石油圈
Aker Solution透露无人FPSO概念设计新细节。
编辑 | 大安
FPSO，可谓海工界的“高富帅”，其结构及工艺十分复杂，造价昂贵。因此其拥有者不是财大气粗的油公司就是服务于油公司的FPSO服务公司。近几年，随着自动化、无人机、数字孪生等新兴技术的发展，无人FPSO的概念越来越受到业界的青睐。目前国际上FPSO领军公司Aker Solution也只能实现某些模块自动化、无人化操作，要想实现真正的无人FPSO，还有很远的路要走。还有很多细节值得我们探讨、精益设计。
1、什么是传统FPSO和无人FPSO？
FPSO（Floating Production Storage and Offloading）浮式生产储油卸油船，它兼有生产、储油和卸油功能，油气生产装置系统复杂程度和价格远远高出同吨位油船，FPSO装置作为海洋油气开发系统的组成部分，一般与水下采油装置和穿梭油船组成一套完整的生产系统，是目前海洋工程船舶中的高技术产品。
传统FPSO需要一直有人在船上操作以及执行任务。假设一艘FPSO上有60名船员，每年就的有约260000个海上工时（每年365天，每天12个小时）。
无人FPSO是远程操作的，预计每年只有1-2人参与维护活动，每年的海上工时也就7000。要想实现从永久有人值班到无人值班的转变，将工作和任务转移到陆上，必须具备“海底思维模式”和一个超大型的数字处理系统。尤其是这种新型的“海底思维模式”，不能将传统FPSO作为设计模板，而是在一张白纸上重新设计，其中每添加一个系统都要证明其合理性，即追求“精益设计”。
2、为什么要研发无人FPSO？
无人FPSO不仅是技术发展的趋势，更是人类从经济效益、安全环保方面出发而想出的有效手段。
从经济性角度看，据估算Aker Solution的无人FPSO建造成本约为18亿美元，比具有类似能力的传统FPSO低10%左右。不过后期的运营成本会节约很多，研究发现无人FPSO的运营费用将减少25-30%。
从安全角度看，无人FPSO上的设备采用全电动，所有电动机都是电动的，加热是电动的，阀门也是电动的，等等。所有的数据采集工作均由传感器、无人机等实施，尽量减少人为干预，降低人员风险。
从环保角度来看，无人FPSO上没有发电设备，电力都将从海岸通过电缆输入，电源采用高压交流电。这样的话预计每年会减少约24万吨的二氧化碳排放，不过要确保陆上输送的电是绿色的，比如来自水力发电、风力发电或太阳能发电等环保方式。
3、无人FPSO的概念设计
无人FPSO的理想状态就是设备的控制以及操作均在陆上进行。海上和陆上之间通过光纤电缆传输数据，卫星作为备份解决方案。一年进行1-2次的维修，维修工作将由配套有人员住宿设施的SOV支持，往返SOV的桥梁将是往返设施的主要通道。因此无人FPSO上既没有住宿设施，也没有直升机甲板。
数字孪生是无人FPSO概念设计的关键。数字孪生是一个数据模型，具有一套相应的应用程序，通过一个统一的数据平台访问所有相关的资产数据。其目标是优化跨数据源和资产生命周期阶段的数据利用。随着资产在其生命周期中的进展，实施数据将被链接并存储，典型数据有来自设施中传感器/仪器的数据，无人扫描等，用于操作、规划和优化的应用程序可以读取所有相关数据。这种获取数据（工程数据、更新的完整性数据和实时在线数据）的方式在监视/监控、生产优化、测试活动、资产完整性管理和分析、干预计划的启停、供应链管理、应急响应等方面都已有应用。
此外无人机、履带爬行器以及其他类型的机器人也将是无人FPSO概念设计的重要支持。这些设备可用于监测和检查，从而降低人员风险。
所有这些数字化操作通常均由陆上中央控制室进行管理，基于云的解决方案和相关的网络安全规则，不同地点的专家和供应商将有不同的权限访问这些数据。
顶部布局
顶部的布局基于一个平面顶部单层甲板的设计，这就要求简化设备安装，因此平台布局采用功能平摊型，如果某设备发生故障，可以很容易的移除替换。当然设备的位置由MTBF决定，需要频繁更换的设备放置在外部边缘区域。功能区由中央管架提供服务，这与传统FPSO相似。在左舷和右舷均配备免维护通道，方便设备的拆卸，也方便将替换设备直接吊到此区域。
对于大型装备模块的拆除，预计使用传统的水下干预船，水下干预船的最大承重可达600吨，远远高于无人FPSO上的最大设备模块（200吨）的重量。
船体设计
相对于传统的船舶工业设计，无人FPSO的船体设计主要针对资本支出进行了优化，通过简化结构形状、结构细节以及固有的海事和实用功能来实现。将所有非必要的功能提升到上层甲板，在那里设备和管道更容易维护和检查。除了优化船体结构降低运营成本外，子结构中的体积也被释放出来，以便于利用它来存储和改善浮力以及整体结构弯矩。
转塔。对于恶劣的天气FPSO设计，在纵向放置炮塔时，应考虑船体的自然风向响应，以平衡并减轻不必要的摆尾或过度的侧倾运动，因为这会影响恶劣天气状态下或非航行状态下的卸载规律和分离器效率。用于航向控制的隧道推进器适用于大多数恶劣天气的应用。此外FPSO的外部电源将通过基于交流电源的电气旋转设计来实现。
船体系统。与传统FPSO设计相比，需要安装在船体上的系统中，只保留压载泵和舱底泵。这些系统中的泵是可接近并且可从上面伸缩的，是线轴或堆栈类型，以允许在有限的空间中进行最小的干预。船体系统的环形管、分支、喷射器和与这些系统相关的任何阀门仍然位于船体内，并可通过远程控制设备进行检查。所有其他系统将被分开安装，有利于检查和维护。对于货物储存部分，除了使用卸货泵外，还利用舱壁阀来简化装卸过程中的被动调整和最少的压载操作。常规的惰性气体覆盖设备由于需要太多的人工干预和维护，并不适合无人FPSO。
卸载。对于无人FPSO的卸载设计，由两类概念。一种是串联系泊原则，将邮轮系泊到FPSO船尾，同时进行卸载。另一种是大多数固定海上装置上使用的卸载浮筒类型，石油输出管线tong过炮塔到一个相邻的系泊浮筒，穿梭邮轮连接到该浮筒。考虑成本的话，首选串联系泊卸载方式，即使用动态定位系统代替FPSO的物理系泊。
设计安全
无人FPSO应设有量身定制的安全屏障，以适应其计划操作和维护理念。一般来说，为了减少维护需求，被动屏障（如防火墙）比主动屏障（如消防水系统）更受青睐。与传统FPSO相比，无人FPSO的目标是简化的安全系统设计和最低的维护需求，这些目标与现行的标准及法规没有冲突，但是由于目前的标准、指导方针等没有针对无人驾驶相关的设计方案，安全系统可能得不到相关部门的批准，尤其是与消防相关的系统，因为没有先例，此项目很可能被相关监管部门认为风险项目而得不到授权。
对于无人FPSO来说，还有一个重要的安全和环境屏障那就是布局。布局设计的主要特点之一是分离潜在的点火源和泄漏源。将主要电气设备位于装有氮气的容器中。此外单层甲板和矩形形状的设计造成了良好的通风环境，很容易引起爆炸。设计中建议使用带电镀的处理甲板，以保护货舱免受掉落物的伤害，并防止火灾升级到货舱。
因为无人FPSO需要更加坚固耐用，因此选择材料至关重要。建议尽可能选择用于管道和设备的耐腐蚀合金（CRA）。但是对于主要的碳钢结构以及大型设备，使用CRA将非常昂贵，因此可以使用涂层材料，例如热喷涂铝（TSA）。对于设备撬、电缆桥架和舾装钢，建议广泛使用耐腐蚀材料（不锈钢或铝）。螺栓和管道支架可以使用CRA。
最后，在计划维护期间，对主过程会进行关闭并减压。有利于提高人员安全性。
操作和维护
无人FPSO的宗旨就是减少海上工时，首先是通过设计来优化，然后考虑使用传感器、机器人以及新材料、新技术代替。
全船视觉检查可由配备摄像头/传感器的大型无人机与固定摄像头结合执行。对于特殊需求，自主和远程控制的机器人，包括履带和无人机都可以进行近距离检查、测量。对于关键的防爆设备，主要通过传感器进行监视。对于现场仪器，要具备自动校准功能，确保控制好采集样品的过程和质量。如测量仪器，若不经校准，会有不安全的产品。
对于应急响应，由陆上中央控制室负责，船上并没有消防团队，不过可以采用机器人技术作为应急的备选方案。
4、传统FPSO与无人FPSO对比
资本支出
据Aker Solution的估算，无人FPSO的成本约为18亿美元——比具有类似能力的传统FPSO低10%左右。考虑到无人FPSO的上部重量只有传统FPSO的一半，所以资金节约程度看起来是相对较小的。 传统FPSO和无人FPSO资本支出PK。其中的价格是参照Aker Solution的2019年在挪威大陆架的价格估算。
运营支出
无人FPSO的资本节约主要体现在总体运营成本。据Aker Solution的研究发现无人FPSO的运营费用将减少25~30%。
海上作业人员成本降低是运营费用减少的主要原因。在传统FPSO上面，60人的工作团队，每天工作12小时，每年会产生约26万工时，而无人FPSO的目标是每年约产生7000工时，减少了37倍。
直升机运输费用每年也将节约数百万美元，同时简化了施工程序，消除了海上作业人员的一个重大安全隐患。因为数十年来已经有数十位石油工人因为直升机失事而失去生命。
人员成本加上估算的运营成本，无人FPSO的运营成本要比传统FPSO的低55%。不过无人FPSO的电力成本可能会高于海上发电的成本，虽然将发电厂移除可以减少约500吨的重量，但是从陆地输电成本也会很高。
收入/可用性
假设每年有16天的生产停机时间（14天的维护活动+2天的启停时间），那么FPSO的可用性超过95%，这与传统FPSO的可用性相似。不过最关键的还是要避免因故障而导致的计划外的生产停机时间，这就需要在设计中具有正确的冗余级别以及谨慎的陆上状态监测和维修故障时间预测来实现。
HSE
用直升机运送人员、将人员安置在危险区域附近或在危险区域工作都将有可能造成人员伤亡。但是对于无人FPSO来说，这些风险几乎为零。使人员的安全风险整体降低。
此外，无人FPSO也是朝着减少碳足迹向绿色环保方向迈出的正确一步。相比海上发电，陆上输电每年会减少约24万吨的二氧化碳排放，不过要确保陆上输送的电是绿色的，比如来自水力发电、风力发电或太阳能发电等环保方式。
5、结论
无人FPSO概念已经建立，这个概念建立在海底设计思维，以及数字化技术应用的基础上。总体来讲，与传统FPSO相比，无人FPSO的概念设计将改善经济性并且减少人员风险，而且这一概念对减少碳足迹非常有益。因此，无人FPSO不会只停留在概念设计阶段，随着技术的进步必将进入我们的石油生活。
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