組吊裝，但動用浮吊的價格昂貴，同時預留設備在安裝時間上也不同步。本項目大功率燃氣輪機驅(qū)動壓縮機組尺寸大，占地約23.0m×5.0m×12.0m，重約180t。目前中海油使用的平臺吊機基本在40t以下，如果僅為了吊裝預留壓縮機組而將吊機的能力設置過大將導致后期吊機能力過剩、維護成本增加以及結(jié)構(gòu)設計困難等，在設備初始投資上也不經(jīng)濟。因此，考慮采用平臺吊機吊裝壓縮機組時首要問題就是確定經(jīng)濟合理的吊機能力。

3.1 平臺吊機能力的確定

目前大型燃氣輪機驅(qū)動離心式壓縮機廠家通常采用模塊化設計，如圖7所示(圖中PT為動力渦輪，GP為燃氣發(fā)生器，CB為燃燒室，CT為壓氣機渦輪)。機組是可拆分的，為確定吊裝能力提供了依據(jù)。在了解Solar、 Siemens、 GE等廠家壓縮機模塊化設計理念的基礎上，經(jīng)過大量的咨詢和比對并參照已投產(chǎn)項目的經(jīng)驗，認為：

圖7 壓縮機組的模塊化設計Fig.7 Modular design of compressors

(1) 預留20MW等級壓縮機組在一定程度上是能拆裝的。壓縮機拆裝順序如圖8所示。

(2) 主要可拆裝件包括底座(啟動電機、滑油及油泵泵組、燃氣輪機通風系統(tǒng)及儀表)、燃氣輪機核心機以及壓縮機(密封氣系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子芯軸)和齒輪箱等。而燃氣輪機進氣濾器模塊的重量相對較小，可散供。

(3) 儀表、電氣附件由于集成在機罩上，出廠時均已經(jīng)過測試，拆裝比較困難且難以保證拆裝質(zhì)量。

(4) 啟動電機需作為重新安裝時的對中基準，若拆除將導致機組其余組件無法對中，不能拆除。

(5) 滑油及泵組在設計時管路系統(tǒng)有些已經(jīng)焊接在底座上，且設計很緊湊，不容易從底座上拆除，重裝較難。

(6) 另外，對于集成的儀表、電氣設備由于服務人員經(jīng)驗較少，恢復困難，因而這部分重量不建議除去。

圖8 壓縮機組的部分拆分順序Fig.8 Part of the removal order of the compressors

綜合以上因素，表3給出了預留燃氣輪機驅(qū)動壓縮機組主要拆裝件的重量統(tǒng)計情況。

表3 預留燃氣輪機驅(qū)動壓縮機組主要拆裝件的重量統(tǒng)計

從表3可以看出，除了Siemens對于減重的評估較為保守外，其余兩家的設備拆裝后，重量主要集中在底座(50t)、壓縮機(45t)和渦輪組件(17t)三部分，加上吊裝的鋼絲繩和吊具橫桿重量，最終確認平臺吊機所需最大吊重能力為50～51t。

3.2 平臺吊機的選型

為滿足以上拆裝部分的吊裝要求，并考慮一定的設計余量(平臺吊機負載能力后期有一定下降)，平臺主吊機最大吊重能力設置為60t。吊裝半徑綜合考慮運輸船舶與平臺之間的距離及壓縮機分拆模塊尺寸較大的因素，分塊吊到平臺上之后還需要使用平臺吊機進行就位和組裝，因此工作半徑選為25m。50m臂長主要考慮平臺遠端壓縮機組的維修需要，設置為10t@50m。綜上所述，平臺主吊機選用柴油吊機，能力設置為60t@25m和10t@50m，布置在平臺的南側(cè)。該吊機除了吊裝壓縮機外，還負責平臺南側(cè)一些預留設備的吊裝及維修。

3.3 吊裝方案的比選

通過以上分析可知，采用平臺吊機分塊吊裝預留壓縮機組方案可行。因此，對采用浮吊和平臺吊機吊裝兩種方案進行經(jīng)濟性比選。預留的濕氣壓縮機和干氣壓縮機上平臺時間不同，不同的組合方式如表4所示。

表4 干氣與濕氣壓縮機組吊裝方案

說明： 吊裝方案沒有列出采用平臺吊機同時吊裝干氣和濕氣壓縮機組的方案是由于一方面壓縮機拆裝數(shù)量過多，重新組裝時間過長，安裝周期和質(zhì)量均較難以保證；另一方面將導致平臺北面40t吊機加大為60t，增加組塊重量同時導致后期會出現(xiàn)吊機能力過剩情況，不作為推薦方案。

按照表4所列的不同吊裝方案，進行初步的經(jīng)濟性比選評估，如表5所示。

表5 壓縮機組吊裝方案比對

說明： (1) 如1.4所述，由于壓縮機排煙管的高度較高，平臺吊機的標高也設置較高(EL+64m)。選擇藍鯨號作為吊裝船主要考慮浮吊在跨越吊機臂時仍有足夠的扒桿長度和高度。

(2) 在基本設計后期，明確了采用國產(chǎn)吊機方案，因而吊機費用可以降低。

(3) 總費用中未含動復員費用。總體上動用浮吊次數(shù)越多，單次執(zhí)行吊裝任務越多，服務費用也越高，趨勢不變。

通過比較，方案3最優(yōu)，推薦采用平臺吊機吊裝預留的3臺干氣壓縮機組，而一期預留的4臺濕氣壓縮機組則采用模塊化設計、整體浮吊吊裝。二期新增的1臺濕氣壓縮機也可考慮采用60t平臺吊機吊裝，進一步提高經(jīng)濟效益。預留壓縮機組均位于南側(cè)吊機附近，吊機有足夠的覆蓋能力將壓縮機模塊從船上吊到平臺上。吊到平臺之后，在吊機的輔助之下進行移位、就位及組裝。方案的優(yōu)點是投資較少，避免船舶資源緊張帶來的計劃難問題，避免了離岸遠帶來的浮吊動復員困難，僅需要一定載重的駁船即可，加大了后期操作的靈活性。

4 結(jié) 語

從降低項目投資的總體目標出發(fā)，對壓縮機組的選型及后期吊裝方案做了深入具體的分析，第一次提出使用平臺吊機吊裝預留大型離心壓縮機組的方案，相比浮吊方案節(jié)約項目投資約1000萬元。要點總結(jié)如下：

(1) 為了確定壓縮機組的吊裝方案，首先要優(yōu)化壓縮機組所需的布置空間，從而確定合理的吊裝半徑和吊重，以配合壓縮機組吊裝方案的研究。

(2) 采用三維可視化平臺布局得到的詳細壓縮機組布置方案，為吊裝方案的比選提供了可靠的依據(jù)。

(3) 考慮采用平臺吊機吊裝壓縮機組時首要問題就是確定經(jīng)濟合理的吊機能力。

以上是南海某深水氣田項目諸多創(chuàng)新方法和思路中的一個縮影，不斷采用新方法、新技術(shù)，高效益、低風險進行工程開發(fā)是海洋石油工作永遠的主題。只要以科學的態(tài)度，小心求證，就可以為“降本增效”做出貢獻。

[1] 王建豐,吳堯增.南海某深水氣田項目天然氣外輸增壓系統(tǒng)設計[J].中國海上油氣,2012,4(1)： 34.

Wang Jian-feng, Wu Yao-zeng. Natural gas transmission boosting system design for central platform of a deepwater gas field in the South China Sea [J]. China Offshore Oil and Gas, 2012,4(1)： 34.

[2] 中華人民共和國國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會.海上固定平臺安全規(guī)則[S].2000.

National Economic and Trade Commission. Safety rules for offshore fixed platforms [S]. 2000.

[3] 中海石油(中國)有限公司.海上固定平臺總體設計規(guī)范(試行)[S].2015.

CNOOC (China) Co., Ltd. Master design code for offshore fixed platforms [S]. 2015.

[4] American Petroleum Institute. API-RP-14J. Recommended practice for design and hazards analysis for offshore production facilities [S]. 2001.

LayoutandLiftingDesignofCompressorsforaDeepwaterGasFieldintheSouthChinaSea

WU Yao-zeng， QIN Xiao-gang， WANG Wen-xiang， HONG Yi

(CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China)

Optimizing the configuration of the compressors, controlling the weight of the platform and reducing the investment cost are the key to the success of the deepwater natural gas development project. Since the number and operating conditions of compressors of the deepwater gas field in the South China Sea are complex, the deck area and the lifting design of the offshore platform are directly influenced by the selection and layout of the compressors. Under the precondition of compliance with the stringent weight limitation of “FLOAT-OVER” used for the offshore platform installation, we recommend the optimization scheme with less number of compressors and low investment, and propose to use platform crane to hoist large reservation compressors, which saves a lot of investment for the project.

deepwater gas field project；layout of the compressors；lifting scheme design

TE977

A

2095-7297(2017)04-0211-06

2017-03-31

吳堯增(1981—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋石油機械方面的研究。