FPSO发展及关键技术 - 图文

FPSO发展及关键技术初探

一、 FPSO概述及市场分析

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。

FPSO是对开采的石油进行油气分离、处理含油污水、动力发电、供热、原油产品的储存和运输，集人员居住与生产指挥系统于一体的综合性的大型海上石油生产基地。与其他形式石油生产平台相比，FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大，以及可转移、重复使用的优点，广泛适合于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发，目前，已成为海上油气田开发的主流生产方式。

FPSO始于20世纪70年代中期。它具有两个特点：一是体型庞大，船体一般从5～30万吨，一艘30万吨的FPSO甲板面积相当于3个足球场。二是功能较多，FPSO集合了各种油田设施，对油气水实施分离处理和原油储存，故被称为\海上工厂\、\油田心脏\。FPSO主要由船体、负责油气生产处理的上部模块和水下单点系泊系统三部分组成，一般适用于20～2000米不同水深和各种环境的海况，通过固定式单点或悬链式单点系泊系统固定在海上，可随风、浪和水流的作用进行360度全方位的自由旋转，规避风浪带来的破坏力。

近几年来FPSO规模急剧扩大，根据Fearnley Offshore的统计，以FPSO开始生产的时间为准，2006年全球新增现役FPSO数量10艘，其中8艘改装FPSO；2007年新增15艘（9艘改装FPSO）；2008年新增13艘（9艘改装）；2009年新增FPSO26艘（21艘改装FPSO）。根据MUSTANG的统计，截至2010年8月，FPSO现役数量为186艘，其中，新建FPSO数量占36%，改造FPSO数量占比为64%。在接下来的两年内还将有20艘FPSO投入使用。从地区分布来看，至2010年统计的FPSO中，现在正在服役生产的FPSO，分布较多的国家有巴西、中国、英国、澳大利亚、尼日利亚、安哥拉等国，在其范围内运营的FPSO数量分别为37、17、17、16、15、14艘。在未来的订单中，主要集中于巴西、中国、尼日利亚和安哥拉等国。

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2010年FPSO的建造商中，新加坡船厂占据了主要位置，它们主要负责改造FPSO，船厂包括Keppel、Jurong、Sembawang等。Keppel改造新建FPSO达44艘，Jurong24艘，Sembawang10艘。新建部分的建造商主要是韩国和中国的船厂。韩国船厂包括三星、现代、大宇，共有16艘；中国船厂有大连造船、青岛北海、烟台莱佛士、沪东、外高桥、上海江南、中远等船厂，共有新建及改造船舶17艘，以新建船舶为主。另外，日本船厂包括IHI、日立、三菱等船厂，共建有10艘改造及新建FPSO，以新建为主。

国内从上世纪的80年代起，开始建造FPSO，到目前为止，国内已经先后建造了从5万吨级到30万吨级的一系列FPSO共计18条，并在过程中逐渐的沉淀、不断的吸收国外先进经验为己所用。在众多中国研究学者工程师的努力下，中国FPSO技术在近几十年内已经得到飞速发展，许多技术已达国际先进水平。

国内先后做过的平台汇总如下：

序号 船名 所有者 油田 载重量(dwt) 1 渤海友谊号 CNOOC BZ28-1 52,000 2 渤海长青号 CNOOC BZ34 52,000 3 渤海明珠号 CNOOC PL19-3 58,000 4 渤海世纪号 CNOOC QHD32-6 160,000 5 海洋石油112 CNOOC CFD11 150,000 6 海洋石油113 南海发现号 CNOOC BZ25-1 160,000 7 CNOOC CACT Huizhou19-3-1 250,000 8 南海盛开号 CNOOC JHN Lufeng 13-1 128,000 3 / 21

CNOOC 9 南海开拓号 ConocoPhillips 南海胜利号 XiJiang 152,000 10 CNOOC Liuhua 11-1 130,940 11 南海睦宁号 Blue water Lufeng22-1 103,000 12 南海奋进号 CNOOC Husky Wenchang 13-1, 13-2 150,000 13 海洋石油111 CNOOC PanYu4/2,5/1 150,000 14 海洋石油112 Anadarko Caofeidian 11-1, 11-2, 11-3, 11-5 150,000 15 海洋石油113 CNOOC Bozhong 25-1 160,000 16 海洋石油115 CNOOC Xijiang23-1 120,000 17 海洋石油116 CNOOC WenChang19-1 120,000 18 海洋石油117 CNOOC Penglai Block 19-3 (Phase 2) 300,000 二、 FPSO主要优点

随着海洋油气开发、生产向深海不断进入，FPSO与其它海洋钻井平台相比，优势明显，主要表现在以下四个方面：

（1）生产系统投产快，投资低，若采用油船改装成FPSO，优势更为显着。而且目前很容易找到船龄不高，工况适宜大型油船。

（2）甲板面积宽阔，承重能力与抗风浪环境能力强，便于生产设备布置；

（3）储油能力大，船上原油可定期、安全、快速地通过卸油装置卸入穿梭油船中运输到岸上，穿梭油船不仅可与FPSO串联，也可傍靠FPSO系泊。最新FPSO还具备了海上天然气分离压缩罐装能力，提高了油田作业的经济性。

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（4）应用灵活，移动方便，其海上自航能力是其它海洋平台系统所不具备的，因此，FPSO可根据作业需要和实际情况迅速转换工作海域和回厂检修。

三、 FPSO技术发展趋势

随着科技发展和海上作业难度加大，海洋油气开采工程装备正在向大型化、自动化、专用化方面发展，同时国际海事组织(IMO)对涉海船舶产品的安全、环保等方面的要求也越来越严格，当前FPSO设备的技术发展主要体现在以下几个方面：

（1）建造技术向模块化发展，周期缩短

早期建造FPSO基本上都是在船体结构建成后，在甲板上安装各种生产设备、主电站和热站等，建造一艘FPSO通常需要20个月或更长时间。目前，FPSO建造已开始采用了模块化生产工艺，船体结构和上部设施可以同时施工建造，使得FPSO建造周期可缩短至10-14个月。

（2）定位与系泊技术创新，动力配置加大

新一代FPSO装置的系泊多为转塔式多点辐射状系泊，有的还在艏艉配备多个侧向推进器，发展了第三代动力定位技术(DP3)。多点系泊采用锚链和钢缆相组合，也有采用高防腐蚀的高强度聚脂纤维和锚链相组合的方式；根据当前FPSO船体尺寸增大以及作业能力增强的特点，新建的FPSO也相应配备了强大的动力系统，并设计采用侧推螺旋桨技术以提高大尺寸船体在强风暴下的生存能力，确保正常航行时的快速性能。大量的FPSO系泊系统采用了非解脱型设计，即在海上特大风浪情况下，可仍然锚泊在采油原位，而无须将船用液压连接、脱卸机构快速解脱而避风浪。为适应恶劣海况，特殊海域工作的FPSO大多设计和装备了百年一遇恶劣条件的装备，可适应风暴浪高达16.8米或更高（北海地区）。

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适应最高风速超过100kn或更高。

（3）降低油耗、循环利用

过去FPSO生产的原油主要靠穿梭油船外输，油田中生产的天然气在不值得铺设海底管线的情况下，只能将价值昂贵的天然气经分离处理后通过FPSO的火炬将其烧掉；现在，FPSO具有将天然气处理并转换成压缩天然气外输能力，即将海上采集的天然气压缩后用罐装，后用船舶外输，或管道输运。这是FPSO新经济技术中一项重要的技术突破。这对提高海上作业的经济运营意义重大。

（4）生产能力不断加强，吨位不断加大

随着FPSO建造技术的发展，以及FPSO配套设备性能的提高，当前FPSO的原油生产能力正不断加强。根据《maritime reporter and engineering news》杂志2003年的报道，由新加坡远东利文斯顿船厂建造，由挪威国家石油公司所有的“NORNE”号FPSO，原油日处理能力达到了3.5万立方米。另外，巴西国家石油公司（PETROBRAS）近年新建或改建的FPSO其储油能力均达到了31.8万立方米。2009年，世界上日处理燃气能力最强的海上浮式生产储油船（FPSO），在大连中远船务工程有限公司正式命名为“斯达帝德 桑托斯MV20”。“斯达帝德 桑托斯MV20”轮由超大型油轮（VLCC）改装而成，长334米，宽51米，可储存约70万桶油，改装后设计日处理燃气能力1千万立方米。2010年，现代重工获世界最大圆柱形FPSO订单。该产品将于2013年中期交货，并安装在挪威哈墨弗斯特（Hammerfest）西北85公里处的Goliat区域。此FPSO具有圆柱形船体和封闭式上部结构，可承受北冰洋的巨浪和严寒的天气，落成后，该设施将产出每天超过10万桶的原油和3.9万立方米的天然气，其巨大的存储设备直径达到

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112米，高度达到75米，可存储100万桶原油, 将成为世界最大规模圆柱形FPSO。

（5）FPSO新概念船正在加速研发

为了解决环境污染问题，提高FPSO系统的环保性能，国外具备海洋工程设备生产能力的建造厂家已经开始了对FPSO新一代的研发和实船建造项目。世界上出现了LPGFPSO(浮式液化石油气生产储卸船)新概念船；如日本石川岛播磨重工正在建造世界上第一艘LPGFPSO，一家瑞士公司已和日本三井重工及石川岛播磨重工签订了该船单点系泊技术、采购及建造服务合约。另外，近海油气工业界也在不断进行探索，试图把油气钻井设备并入FPSO，变为FDPSO，其中D为Drilling的缩写。业内专家分析认为，随着世界各国石油需求量的快速增长，新一代FPSO技术将不断涌现。

四、 FPSO关键技术难点

FPSO是全海式油田开发工程中的核心单元。从油田中生产的井流经海底管线、单点被送到FPSO上油、气、水处理模块，经脱水、脱气处理后达到稳定的合格商用原油储存于FPSO的原油储存舱中，由运油轮定期将储存舱中的商用原

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油送至炼油厂，以保证FPSO在海上油田的连续作业。

FPSO是漂浮在海面上的一个浮体，它虽不是在海上航行的一般船舶，是系泊在系泊装置上的油气生产装置，但它具有船舶的安全特性，如浮性、稳性、抗沉性、耐波性等。因此，在FPSO上配备有完善的保船设备与系统，如压载系统、舱底水系统、扫舱、洗舱系统、海水系统、淡水系统、燃油系统、滑油系统、消防系统等。除此之外，FPSO上配备有功率极大的电站与热站，为油田开采和油、气、水处理提供电能和热能；其生活模块为油田管理和生产作业人员提供舒适的生活、办公条件；还设有高度自动化的中央控制室，配有无线电通信、光纤通信设备，以保证油气生产的正常操作与安全作业。

? 关键技术1-系泊系统

根据不同的海洋环境条件及作业要求，FPSO的系泊方式主要有：单点系泊、多点系泊、动力定位等方式。为了降低作用在系泊系统上的环境载荷，提升浮体在极端恶劣海况下的生存能力，可解脱式系泊系统应运而生。当出现恶劣的天气如台风和浮冰时，FPSO可以与系泊系统解脱、撤离到安全区域。由于回接作业对浪高的限制比解脱作业更加严格，因此，可解脱FPSO不适合多数时间海况比较恶劣的海域。

（1）单点系泊类型

FPSO的单点系泊系统就是指锚泊系统与船体只有一个接触点，其分类方法众多，美国船级社将单点系泊系统分为：悬链锚腿系泊系统、单锚腿系泊系统、转塔式系泊系统和软钢臂四大类 。第一座单点系泊系统诞生于1959年，采用悬链锚腿系统，第一艘用单点系泊的浮式储油装置(FSO)出现于1972年，安装在突尼斯海上油田。截止上世纪80年代中叶，世界上已有300多座单点。悬链锚腿(CAI M)单点占总数的80 以上。到本世纪初，把系泊FPSO 和FSO的单点考虑在内，

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单点总数约在500座左右。目前常用的单点系泊方式有转塔式系泊，浮筒式系泊，塔式系泊。

（2）转塔式系泊

转塔式系泊系统是一种集系泊、油气和电力输送为一体的系泊系统，通过一钢质结构与船体的船艏或船艉相连，允许FPSO 产生风向标效应绕转塔360度旋转。转塔式系泊技术主要由API 及SBM 等几家国外公司掌握。根据供应商不同，转塔的设计也多种多样，按转塔所处位置的差异，转塔系泊系统可分为外转塔式和内转塔式系泊。目前，外转塔系泊系统以悬臂式转塔为主要发展形式，该系统由一钢质结构组成，此钢结构为转塔的建筑基础，转塔用于安放旋转轴承和转塔的外伸悬臂钢结构。它能从船艏或船艉靠拢或延伸一段距离。通过轴承使FPSO产生风向标效应从而降低最大应力影响。这是一种永久系泊系统。内转塔系泊是FPSO最常用的单点系泊系统，分为内转塔永久系泊系统和可解脱内转塔系泊系统两种形式。内转塔系泊系统一般设置于靠近FPSO船艏的位置，由于设计在船体内部，转塔直径可设计得很大，由于有足够的空间所以便于布置设备和管汇，内转塔嵌人船体之中后得到很好的保护。它被支撑在一个大的滚柱轴承上。轴承的外圈被连接到船体上，而内圈与塔的固定部分结合为一体。

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(3) 多点系泊系统

多点系泊是指锚泊系统与船体有多个接触点，把FPSO系泊在固定位置，原油通过海底管线输送到水下基盘，再通过悬挂在FPSO舷侧的柔性立管从管汇进人FPSO处理系统。外输又串靠和旁靠等靠泊形式。旁靠外输方式仅适用于深海，因为，为了防止FPSO的系泊链妨碍提油轮的靠泊，这些系泊链通过导览器系泊海底。然而，只有在深水中锚链才能产生悬链效应。对于浅水海域就不适应了 。采用多点系泊系统的FPSO船体位置及船艏方向确定，所以不能产生风险标效应，因此其应用受环境的影响很大，只能够应用在环境比较温和，风浪流条件改变频率很低的海域。近年来新型FPSO理念和多点系泊系统有了较快的发展，范模提出的八角形FPSO的两点系泊系统就是一种前瞻性的多点系泊系统。

（4）动力定位系统

动力定位系统(DPS)于上世纪7O年代研制成功并交付使用，动力定位船舶推进器系统特点是在低速条件下控制多个驱动器输出驱动力以抵抗各干扰力。系统正常运行时对船舶在水平面内纵荡、横荡以及转艏3个自由度上的运动进行控制。

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通常需要三组推力器来抵消这3个面的运动，提供三个方向的平衡力与力矩。动力定位系统定位成本不会随着水深增加而增加，并且操作也比较方便。

动力定位系统原理是利用感应元件将在外界扰动力作用下浮体的水平漂移量与方位偏差量及时检测出来．经过信号处理器自动输入计算机计算并发出推力指令。使推进系统发出相应的推力，以抵抗外界扰动力．使浮体回复到原有的位置和方位，动力定位系统主要由位置测量系统、控制系统和推力系统三部分组成，位置测量系统用于测量出船舶或平台相对于某一参考点的位置；控制系统根据外部环境条件计算出船舶或平台所受的扰动力。然后由此外力与测量所得位置，计算得到保持船位所需的作用力，即推力系统应产生的合力；推力系统则一般由数个推力器组成。

单点系泊系统的选型与设计需要综合考虑海域环境、作业工况、位移限制、经济性及技术可行性等诸多因素。

系泊设计应考虑的设计工况：

（1） 完整作业工况：在规定的作业环境条件下，系泊平台能进行预定作业，而不使平均偏移及系泊线张力超过规定值；

（2） 完整自存工况：在规定的自存环境条件下，系泊平台的最大偏移及系泊线张力不超过规定值；

（3） 破损作业工况：系泊系统中任一根系泊线失效时的作业工况；

（4） 破损自存工况：系泊系统中任一根系泊线失效时的自存工况。 当平台邻近有其他结构物存在时，还应对系泊平台在破损情况下的平台瞬态运动性能进行分析，该分析应包括系泊平台在达到新平衡位置以前瞬态运动过程中平台移动路径、方位以及系泊线张力。

对于 FPSO 单点系泊系统的设计，需要在以下几个方面加以注意：

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? 设计环境

通常情况下，FPSO 系泊系统的设计环境为100 年一遇的局部风浪流环境。对于不同的地理位置，有两种现象需要考虑：（1）冬季风暴；（2）热带风暴（包括在墨西哥湾的飓风和南中国海的台风）。这两种环境（现象）是不一样的，诸如发生在北海北部地区和加拿大东部海域的冬季风暴都是可以预测的，并且有一个较长的持续期和一个较大的范围，风速一般保持在大约100mile/h。但是热带风暴恰恰相反，它很快就会从1 级（74 mile/h）剧变到5 级（155 mile/h）。所以，冬季风暴的设计波高比热带飓风要高，主要是因为冬季风暴的持续期更长。另外，由于热带风暴的高度不确定性，要求系泊系统进行冗余设计，防止出现超过100 年一遇的环境。

对于永久性的系泊系统，应考虑百年一遇的环境条件。系泊系统设计时风、浪、流的荷载组合方式有多种，有多套设计标准。比如对于百年一遇的设计条件时，可有以下三套标准供选择：

a.百年一遇的浪和与之相关的风和流；

b.百年一遇的风和与之相关的浪和流；

c.百年一遇的流和与之相关的风和浪。

当缺少以上荷载组合的资料时，也可以采用以下组合方式： a.百年一遇的风和浪加上十年一遇的流；

b.百年一遇的风和流加上十年一遇的浪。

对于允许船产生风向标效应的情况，在选择设计环境标准时，必须重点考虑风浪流的非线性环境和设计波浪周期范围。非线性的风浪流环境应该根据最坏的

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装载来估算。

? 船体特征

通常情况下，FPSO 船体的主要参数的选择是根据要求的储油量和上部模块的功能确定的。船体的尺寸、甲板和船体的布置方式将决定作用于船体的风、浪、流的力和力矩。船形、船体几何特征、重心位置，以及纵摇、艏摇和横摇的旋转半径将决定流体静力学和运动响应特点。此外，对于转塔系泊系统的设计来说，船艏内部的空间大小，是其选型设计的重要横准。

? 船体位移和运动

FPSO的运动幅度取决于FPSO的吨位、主尺度、船体的型线、重量分布、装载状态、系泊系统的设计、水深、作业海域和环境条件。FPSO单点或多点系泊系统的设计和受力分析与FPSO在不规则波浪中的运动和动力分析密切相关。通常是把FPSO与其系泊系统当作一个整体来考虑，无论是做程序运算还是做水池模型试验，都是把它们当作一个整体来处理。这是因为系泊系统所受的作用力就是FPSO在风、浪和流的作用下所产生的动力，而系泊系统的设计对FPSO的运动也有很大的影响。对于内转塔和外转塔系泊系统，FPSO的运动对立管系统的设计影响极大。FPSO的低频慢漂移运动对系泊系统的受力影响最大。

系泊链的张力必须与船体的位移（位置、艏向）和运动相一致，船体平均位移和低频运动都与系泊系统强度功能有关。系泊系统的强度可以按照环境条件调整最初的设计。设计要求越高，船体的位移就越小，但是，强度要求越高，产生巨大的系泊链张力的可能性就越大，最大系泊张力的升高将大大减少在恶劣的飓风环境下系泊系统的可靠性。

? 转塔位置和船体风向标效应

对于内转塔式系泊系统，转塔的位置可以在船艏和船舯之间的任意位置，具

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体的位置取决于设计环境下风向标效应的能力。由动量定理可知，转塔越靠近中站面，产生风向标效应的能力就越弱，需要借助外力（如侧推器推力）完成绕塔旋转。因而需要船员的持续操作，但是这样会增加了电站、推进器和控制系统失效的风险。转塔位于船艏或船艉附近时，船体不需要推进器，靠自己就能产生风向标效应。但与此同时，受纵摇运动的影响，系泊链上部的垂直运动将会增加，进而致使系泊链的动张力增加。

在热带风暴多发区，如墨西哥湾和南中国海，转塔必须位于或靠近船艏，使得船本身具有风向标效应，而不用侧推器协助。船的风向标效应对减小作用在船体上的环境荷载是很重要的。它可以减小定位系统需要承受的力；减小FPSO 遭受横浪、艉斜浪的潜在危险；减小加速度对生产设施的影响，使FPSO 更加稳定。

? 系泊链的分布

对于系泊链的空间布置，可以采用两种模式：组式系泊（Grouped Mooring）模式和平均散射系泊（Equally Spread Mooring）模式。根据相关机构的实验结果证实：组式系泊模式的系泊链的最大张力要比平均散射系泊模式小20%；组式系泊的船舶在恶劣环境下的最大偏移量要比平均散射系泊模式少5%，所以，组式系泊模式有更多的冗余防止系泊失效。

? 关键技术2-船体布置

FPSO总体布置应把握主要几大块关系：生活住房、火炬、单点系泊系统、直升机平台、电站、油气处理设施、卸油设施、机舱等。

常规做法是生活住房与火炬分船首尾两端布置；直升机平台和机舱都与生活住房布置在一起；生活住房不能紧靠油气处理设施，中间常用电热站隔开，但此时应注意电站的振动噪声对生活住房的影响，目前常用卸货甲板将电热站与生活区隔开，可以起到保持一定距离的隔离作用；靠卸油设施与单点设施应分首尾两

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端布置；如果FPSO为旁靠卸油方式，常规做法是将FPSO右舷布置旁靠卸油设施，左舷布置油水供应船的靠泊设施；国际上单点系泊系统在FPSO首尾都有布置的实例，但以船首布置为主，这样将有利于FPSO的风向标作用。

由于旧油轮的生活住房位于船尾，当改造为FPSO后仍维持原有的住房布置。在新建FPSO中，首尾部都有布置生活住房的实例。如果FPSO采用内转塔式系泊系统，由于系统装置占用首部船舱和部分主甲板，这时也可以将生活住房和机舱布置于船尾。由于DNV规范的安全要求，挪威在新设计的FPSO上，在采用内转塔式单点系泊系统后，仍将生活住房布置于首部，使单点靠向中部，此时FPSO的风向标作用下降，须加设侧推的辅助动力系统，这将使FPSO建造成本增大。如果FPSO是软刚臂系泊系统和外转塔系泊系统等，这些系泊系统基本不占用船舱，仅占用部分甲板面积，此时可以将生活住房和机舱布置于船首。另外，还应该根据具体的工作水域条件具体的分析和考虑。

? 关键技术3-货油、卸载系统

其作业原理是通过海底输油管线把从海底开采出的原油传输到FPSO的船上进行处理，然后将处理后的原油储存在货油舱内，最后通过卸载系统输往穿梭油轮。由于海上卸油作业与常规的港口码头装卸作业不同，风浪流冰等环境条件比港口内码头恶劣得多。当海上船对船卸油作业时，两个浮体之间的运动将使作业条件比港口的码头复杂很多危险性也非常大。经过几十年经验的积累，目前FPSO海上卸油作业方式分为串靠卸油、旁靠卸油和独立卸油终端三种方式，而其中又以串靠卸油方式为主。（从上至下依次为串靠卸油、旁靠卸油和独立卸油终端）

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上油气生产设施，FPSO系统主要由系泊系统、载体系统、生产工艺系统及外输系统组成，涵盖了数十个子系统。作为集油气生产、储存及外输功能于一身的FPSO具有高风险、高技术、高附加值、高投入、高回报的综合性海洋工程特点。FPSO具有抗风浪能力强、适应水深范围广、储/卸油能力大及可以转移、重复使用等优点，广泛适合于远离海岸的深海、浅海海域及边际油田的开发。自主研发设计任重道远。

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