深水SEMI-FPS总体设计关键技术研究课题
为保证我国能源战略的顺利实施，推动船舶工业“转型升级”，实现我国成为世界造船强国的战略目标，工信部2012年11月启动了“深水SEMI-FPS总体设计关键技术研究”项目，开展深海SEMI-FPS总体设计关键技术研究，进而紧密结合我国南海海域自然环境条件和油气资源开发需求，开发出深海SEMI-FPS设计方案。
项目研究目的是通过开展SEMI-FPS总体设计关键技术研究，突破平台总体性能、结构性能、上部采油及生产作业流程、定位系统、立管系统等总体设计关键技术，形成深海SEMI-FPS自主开发设计能力，为实现国内设计制造深海SEMI-FPS奠定工程技术基础。
项目由中国船舶及海洋工程设计研究院牵头，上海外高桥造船有限公司、上海交通大学、中国石油大学（华东）、中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司和中国船级社联合参加，“产、学、研、用”紧密联合，充分发挥了各自在“十五”“十一五”期间取得的科研成果，为该项目的顺利完成奠定了坚实的基础。
项目按照“关键技术取得突破，研究成果拓展应用”的总体思路，借鉴世界深海SEMI-FPS发展趋势和主流型式，着眼我国南海油气资源开发背景和前景，并结合国际市场应用情况，在关键技术攻关突破的基础上，分阶段实施深海SEMI-FPS的研发。该项目研究分为“深海SEMI-FPS总体设计关键技术研究”和“目标生产平台开发设计”两个方面开展。首先，以深海SEMI-FPS为研究对象，在消化吸收国外深海SEMI-FPS设计方案的基础上，开展深海SEMI-FPS总体设计关键技术研究，取得了总体设计关键技术的突破；其次，结合我国南海油气资源开发预测前景，开展了8万吨级排水量SEMI-FPS总体方案论证，完成了具有自主知识产权的8万吨级深海SEMI-FPS开发和基本设计，设计图纸文件通过了中国船级社和美国船级社审查认可。最后，结合该项目研究期间南海油气资源最新勘探和区域发现情况，又完成了具有自主知识产权的4万吨级深海SEMI-FPS开发和概念设计，设计图纸文件通过了法国船级社（Bureau Veritas，BV）审查认可。
通过开展SEMI-FPS总体设计关键技术研究，突破平台总体性能、结构性能、上部采油及生产作业流程、定位系统、立管系统等总体设计关键技术，形成深海SEMI-FPS自主开发设计能力。在此基础上，紧密结合我国南海海域的自然环境条件，研究开发深海SEMI-FPS设计方案，其功能满足我国南海海域深海油气资源开发的需求（见表5-3）。
表5-3 项目技术指标
（一）取得的主要成果
1）SEMI-FPS总体设计技术
在充分调研国外成熟深海SEMI-FPS的基础上，研究了平台典型型式、主要功能、技术指标、设计基础、主尺度规划方法、上部模块有效荷载特点、水密完整性及稳性分析方法、平台总布置规划方法、平台安全环保设计及风险分析方法，形成了深海SEMI-FPS总体方案论证及设计方法和流程。
在此基础上，分别结合我国南海油气开发的未来和当前现实需求，完成了8万吨级和4万吨级排水量SEMI-FPS的开发设计，其中8万吨级深海SEMI-FPS基本设计的相关图纸文件通过了中国船级社和美国船级社审查认可，4万吨级深海SEMI-FPS概念设计的相关图纸文件通过了法国船级社审查认可。
2）SEMI-FPS水动力性能数值分析技术
该项目开展了SEMI-FPS运动性能分析理论研究，包括三维频域零航速理论、非线性时域分析理论、锚泊系统／立管耦合分析方法等，进而指出深海SEMI-FPS运动性能分析的耦合及非线性特点。针对目标平台自由漂浮状态进行了一阶频域、二阶时域以及考虑系泊系统和立管耦合的时域计算，并与模型试验进行了比较研究，得出了深海SEMI-FPS运动性能影响因素，提出了在平台不同设计阶段运动性能预报方法的建议。
针对深海半潜式平台波浪爬升、气隙响应以及涡激运动等复杂水动力问题开展了科研攻关，确定了考虑完全非线性特征的研究方法和手段，建立了数值预报的理论模型。
在波浪爬升、气隙性能研究中，重点研究了数值波浪水池的构建、平台立柱的波浪爬升效应的内在机理，并获得了散射参数、波陡参数以及倒角率的变化对立柱波浪爬升幅度影响的拟合曲线，对平台立柱的选型设计提供了重要参考。基于上述研究成果，深入开展了半潜式平台的气隙响应研究，建立了适用于研究浮式平台与波浪相互作用的气隙响应模型，解决了“既能较好地适应平台运动，又确保平台周围和自由液面处的流场能精确模拟”的关键技术，研究了平台下甲板处气隙响应的分布特点，为平台设计提供了重要参考。
在涡激运动性能研究中，基于数值模拟和模型试验相结合的方法，系统研究了深吃水半潜式平台的涡激响应特征。对涡激运动的机理性、参数敏感性以及三维特征进行了深入研究，并成功提出了一种能够抑制涡激运动响应的平台主体形式，采用模型试验方法对涡激运动的改善方案进行了验证，为提出性能优良的半潜式平台方案奠定了基础。
3）SEMI-FPS结构设计与分析技术
该项目形成的深海SEMI-FPS结构设计方案，填补了国内在该领域的技术空白。该项目在国内首次研究并突破了桁架式上部模块结构参与半潜式平台总强度的设计分析方法，突破了上部模块海上安装分析技术；首次应用优化软件形成了工程化的平台浮体结构参数化建模与构件尺寸数值优化设计方法，取得了可观的优化效果；首次应用数值分析方法，完成了开敞桁架式上部模块结构振动与噪声评估。
4）SEMI-FPS系泊定位系统设计与分析技术
针对超深水系泊定位系统的主要难点和关键技术，研究总结出一整套适用于“深海SEMI-FPS系泊定位分析”的理论和方法，并对深海SEMI-FPS的定位方案开展论证筛选，系统分析了目标平台系泊定位系统的极限强度和疲劳寿命，通过不断修正和优化锚索的相关参数，确定了最终的系泊布置方案和锚索参数。基于上述研究成果，完成平台永久系泊定位系统的配置，并制订了海上安装技术方案。
针对SEMI-FPS立管配置众多的特点，该项目建立了平台、系泊系统和立管系统的数值模型，从立管系统的刚度、附加重量和拖曳载荷等方面出发，深入分析了其对平台的偏移和系泊缆顶端张力影响。基于上述研究成果，该项目提出了“在对诸如SEMI-FPS这种拥有多立管系统的生产装置开展系泊系统设计时，必须考虑立管系统的作用”结论，研究方法和结论对该类平台的系泊定位设计提供了重要的思路。
该项目总结各规范关于系泊系统疲劳的理论和标准，获得针对SEMIFPS系泊系统疲劳寿命的分析方法和流程。该项目采用分块法将波浪散布图离散成若干个随机波浪的组合，研究了各种疲劳计算方法的相关参数对疲劳损伤的影响，分析不同环境组合条件下，波频、低频系泊张力的标准差和过零周期，通过一系列的研究计算，获得锚索不同位置处的疲劳寿命特性。
对于采用半张紧式永久系泊定位的目标生产平台，在进行系泊定位方案设计时要尽可能地考虑各设计参数间的关系，制订出定位性能最佳的系泊系统设计方案。通过建立系泊分析优化工作流，采用试验设计、单目标优化、多目标优化算法，针对平台漂移和锚索张力进行优化工作。获得了精确、高效的系泊定位系统优化方法，提高了现有系泊系统配置的定位性能。
5）SEMI-FPS立管设计与分析技术
结合SEMI-FPS的船型特点，对适用的立管类型及布置方式、立管分析技术以及立管研制技术要求开展了研究工作，形成了适用于SEMI-FPS的立管设计与分析技术，为平台立管的选型布置、设计分析奠定了技术基础。在此基础上，针对目标平台钢悬链立管系统，开展了立管强度与疲劳分析工作，特别是针对南海特有的内波环境条件，进行了立管强度校核与干涉分析，总结了目标平台立管系统的强度、疲劳特性。
6）SEMI-FPS水池模型试验技术
针对深海SEMI-FPS系统的混合模型试验方法问题，该项目提出了用于截断系统设计的四层筛选法，并自主开发了高效的数值计算和水深截断设计模块，能够解决复杂深水系泊与立管系统的截断问题。该方法通过逐层搜索最优解，多目标搜索效率高，可同时确保系统和单缆力学特性相似，且适用于链-缆-链复合型式系泊缆以及不同缆组成的非对称系泊系统，以及类似目标平台复杂非对称布置的立管系统。该项成果成功应用于目标平台系统水池模型试验，代表了目前国际上深海平台系统混合模型试验方法的最高水平。
7）深水油气田油气处理工艺流程设计技术
通过搜集南海已投产油气田的生产要素、总体开发方案等资料，结合国外类似排水量的SEMI-FPS资料，确定了目标油田生产要素。在此基础上，以经济、技术适应性为目标，选择适合目标平台的海上油田人工举升方式、原油外输方式和修井方式，确定了合理的油气水处理方法与流程。利用HYSYS软件对关键系统进行了工艺模拟优化，确定了设备操作参数，实现了油气生产效率高和产品重量好的目标。
8）SEMI-FPS油气生产系统布置优化技术(https://www.daowen.com)
该项目总结了复杂大系统理论、设备布置优化算法等布置方法，建立了平台生产系统布局理论、算法和布局流程，提出了基于遗传果蝇算法的改进算法。该项目归纳了平台生产系统布置约束条件及优化目标，建立了平台生产系统布置优化数学模型，形成了适用于深海SEMI-FPS油气生产系统的布置优化方法。利用MATLAB开发了平台生产系统布置优化软件，应用于目标平台生产系统的布置优化设计中，为实现平台油气生产系统布局设计的自动化、智能化奠定了基础。
9）SEMI-FPS大容量电网设计技术
SEMI-FPS的电站容量相当大，通过分析比对国内外工程经验，确定了合适的电压等级，分析了故障电容电流对电网接地系统的影响，研究了电网构架，满足安全可靠的原则。研究主开关各种综合保护的保护方案和参数，建立了各种保护之间的良好协调，并保证接地保护的性能。提出了与半潜式生产井平台电站相适应的谐波抑制方案，为目标平台方案论证及优化奠定了基础。
基于上述研究成果，形成了8万吨级和4万吨级SEMI-FPS方案。
（二）平台方案
1）8万吨级SEMI-FPS方案
8万吨级目标生产平台（见图5-21）主要是瞄准南海油气田未来的大规模开发，具有世界先进水平的总体技术形态、技术指标和参数。
目标生产平台作业于我国南海深海海域，同时具备在巴西、墨西哥湾等其他中等海况海域作业能力，主要功能为采油和油气生产处理，与水下生产系统、FSO共同构成完整的油气生产、储存系统。目标生产平台采用环形下浮体、四立柱、桁架式上部模块型式，具有一定的深吃水特征，具有优良的运动性能，满足油气生产作业要求。
目标生产平台服务油田水深为2 300米，井口数为22口，其中：生产井16口，注水井6口。立管数为柔性脐带缆22根，钢质悬链线立管（stell caterary riser，SCR）生产立管16根，SCR注水立管6根。外输油管2根，外输气管1根。
目标生产平台处理规模为：最大油处理量为200千桶／日，最大气处理量为180百万标准立方英尺[2]／日，最大生产水处理量为300千桶／日。
图5-21 8万吨级目标生产平台
目标生产平台配置了16点张紧式锚泊定位系统，配备了4台25兆瓦的燃气轮机发电机组，定员200人。目标生产平台主体结构、上部生产模块结构、主要设备及系统的设计寿命为30年。目标生产平台主体结构、上部生产模块桁架结构的疲劳寿命不低于30年。
目标生产平台按照CCS和ABS相关规范设计，并取得如下船级符号：①CCS：★CSA FPSO Column Stabilized；PM；HELDK；IWS。②ABS：
A1 Floating Production System（Column-Stabilized）；○P；HELIDK；UWILD。
8万吨级SEMI-FPS主要技术参数如表5-4所示。
表5-4 8万吨级SEMI-FPS主要技术参数
2）4万吨级SEMI-FPS方案
4万吨级目标生产平台（见图5-22）以我国南海陵水气田背景为需求，主要功能为天然气和凝析油处理，与水下生产系统、外输气管、外输凝析油管共同构成完整的油气生产、储存系统。目标生产平台采用环形下浮体、四立柱、桁架式上部模块型式，具有一定的深吃水特征，具有优良的运动性能。目标生产平台采用了改善涡激运动性能的创新结构型式，立柱的横截面形状为梯形，短底边朝向平台内侧，长底边朝向平台外侧，4根立柱中两两相邻的立柱呈“八”字对称排列，具有优良的涡激运动性能。
图5-22 4万吨级目标生产平台
目标生产平台服务油田水深为2 000米，生产井口数为18口，采用水下生产管汇形式，设置SCR生产立管5根、乙二醇（mono ethylene glycol，MEG）立管1根、外输气管1根、外输凝析油管1根、柔性脐带缆2根。
目标生产平台处理规模为：最大气处理量为1 370×104立方米／日，最大凝析油处理量为650立方米／日，最大生产水处理量为750立方米／日。
目标生产平台配置了16点张紧式锚泊定位系统，定员160人。目标生产平台主体结构、上部生产模块结构、主要设备及系统的设计寿命为30年。
4万吨级目标生产平台主要技术参数如表5-5所示。
表5-5 4万吨级目标生产平台主要技术参数
（续表）
SEMI-FPS课题所取得的成果，通过了有关部委的审核验收，表示我国已经完全具备配合深海油气开发进程迅速投入工程设计建造的能力，充分展示出我国由部委顶层设计，各方各自发挥技术特点，通力合作的制度优势。
