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摘要：FPSO单点系泊系统中的中压电滑环一般为井口平台或水下生产设施传输电能，其电气参数、配置方式、尺寸、重量一般根据供电需求不同而有所不同。中压电滑环的选型将影响整个滑环堆栈的布置及其结构的设计，配置方案变动太大甚至将影响整个单点转塔和FPSO的设计，因此有必要在设计前期阶段综合考虑，确定最合适的配置方案。现针对中压电滑环的选型设计进行对比分析，可为FPSO单点设计提供参考。
关键词：FPSO;单点;滑环堆栈;中压电滑环;配置方案
0 引言
隨着我国海洋油气开发工程逐步朝深海、远海方向发展，常规开采模式需要铺设的油气管线越来越长，导致成本越来越高，风险也越来越大，而FPSO+水下生产系统的开采方式正是解决这一难题最有效的途径。单点系泊的FPSO可以围绕转塔在风、波、流的作用下360°旋转，实现最小的环境载荷。滑环堆栈是FPSO单点系泊转塔的重要组成部分，也是最昂贵的系统，其负责在对地固定的系泊转塔与对地旋转的FPSO船体之间进行油气、电力、控制和通信传输。中压电滑环的选型配置不仅会影响其他生产、公用滑环的布置，还将影响滑环堆栈的整体布置和结构设计，进而影响整个单点系泊转塔系统及FPSO的结构设计。
1 FPSO简介
FPSO全称为Floating Production Storage and Offloading，是集浮式生产、存储、卸载功能于一体的油轮，具备对原油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原油产品的储存和运输功能，是一种海上综合性的大型油气处理工厂。
FPSO主要系统包括系泊系统、水下系统、船体系统和上部模块系统。
（1）系泊系统是影响FPSO安全性、决定适应海况的关键组成部分，也是FPSO最昂贵的系统。其主要可分为3种系泊方式：单点系泊系统、多点系泊系统和动力定位系统。其中单点系泊系统是指锚链系统与船体只有一个连接点，具有明显的风向标效应，能保证FPSO的方位始终处在系泊力最小的方向上，适用于海况恶劣的深水海域。
（2）水下系统由水下采油树、海底管汇、管缆等组成。由脐带缆为水下生产系统提供动力和控制，各井口采油树的油气汇集到中心管汇，然后通过立管系统输送到FPSO上。
（3）船体系统主要用于承载上部模块、储油和外输，处理合格后的原油储存在船舱中各个独立的油舱，满载后通过外输系统将原油输送给穿梭油轮。
（4）上部模块系统与常规油气平台处理系统类似，主要包括油气水分离系统、计量系统、生产水处理系统和火炬系统等，但布置得更加紧凑，在保证满足更加严格的工艺流程安全要求的同时，还要满足船体运动的要求，集成化和自动化程度更高。
2 滑环堆栈简介
滑环堆栈由一系列液滑环、中压电滑环、低压电滑环、公用系统滑环以及光纤滑环堆叠组成，是FPSO单点系泊转塔的重要组成部分，其负责在对地固定的系泊转塔与对地旋转的FPSO之间进行油气、电力、控制和通信传输，如图1所示。滑环外侧通过驱动臂及塔架与船体连接，对地旋转;滑环内侧与转塔结构连接，对地固定。滑环堆栈中心孔内布置有各种气液管线、电力、控制和通信电缆，空间非常紧凑，如图2所示。
3 中压电滑环配置方案对比
中压电滑环的选型首先需要明确电气参数、防护和防爆等级要求，电气参数包括电压等级、额定电流、短路容量、回路数，这些参数都会直接影响中压电滑环的结构配置、防爆型式、尺寸、重量和价格。
电压等级、额定电流、短路容量和回路数一般在整个油田电气系统设计时根据油田开采方式来确定。若为FPSO+井口平台开采方式，则其电压等级、额定电流、短路容量参数一般较高，回路数较少;若为FPSO+水下生产设施开采方式，则其电压等级、额定电流、短路容量参数一般较低，但回路数较多，具体由井口数决定。因FPSO单点系泊系统始终面向风、浪、流的方向，室外露天区域电气设备防护等级一般要求IP66，内部区域一般要求IP56。防爆型式根据危险区划分，中压电滑环一般与生产气、液滑环相邻布置，最低要求适用于1类危险区，温度等级T3，常用防爆型式为ExO和ExP。滑环中空内孔的大小与滑环堆栈的整体布置有关，主要由其与生产滑环的位置和生产管线大小决定，若位于生产滑环上方，则其载荷、尺寸和内孔都较小;若位于生产滑环下方，则其载荷、尺寸和内孔都会明显增大。
以中国南海某深水油田项目为例，该项目水深400 m左右，共有3个水下油田，新建一艘15万t级内转塔型单点系泊FPSO，连接3个水下油田生产设施共26口井，采用变频器驱动中压电潜泵开采，油田分布如图3所示。
中压电滑环输电需求为6.6 kV、200 A、5 kA RMS 3 s、28个三相回路，空气绝缘中压电滑环配置选型方案如表1所示。
方案1采用1组滑环设计，总体高度较高，外径、内孔径最大，重量比方案2和方案3重约1倍，对滑环堆栈结构有较大影响，目前全球还未生产过如此巨大的电滑环，造价最高;并且所有油田电潜泵回路位于同一组滑环中，可靠性最低，一旦滑环故障将导致3个油田停产。
方案2采用2组滑环设计，总体高度最低，外径、内孔径较小，重量较轻，造价最低;3个油田电潜泵回路合理布置在2组滑环中，当一组滑环故障时，可至少保证一个油田全部井口和一个油田部分井口正常生产，可靠性较高。
方案3采用3组滑环设计，总体高度最高，外径、内孔径最小，重量最轻，造价较低;3个油田电潜泵回路合理布置在独立的滑环中，互不影响，可靠性最高。
综合考虑3个中压电滑环配置方案的造价、高度、尺寸、重量和可靠性以及对其他滑环的布置和结构影响、对堆栈结构与单点结构的影响，方案2为最优配置。
4 结语
随着海洋石油开发逐步向深水海域迈进，固定式导管架平台已不能满足要求，且长距离铺设海管成本高昂，单点系泊FPSO配合多井口水下生产设施的开发方式将成为一种发展趋势，在越来越多的深海油气田中被应用。单点系泊系统中最重要和最昂贵的系统就是滑环堆栈，它是整个开采项目中的咽喉，需要对其进行合理的选型和配置，才能保证水下生产设施的供电和油气的传输。在多通道的中压供电需求下，需要综合考虑中压电滑环的配置方案，从造价、高度、尺寸、重量和可靠性等多个维度去对比分析，最终确定适合具体项目的最优方案。
收稿日期：2021-05-18
作者简介：田志强（1986—），男，重庆人，高级工程师，研究方向：海上油气设施电气系统设计。
关键词：FPSO;单点;滑环堆栈;中压电滑环;配置方案
0 引言
隨着我国海洋油气开发工程逐步朝深海、远海方向发展，常规开采模式需要铺设的油气管线越来越长，导致成本越来越高，风险也越来越大，而FPSO+水下生产系统的开采方式正是解决这一难题最有效的途径。单点系泊的FPSO可以围绕转塔在风、波、流的作用下360°旋转，实现最小的环境载荷。滑环堆栈是FPSO单点系泊转塔的重要组成部分，也是最昂贵的系统，其负责在对地固定的系泊转塔与对地旋转的FPSO船体之间进行油气、电力、控制和通信传输。中压电滑环的选型配置不仅会影响其他生产、公用滑环的布置，还将影响滑环堆栈的整体布置和结构设计，进而影响整个单点系泊转塔系统及FPSO的结构设计。
1 FPSO简介
FPSO全称为Floating Production Storage and Offloading，是集浮式生产、存储、卸载功能于一体的油轮，具备对原油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原油产品的储存和运输功能，是一种海上综合性的大型油气处理工厂。
FPSO主要系统包括系泊系统、水下系统、船体系统和上部模块系统。
（1）系泊系统是影响FPSO安全性、决定适应海况的关键组成部分，也是FPSO最昂贵的系统。其主要可分为3种系泊方式：单点系泊系统、多点系泊系统和动力定位系统。其中单点系泊系统是指锚链系统与船体只有一个连接点，具有明显的风向标效应，能保证FPSO的方位始终处在系泊力最小的方向上，适用于海况恶劣的深水海域。
（2）水下系统由水下采油树、海底管汇、管缆等组成。由脐带缆为水下生产系统提供动力和控制，各井口采油树的油气汇集到中心管汇，然后通过立管系统输送到FPSO上。
（3）船体系统主要用于承载上部模块、储油和外输，处理合格后的原油储存在船舱中各个独立的油舱，满载后通过外输系统将原油输送给穿梭油轮。
（4）上部模块系统与常规油气平台处理系统类似，主要包括油气水分离系统、计量系统、生产水处理系统和火炬系统等，但布置得更加紧凑，在保证满足更加严格的工艺流程安全要求的同时，还要满足船体运动的要求，集成化和自动化程度更高。
2 滑环堆栈简介
滑环堆栈由一系列液滑环、中压电滑环、低压电滑环、公用系统滑环以及光纤滑环堆叠组成，是FPSO单点系泊转塔的重要组成部分，其负责在对地固定的系泊转塔与对地旋转的FPSO之间进行油气、电力、控制和通信传输，如图1所示。滑环外侧通过驱动臂及塔架与船体连接，对地旋转;滑环内侧与转塔结构连接，对地固定。滑环堆栈中心孔内布置有各种气液管线、电力、控制和通信电缆，空间非常紧凑，如图2所示。
3 中压电滑环配置方案对比
中压电滑环的选型首先需要明确电气参数、防护和防爆等级要求，电气参数包括电压等级、额定电流、短路容量、回路数，这些参数都会直接影响中压电滑环的结构配置、防爆型式、尺寸、重量和价格。
电压等级、额定电流、短路容量和回路数一般在整个油田电气系统设计时根据油田开采方式来确定。若为FPSO+井口平台开采方式，则其电压等级、额定电流、短路容量参数一般较高，回路数较少;若为FPSO+水下生产设施开采方式，则其电压等级、额定电流、短路容量参数一般较低，但回路数较多，具体由井口数决定。因FPSO单点系泊系统始终面向风、浪、流的方向，室外露天区域电气设备防护等级一般要求IP66，内部区域一般要求IP56。防爆型式根据危险区划分，中压电滑环一般与生产气、液滑环相邻布置，最低要求适用于1类危险区，温度等级T3，常用防爆型式为ExO和ExP。滑环中空内孔的大小与滑环堆栈的整体布置有关，主要由其与生产滑环的位置和生产管线大小决定，若位于生产滑环上方，则其载荷、尺寸和内孔都较小;若位于生产滑环下方，则其载荷、尺寸和内孔都会明显增大。
以中国南海某深水油田项目为例，该项目水深400 m左右，共有3个水下油田，新建一艘15万t级内转塔型单点系泊FPSO，连接3个水下油田生产设施共26口井，采用变频器驱动中压电潜泵开采，油田分布如图3所示。
中压电滑环输电需求为6.6 kV、200 A、5 kA RMS 3 s、28个三相回路，空气绝缘中压电滑环配置选型方案如表1所示。
方案1采用1组滑环设计，总体高度较高，外径、内孔径最大，重量比方案2和方案3重约1倍，对滑环堆栈结构有较大影响，目前全球还未生产过如此巨大的电滑环，造价最高;并且所有油田电潜泵回路位于同一组滑环中，可靠性最低，一旦滑环故障将导致3个油田停产。
方案2采用2组滑环设计，总体高度最低，外径、内孔径较小，重量较轻，造价最低;3个油田电潜泵回路合理布置在2组滑环中，当一组滑环故障时，可至少保证一个油田全部井口和一个油田部分井口正常生产，可靠性较高。
方案3采用3组滑环设计，总体高度最高，外径、内孔径最小，重量最轻，造价较低;3个油田电潜泵回路合理布置在独立的滑环中，互不影响，可靠性最高。
综合考虑3个中压电滑环配置方案的造价、高度、尺寸、重量和可靠性以及对其他滑环的布置和结构影响、对堆栈结构与单点结构的影响，方案2为最优配置。
4 结语
随着海洋石油开发逐步向深水海域迈进，固定式导管架平台已不能满足要求，且长距离铺设海管成本高昂，单点系泊FPSO配合多井口水下生产设施的开发方式将成为一种发展趋势，在越来越多的深海油气田中被应用。单点系泊系统中最重要和最昂贵的系统就是滑环堆栈，它是整个开采项目中的咽喉，需要对其进行合理的选型和配置，才能保证水下生产设施的供电和油气的传输。在多通道的中压供电需求下，需要综合考虑中压电滑环的配置方案，从造价、高度、尺寸、重量和可靠性等多个维度去对比分析，最终确定适合具体项目的最优方案。
收稿日期：2021-05-18
作者简介：田志强（1986—），男，重庆人，高级工程师，研究方向：海上油气设施电气系统设计。