CN110472300B - 一种fpso核心生产模块布局优化方法 - Google Patents

Abstract

一种FPSO核心生产模块布局优化方法，将能完成特定功能的设备打包为一个模块处理；根据模块间的工艺联系以及维修条件，确定其针对相应船体的布局方案以及模块间的安全间距；对功能模块进行简化假设，建立目标函数以及模块间约束条件的数学模型，对数学模型进行求解，得出模块在甲板上的坐标位置；该方法有效提高海上油气生产平台稳定性及空间利用率、提高油气水处理效率、降低成本、以及维修或加装其他模块的方便性，更高效率的对海上油气生产平台设备进行优化布局，有效地解决了海上油气生产平台设备优化布局问题，简化了布局过程，为整套海上油气生产平台优化布局设计提供理论依据。

Description

一种FPSO核心生产模块布局优化方法

技术领域

本发明属于海上原油开采及处理技术领域，尤其涉及一种FPSO核心生产模块布局优化方法。

背景技术

针对施工中工期、场地等资源限制，目前在海洋石油平台建造过程中，越来越重视模块化建造技术的应用。模块化施工是一种先进的施工理念，它的先进性在于它大量引入了平行作业，在传统建造中需要同一地点依次完成的工作，现在可以多地点同时开展，从而大大缩短了工期。在传统的上部模块布局中，主要依靠工程人员的经验进行手动布局，根据生产工艺流程粗略估计中心进行布局的传统方法，存在着甲板空间利用率小、整体重心偏移、平台稳定性低等问题，通过占用多的甲板空间进行布局使成本大大增加。同时，FPSO的修建是根据要开发的油田和海况进行设计的，所以世界上没有两艘相同的FPSO,其上部模块也是根据油田的储油量和FPSO的存油量及日处理能力决定的，所以模块也不是标准化的，模块的尺寸和重量参数都是不一样的，所以依靠经验进行布局有一定的困难。

发明内容

针对上述的技术缺陷，本发明提供一种FPSO核心生产模块布局优化方法，通过对上部模块工艺流程的分析，考虑到模块的维修间距和安全间距以及其他海洋平台建造的注意事项，建立一套上部模块在甲板上布局的数学模型，有效地解决了海上油气生产平台设备优化布局问题，简化了布局过程，为海上油气生产平台优化布局设计提供理论依据，对海上油气生产平台现场优化布局规划具有重要的指导意义。

一种FPSO核心生产模块布局优化方法，采用的技术方案是：

（1）对FPSO生产工艺流程进行分析，将能完成特定功能的设备打包为一个模块处理；

（2）对模块本身以及模块间可能存在的危险进行分析，通过研究模块的布置方案、模块间的影响、模块间的工艺联系以及维修条件，确定其针对相应船体的布局方案以及模块间的安全间距；

（3）对功能模块进行简化假设；

（4）按照核心模块的生产工艺流程和模块间的布局约束条件，建立目标函数以及模块间约束条件的数学模型，以约束条件为基准，围绕海上油气生产平台生产处理油气水的工艺流程，实现设备的优化布置；

（5）对数学模型进行求解，得出模块在甲板上的坐标位置。

一种FPSO核心生产模块布局优化方法，对目前海上油气生产平台设备布局易发生重大危险问题及为了提高海上油气生产平台稳定性及空间利用率、提高油气水处理效率、降低成本、以及维修或加装其他模块的方便性，更高效率的对海上油气生产平台设备进行优化布局，提供一种优化方法，有效地解决了海上油气生产平台设备优化布局问题，简化了布局过程，为整套海上油气生产平台优化布局设计提供理论依据，对海上油气生产平台现场优化布局规划具有重要的指导意义。

附图说明

图1是本发明提供的一种海上油气生产平台设备布局优化方法的流程图；

图2是本发明提供的一种海上油气生产平台设备布局优化方法的待布物横竖状态图；

图3是本发明提供的一种海上油气生产平台设备布局优化方法最终模块示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1和图3所示，一种海上油气生产平台设备布局优化方法，包括以下步骤 ：

（1）将能完成特定功能的部分打包为一个模块处理，在划分模块中，对海上油气生产平台设备进行功能划分，海上油气生产工艺流程核心模块包括：生产分离模块、天然气压缩模块、三甘醇天然气脱水模块、注水模块、化学注入模块、天然气安脱硫模块、二氧化碳注入模块、井口管汇模块、火炬塔分离罐模块、闭式/开式排放模块、火炬塔模块、外输模块，主管廊模块。

（2）核心生产模块应与其他辅助模块保持安全距离，在不设置防火墙的情况下，核心生产模块应与其他辅助模块保持6米以上的安全间距，同时为方便模块的维修以及在出现事故时人员便于疏散，核心生产模块间的间距应设置为2米。根据生产工艺流程，确定核心生产模块间的位置关系，在船艏指向船艉的方向上，海底来油先进入生产分离模块，天然气压缩模块与生产分离模块相邻，三甘醇天然气脱水模块与天然气压缩模块相邻，天然气安脱硫模块与三甘醇天然气脱水模块相邻，注水模块、化学注入模块与天然气安脱硫模块相邻，井口管汇模块与化学注入模块相邻并位于靠近甲板边缘位置，二氧化碳注入模块与井口管汇模块相邻，火炬塔分离罐模块处于二氧化碳注入模块和井口管汇模块的后面，闭式/开式排放模块应与火炬塔分离罐模块相邻，火炬塔模块应与火炬塔分离罐模块相邻且在其后边，外输模块位于甲板的最后方。其中主管廊应横向布置在甲板宽边的三分之一到三分之二的区域，上述的核心生产模块分布在主管廊模块的两边。

（3）对功能模块进行合理的简化假设，需要布置n个模块

，需要布置的模块与设施成为待布物，要求将n个待布物最优的配置在甲板上，总体布置要求满足：①甲板和待布物视为质量均匀的矩形，各自边长己知；②将模块简化，将模块看作被包装的长方体块；③各待布物的中心线与甲板的中心线平行；④假定模块的重心在长方体块的中心，布局是对待布物的正交布局，在平面直角坐标系

中，第

个矩形的位置可用

表示，

表示待布物的质心坐标，

表示待布物的横、坚，横、坚定义为：如果待布物的长边

与轴

平行，宽边

与轴

平行，则物体的布局状态为“横”，记

；反之记

；⑤各模块间不能重叠；⑥待布物不能超出甲板边界；⑦质心偏量小于许用值；⑧满足其他功能约束条件。在功能模块简化模块中，添加、修改、删除海上油气生产平台设备功能模块的尺寸、数量、重量等信息，为方便建立精简的数学模型，在添加简化模块的尺寸信息时，程序将为各简化后模块按照安全间距给简化后模块的长和宽增加一定的尺寸，生成新的最终模块尺寸。

（4）围绕海上油气生产平台生产处理油气水的工艺流程实现设备的优化布置，建立海上油气生产平台设备优化布局目标函数，优化目标包括：减小占有甲板面积，提高甲板使用率；减小质心偏量，提高平台稳定性，建立目标函数如下：

1.

为总目标函数，

为各分目标的权重系数，

为占用的总面积，为x方向和y方向最大占甲板长度的乘积，

为所有模块的质心偏量，可用式

表示，

分别是各模块的质量，质心横坐标，质心纵坐标；

⒉布局约束条件

，所有物体必须布置在甲板上，且不超过甲板边界：

局约束条件

，待布物之间不相互干涉：

⒋布局约束条件

，生产分离模块最终模块的布局范围，

为生产分离模块最终模块的形心横坐标，

分别为生产分离模块最终模块的长和宽：

⒌布局约束条件

，为天然气压缩模块最终模块布局范围，

为天然气压缩模块最终模块的形心横坐标，

分别为生产分离模块最终模块的长度和天然气压缩模块最终模块的长度：

⒍布局约束条件

，三甘醇天然气脱水模块最终模块的布局范围，

为三甘醇天然气脱水模块最终模块的形心横坐标，

分别为三甘醇天然气脱水模块最终模块的长度和天然气压缩模块最终模块的长度：

⒎布局约束条件

，天然气胺脱硫模块最终模块的布局范围，

为天然气胺脱硫模块最终模块的形心横坐标，

为天然气胺脱硫模块最终模块的长度：

⒏布局约束条件

，注水模块最终模块的布局范围，

为注水模块最终模块的形心横坐标，

为注水模块最终模块的长度：

⒐布局约束条件

，化学注入模块最终模块的布局范围，

为化学注入模块最终模块的形心横坐标，

为化学注入模块最终模块的长度：

⒑布局约束条件

，井口管汇模块最终模块的布局范围，

分别为井口管汇模块最终模块的形心横坐标和形心纵坐标，

为井口管汇模块最终模块的长度：

⒒布局约束条件

，二氧化碳注入模块最终模块的布局范围，

为二氧化碳注入模块最终模块的形心横坐标，

为二氧化碳注入模块最终模块的长度：

⒓布局约束条件

，闭式/开式排放模块最终模块的布局范围，

为闭式/开式排放模块最终模块的形心横坐标，

为闭式/开式排放模块最终模块的长度：

⒔布局约束条件

，火炬塔分离罐模块最终模块的布局范围，

为火炬塔分离罐模块最终模块的形心横坐标，

为火炬塔分离罐模块最终模块的长度：

⒕布局约束条件

，外输模块最终模块的布局范围，

为外输模块最终模块的形心横坐标，

为所有模块最终模块形心横坐标的最大值：

⒖布局约束条件

，火炬塔模块最终模块的布局范围，

为火炬塔模块最终模块的形心横坐标，

分别为火炬塔模块最终模块的宽度和外输模块最终模块的宽度：

⒗布局约束条件

，主管廊的布局范围，

分别为主管廊最终模块的形心横坐标和形心纵坐标，

为主管廊最终模块的长度：

。

（5）使用智能优化算法，对（4）中所述数学模型进行求解，智能优化算法包括：改进的粒子蚁群算法、改进的遗传模拟退火算法、改进的模拟退火粒子群算法、改进的模拟退火蚁群算法、改进的自适应遗传模拟退火算法、改进的白适应粒子群算法和改进的自适应蚁群算法等。此处采用模拟退火算法进行求解：

①生产初始解，首先根据约束条件，随机生成一个解作为初始解，也可自己按照约束条件输入一个正确解，这样可以有利于寻找最优解；

②设置退火参数，包括初始温度t，终止温度tf，退火系数a；

③新解产生方法，产生新解的方式应尽量在符合约束的条件内产生，这样可以减少不必要的迭代，节约计算时间；

④代价函数差，将当前解与新解作比较；

⑤接受准则，计算

，若

，则接受，

为新的状态，否则以概率

接受

，其中

为波尔兹曼常数；具体做法是产生0到1之间的随机数

，若

则接受

，否则拒绝

，系统仍停留在状态

；每次以概率接受新解时，对之前的一个解进行保存，防止最优解的丢失；

⑥退火降温过程，在某个温度下迭代完设定的次数后，温度按照t=t*a下降并重复③~⑤过程，直到温度t达到给定值，迭代结束。

通过以上步骤计算机可计算出各模块的形心坐标以及横竖摆放状态的数据，同时根据需要可利用其它软件显示布局结果。

重复上述计算，获得不同优化布局方案。

结合现场实际需要，人工选取最优布局方案。

Claims (2)

1.一种FPSO核心生产模块布局优化方法，其特征在于：采用的技术方案是：

(1)对FPSO生产工艺流程进行分析，将能完成特定功能的设备打包为一个模块处理；

(2)对模块本身以及模块间可能存在的危险进行分析，通过研究模块的布置方案、模块间的影响、模块间的工艺联系以及维修条件，确定其针对相应船体的布局方案以及模块间的安全间距；

(3)对功能模块进行简化假设；

(4)按照核心模块的生产工艺流程和模块间的布局约束条件，建立目标函数以及模块间约束条件的数学模型，以约束条件为基准，围绕海上油气生产平台生产处理油气水的工艺流程，实现设备的优化布置；

(5)对数学模型进行求解，得出模块在甲板上的坐标位置；

需要布置n个模块F_i，需要布置的模块与设施成为待布物，要求将n个待布物最优的配置在甲板上，总体布置要求满足：①甲板和待布物视为质量均匀的矩形，各自边长己知；②将模块简化，将模块看作被包装的长方体块；③各待布物的中心线与甲板的中心线平行；④假定模块的重心在长方体块的中心，布局是对待布物的正交布局，在平面直角坐标系x-o-y中，第i个矩形的位置可用(x_i，y_i，v_i)表示，表示x_i，y_i待布物的质心坐标，v_i表示待布物的横、坚，横、坚定义为：如果待布物的长边l_i与轴x平行，宽边w_i与轴y平行，则物体的布局状态为“横”，记v_i＝0；反之记v_i＝1；⑤各模块间不能重叠；⑥待布物不能超出甲板边界；⑦质心偏量小于许用值；⑧满足其他功能约束条件；步骤(4)具体为：优化目标包括：减小占有甲板面积，提高甲板使用率；减小质心偏量，提高平台稳定性，建立目标函数如下：

MinF(x)＝w₁f_s(x)+w₂f_center(x)

MinF(x)＝w₁f_s(x)+w₂f_center(x)为总目标函数，w₁，w₂为各分目标的权重系数，f_s为占用的总面积，为x方向和y方向最大占甲板长度的乘积，f_center为所有模块的质心偏量，可用式

表示，m_i，x_i，y_i分别是各模块的质量，质心横坐标，质心纵坐标；

2.布局约束条件g₁(x)，所有物体必须布置在甲板上，且不超过甲板边界：

g₁(x)

或g₁(x)

局约束条件g₂(x)，待布物之间不相互干涉：

g₂(x)：

或g₂(x)：

或g₂(x)：

或g₂(x)：

4.布局约束条件g₃(x)，生产分离模块最终模块的布局范围，x_fl为生产分离模块最终模块的形心横坐标，l_fi，w_fl分别为生产分离模块最终模块的长和宽：

g₃(x)：

5.布局约束条件g₄(x)，为天然气压缩模块最终模块布局范围，x_ys为天然气压缩模块最终模块的形心横坐标，l_fl，l_ys分别为生产分离模块最终模块的长度和天然气压缩模块最终模块的长度：

g₄(x)：

6.布局约束条件g₅(x)，三甘醇天然气脱水模块最终模块的布局范围，x_ts为三甘醇天然气脱水模块最终模块的形心横坐标，l_ts，l_ys分别为三甘醇天然气脱水模块最终模块的长度和天然气压缩模块最终模块的长度：

g₅(x)：

7.布局约束条件g₆(x)，天然气胺脱硫模块最终模块的布局范围，x_ta为天然气胺脱硫模块最终模块的形心横坐标，l_ta为天然气胺脱硫模块最终模块的长度：

g₇(x)：

8.布局约束条件g₇(x)，注水模块最终模块的布局范围，x_zs为注水模块最终模块的形心横坐标，l_zs为注水模块最终模块的长度：

g₇(x)：

9.布局约束条件g₈(x)，化学注入模块最终模块的布局范围，x_hx为化学注入模块最终模块的形心横坐标，l_hx为化学注入模块最终模块的长度：

g₈(x)：

10.布局约束条件g₉(x)，井口管汇模块最终模块的布局范围，x_jk，y_jk分别为井口管汇模块最终模块的形心横坐标和形心纵坐标，l_jk为井口管汇模块最终模块的长度：

g₉(x)：

11.布局约束条件g₁₀(x)，二氧化碳注入模块最终模块的布局范围，

为二氧化碳注入模块最终模块的形心横坐标，

为二氧化碳注入模块最终模块的长度：

g₁₀(x)：

12.布局约束条件g₁₁(x)，闭式/开式排放模块最终模块的布局范围，x_pf为闭式/开式排放模块最终模块的形心横坐标，l_pf为闭式/开式排放模块最终模块的长度：

g₁₁(x)：

13.布局约束条件g₁₂(x)，火炬塔分离罐模块最终模块的布局范围，x_hjg为火炬塔分离罐模块最终模块的形心横坐标，l_hjg为火炬塔分离罐模块最终模块的长度：

g₁₂(x)：

14.布局约束条件g₁₃(x)，外输模块最终模块的布局范围，x_ws为外输模块最终模块的形心横坐标，max＝(x₁，x₂，x₃，…x_n)为所有模块最终模块形心横坐标的最大值：

g₁₃(x)：x_ws＝max{x₁，x₂，x₃，…x_n}

15.布局约束条件g₁₄(x)，火炬塔模块最终模块的布局范围，x_hjt为火炬塔模块最终模块的形心横坐标，w_hjt，w_ws分别为火炬塔模块最终模块的宽度和外输模块最终模块的宽度：

g₁₄(x)：

16.布局约束条件g₁₅(x)，主管廊的布局范围，x_gl，y_gl分别为主管廊最终模块的形心横坐标和形心纵坐标，l_gl为主管廊最终模块的长度：

g₁₅(x)：

。

2.根据权利要求1所述一种FPSO核心生产模块布局优化方法，其特征在于：步骤(5)中采用模拟退火算法进行求解：

①生产初始解，首先根据约束条件，随机生成一个解作为初始解，也可自已按照约束条件输入一个正确解，这样可以有利于寻找最优解；

②设置退火参数，包括初始温度t，终止温度tf，退火系数a；

③新解产生方法，产生新解的方式应尽量在符合约束的条件内产生，这样可以减少不必要的迭代，节约计算时间；

④代价函数差，将当前解与新解作比较；

⑤接受准则，计算ΔE＝E(x′)-E(x)，若ΔE＜0，则接受，x′为新的状态，否则以概率P＝exp(-ΔE/(kT))接受x′，其中k为波尔兹曼常数；具体做法是产生0到1之间的随机数a，若P＞a则接受x′，否则拒绝x′，系统仍停留在状态x；每次以概率接受新解时，对之前的一个解进行保存，防止最优解的丢失；

⑥退火降温过程，在某个温度下迭代完设定的次数后，温度按照t＝t*a下降并重复③～⑤过程，直到温度t达到给定值，迭代结束。

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