液化天然氣浮式生產(chǎn)儲卸裝置研究進展

摘 要

摘要：基于近年各種液化天然氣浮式生產(chǎn)儲卸裝置（FLNG）概念設(shè)計，分析了 FLNG 在船體、LNG 儲艙、液化工藝、低溫換熱器和產(chǎn)品裝卸等技術(shù)的研究歷史和最新進展。有關(guān) FLNG 的研究不

摘要：基于近年各種液化天然氣浮式生產(chǎn)儲卸裝置（FLNG）概念設(shè)計，分析了 FLNG 在船體、LNG 儲艙、液化工藝、低溫換熱器和產(chǎn)品裝卸等技術(shù)的研究歷史和最新進展。有關(guān) FLNG 的研究不斷完善，通過計算機模擬和實驗?zāi)M的方式驗證了FLNG 關(guān)鍵技術(shù)的可行性和可靠性；FLNG 概念設(shè)計一般采用雙殼式船體，SPB 型 LNG 儲艙，簡單液化工藝（如混合制冷劑或膨脹制冷工藝）以及并排卸貨方式。通過分析 FLNG 裝置的建設(shè)投資和運營收益，指出使用二手 LNG 貨輪改造為 FLNG以及采用簡單液化工藝可以使 FLNG裝置獲得更好的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：液化天然氣浮式生產(chǎn)儲卸裝置；液化天然氣；液化工藝；低溫換熱器；并排卸貨

 

近年來，越來越多的深海氣田、邊際小氣田、伴生氣田被發(fā)現(xiàn)，其數(shù)量較多，儲量可觀；但若采用傳統(tǒng)的開發(fā)模式，建設(shè)周期長、生產(chǎn)設(shè)施投資大、現(xiàn)金回收慢，許多資源將因為沒有經(jīng)濟效益而無法投入開采。為此，世界許多大型石油公司正加緊研究液化天然氣浮式生產(chǎn)儲卸裝置，利用 LNG 易于運輸與儲存的特點，降低邊際小氣田、深海天然氣及伴生氣資源的開采成本，實現(xiàn)邊際效益資源的開發(fā)。

液化天然氣浮式生產(chǎn)儲卸裝置即 LNG FPSO，通常稱為 Floating LNG，簡寫為 FLNG。FLNG 可采用駁船或 LNG 貨輪改裝，直接停泊在氣田上方進行作業(yè)，能夠避免陸上液化工廠建設(shè)可能對環(huán)境造成的污染問題。此外，該裝置便于遷移，可重復使用，當開采的氣田衰竭后，可以遷移到新的氣田使用，尤其適合于邊際氣田的開發(fā)。FLNG 的開發(fā)研究最早始于20世紀70年代早期，90年代之后，隨著天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，天然氣需求量的不斷增加，天然氣價格的不斷上升和海洋石油工程技術(shù)的不斷進步，海上邊際氣田日益受到重視，國際各大石油公司和造船公司均投入到 FLNG 的開發(fā)中來，提出多種概念設(shè)計，并在FLNG 船體與產(chǎn)品儲存方式、液化工藝、換熱器形式、裝卸方式等方面取得一定進展，使其開發(fā)成為可能。

1 船體和LNG儲艙

最初，FLNG 概念設(shè)計采用混凝土制造船體，在其上放置球形、圓柱形或薄膜型 LNG 儲艙?；炷翚んw吃水深，承載能力大，具有低溫性能好、不易老化的優(yōu)點，但是這種結(jié)構(gòu)的船身笨重，遷移和錨泊將是巨大的挑戰(zhàn)。代表性的 FLNG 概念設(shè)計有：Mobil 公司的 Floating LNG 和 Bouygues Offshore 公司的 Azure項目（圖1）。



隨著 LNG 貨輪技術(shù)的不斷進步，最近幾年提出的 FLNG 概念設(shè)計均采用鋼質(zhì)船體，配以不同形式的LNG 儲艙（圖2）。如 Shell 公司投資建造了一艘巨型 FLNG，采用雙殼式船身，SPB 型儲艙，長488m，寬74m；空載質(zhì)量達26×104t，相當于6艘航空母艦，滿載質(zhì)量達60×104t。該 FLNG 投資估計超過30×108美元，每年至少生產(chǎn)530×104t 液態(tài)產(chǎn)品，包括360×104t LNG、130×104t 凝析油和40×104t LPG。

目前，全球營運的大約140艘 LNG 貨輪，主要有球形（MOSS）、薄膜型（Membrane）和自立棱柱型（Self-supporting Prismatic shape IMO type B，SPB）型3種儲艙形式。其中球形儲艙在早期的 LNG 貨輪中占有較大優(yōu)勢，但是球形儲艙占用巨大的甲板空間，而且甲板下的部分船體空間也被浪費，屬于逐步淘汰的儲艙技術(shù)，不適用于 FLNG。在新的 LNG貨輪訂單中，薄膜型超過三分之二，是儲艙技術(shù)的發(fā)展方向。薄膜型和自立棱柱型儲艙完全位于甲板以下，不占用甲板上的空間，比較有利于 FLNG 的設(shè)計制造。但是由于FLNG工作環(huán)境與 LNG 貨輪不同，船體經(jīng)?；蝿樱∧ば蛢ε撝幸后w的晃動幅度較大，容易對儲艙上部的轉(zhuǎn)角造成沖擊而使焊縫失效（圖3），需要進行適應(yīng)性改造。



近幾年提出的 FLNG 概念設(shè)計通常選用 SPB 型儲艙儲存 LNG、LPG 和凝析油等液化產(chǎn)品（表1）。SPB 型儲艙（自立方型儲艙）技術(shù)由日本石川島播磨重工獨立開發(fā)，其甲板平整，上部空間大，便于安裝各種設(shè)備，用于 FLNG 的最大優(yōu)點是液艙中部設(shè)有防止液體流動的隔壁，不存在晃動問題，且在設(shè)計時可以通過準確的有限元分析和實驗確認安全性。

2 液化工藝

　　隨著 LNG 工業(yè)的不斷發(fā)展，世界上許多公司開發(fā)出多種天然氣液化工藝和設(shè)備[1-2]。依據(jù)基本的制冷原理，主要有3種液化工藝：級聯(lián)式液化工藝；混合制冷劑液化工藝，包括閉式、開式、丙烷預冷及 CII等；膨脹制冷液化工藝，包括天然氣膨脹、氮氣膨脹、氮-甲烷膨脹等。在實際的 LNG 液化工程中，通常組合使用上述各種液化工藝[3]。

陸上液化天然氣項目通過增大工藝設(shè)備規(guī)模、提高液化效率來降低單位投資和項目運行成本，因此，陸上天然氣液化工藝的發(fā)展趨勢是級聯(lián)式制冷工藝及設(shè)備的大型化。如 APCI 公司開發(fā)的 AP-X®液化工藝、ConocoPhillips 公司開發(fā)的 Cascade®液化工藝、Linde 公司開發(fā)的 MFC®（Mixed Fluid Cascade）液化工藝等。

由于海上作業(yè)環(huán)境特殊，FLNG 液化工藝的選擇主要從處理能力、船體甲板空間和負荷能力以及船體的穩(wěn)定性等方面考慮，應(yīng)該具有以下特點：①流程簡單、設(shè)備緊湊、占地少、滿足海上浮船的安裝需要；②液化工藝對不同產(chǎn)地的天然氣適應(yīng)性強，熱效率高；③安全可靠，船體的晃動不會明顯地影響其性能；④能夠快速啟動與停止運行；⑤生產(chǎn)自動化程度高，裝置運行可靠性強。因而 FLNG 一般選取比較簡單的液化工藝，如單級或多級混合制冷劑液化工藝、單級或多級氮氣膨脹制冷工藝（表1）。

David Franklin等[4]對 FLNG 采用簡單液化工藝和復雜液化工藝的經(jīng)濟效益進行比較，發(fā)現(xiàn)采用簡單液化工藝效益更好（表3），液化能力同為100×104t·a-1的浮式天然氣液化裝置項目，采用簡單液化工藝的凈現(xiàn)值是采用復雜液化工藝凈現(xiàn)值的1.69倍，內(nèi)部收益率高出3.2%?？梢?，與陸上 LNG工廠不同，FLNG 對初始投資更敏感。簡單液化工藝具有占用甲板面積小、設(shè)備少、檢修時間短、可在有限甲板空間上獲得較高產(chǎn)量等優(yōu)點，更適用于 FLNG。

3換熱器

FLNG 設(shè)計的一個重要方面是液化工藝低溫換熱器的選擇。近年提出的各種 FLNG 概念設(shè)計中，通常根據(jù)其選用的液化工藝，而選用不同的換熱器。

混合制冷劑液化工藝一般選擇纏繞管式換熱器（圖4a）作為主低溫換熱器。纏繞管式換熱器本質(zhì)上屬于管殼式換熱器的一種，但由于其獨特的結(jié)構(gòu)使之具有強制湍流換熱系數(shù)高、溫度壓力限制小、安全性高、結(jié)構(gòu)小隊緊湊、承壓能力高、熱脹冷縮自補償?shù)葍?yōu)點。混合制冷劑液化工藝中天然氣和制冷劑都會產(chǎn)生相變，纏繞管式換熱器的換熱效果受兩相流動的影響較小，Linde 公司通過模擬實驗發(fā)現(xiàn)船身晃動對換熱效果影響也很小。因而纏繞管式換熱器十分適用于采用混合制冷劑液化工藝的 FLNG概念設(shè)計。

膨脹制冷液化工藝一般選擇板翅式換熱器（圖4b）作為主低溫換熱器。板翅式換熱器具有體積小、重量輕、換熱效率高、堅固耐用、適應(yīng)性強、可設(shè)計成多股流體同時換熱等優(yōu)點，其單位體積換熱面積比管殼式換熱器高十倍以上。但是許多文獻指出：當換熱器中出現(xiàn)兩相流動時，氣液兩相的分布對換熱效果影響較大。膨脹制冷液化工藝一般使用氮氣作制冷劑，氮氣的液化溫度為－195.8 ℃，低于天然氣的液化溫度-162 ℃，液化過程中氮氣不會出現(xiàn)相變，對板翅式換熱器的換熱效果影響很小。李玉星[5]通過模擬實驗研究了使用板翅式換熱器的氮氣膨脹制冷液化工藝，發(fā)現(xiàn)船體的晃動對液化工藝的影響很小。因此，板翅式換熱器適用于采用膨脹制冷液化工藝的 FLNG概念設(shè)計。

4 FLNG的產(chǎn)品裝卸

產(chǎn)品卸貨是 FLNG 的重點和難點技術(shù)之一。通常有 LNG、LPG 和凝析油等多種產(chǎn)品需要從 FLNG 向貨輪卸貨。FLNG 和貨輪均漂浮于水上，在波浪的作用下不斷晃動，兩者之間的相對運動對卸貨影響很大；LNG 為低溫液體，整個卸貨系統(tǒng)均需要滿足低溫的嚴苛要求。因此，實現(xiàn) LNG 在海洋環(huán)境下的安全、高效傳輸非常復雜，目前 FLNG概念設(shè)計中主要有兩種卸貨方法。

4.1并排卸貨

FLNG 和 LNG 貨輪并排?？浚▓D1，Shell 公司概念設(shè)計），兩船體之間通過強度很高的裝置連接在一起，防止相對運動幅度過大。并排卸貨方式由陸上 LNG 碼頭向 LNG 貨輪卸貨發(fā)展而來，可以直接使用陸地的硬管輸送臂，同時提供水幕等防火措施。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)約投資、LNG 輸送與控制快速方便。但是，FLNG 和 LNG 貨輪的相對運動可能導致硬管輸送臂連接處泄漏，造成周邊環(huán)境溫度驟降及泄漏介質(zhì)遇到火源引發(fā)爆炸，不適用于波浪較大的海洋環(huán)境。隨著 LNG 專用低溫軟管的成功開發(fā)并應(yīng)用于 FSRU（浮式 LNG 氣化和接收裝置）的卸貨，許多概念設(shè)計提出采用低溫軟管進行 LNG 裝卸，從而減小 FLNG

和 LNG貨輪相對運動對卸貨安全性的影響。

4.2串聯(lián)卸貨

FLNG 和 LNG 貨輪采用首尾相接的串聯(lián)系泊方式，這是 FPSO 向油輪輸油的常用方式。串聯(lián)卸貨時兩船之間距離較大，一般在50～100 m，同時采用動態(tài)定位技術(shù)控制兩船距離在合理的范圍內(nèi)。因此，串聯(lián)卸貨能夠適應(yīng)較大的波浪，適于海洋環(huán)境較為惡劣的海域，但由于兩船之間距離較大，需要較長的 LNG輸送臂，在技術(shù)上存在一定風險。AZURE 項目開展了硬管輸送臂串聯(lián)卸貨的小型實驗，但其堅固性有待進一步研究，而 LNG 專用低溫軟管用于長距離 LNG 輸送的安全性和可靠性尚待確定。因此，串聯(lián)卸貨目前僅僅是作為 FLNG概念設(shè)計的一種可行性討論。

總體上，采用何種卸貨方式，需要根據(jù)具體海域的特點和環(huán)境參數(shù)（包括平均海平面、最大波高、最大波周期、溫度和濕度范圍、風速和風向等）而定。低溫輸送臂結(jié)構(gòu)則取決于輸送距離、輸送量、輸送速度、輸送時間等。采用串聯(lián)卸貨方式、使用低溫軟管輸送 LNG是發(fā)展趨勢。

5 LNG 貨輪改造為 FLNG

目前，許多20世紀末期服役的中小型 LNG 貨輪進入運輸合同后期，今后幾年這些貨輪將結(jié)束服役，作為二手船舶進入買賣市場。與由大型油輪改造 FPSO類似，由 LNG貨輪改造為 FLNG具有諸多優(yōu)點[4]。

（1）降低項目投資：15×104m3陸上 LNG 儲存設(shè)施及管道建設(shè)投資約1～1.5×108美元，新建同樣儲量的 LNG 貨輪需要投資約2.2×108億美元（LNG World Shipping，Dec 2011），而最近市場12.5×104m3的二手 LNG 貨輪最新市場價格僅0.3～0.5×108美元，僅為新建 LNG 船體的13~23%。因新 LNG 船體約占項目總投資的25～40%，故可使浮式天然氣液化裝置的項目投資降低25%。

（2）加快項目進度：LNG 儲罐和船體設(shè)計、建造完成時間通常需要3～4年，在液化天然氣項目周期中占很大比例，而二手 LNG貨輪可以立即進行適應(yīng)性改造，從而使整個項目工期縮短1～2年。

（3）易取得運營許可。在運 LNG 貨輪均已被評級并進行良好維護，使用 LNG 貨輪改造為 FLNG 的海上浮式天然氣液化項目比陸上液化天然氣項目取得許可更具優(yōu)勢。

6 結(jié)論

綜上所述，通過評析液化天然氣浮式生產(chǎn)儲卸裝置（FLNG）船體結(jié)構(gòu)、儲艙形式、液化工藝、換熱器和產(chǎn)品裝卸等關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)歷史和研究現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)目前對 FLNG 的技術(shù)研究和概念設(shè)計已經(jīng)比較完善。FLNG 具有初始投資低、建造周期短、運營操作靈活、對環(huán)境危害小等諸多優(yōu)點，經(jīng)濟性好，安全性和可靠性高，可以用于海上邊際氣田天然氣資源的開發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻：

[1] 王春節(jié)，魏林瑞，張磊.浮式液化天然氣液化工藝綜述[J].化學工業(yè)，2010，28（3）：27-29.

[2] Meek H J，Cariou H，Schier M.LNG FPSO Development-bringing two industries together[C].Houston，Texas，USA，2009

Offshore Technology Conference，4–7 May 2009.

[3] 施林圓，馬劍林.LNG 液化流程及管道輸送工藝綜述[J].天然氣與石油，2010，28（5）：37-40.

[4] David Franklin，Henry Reeve，Brad Hubbard.Converting existing LNG carriers for floating LNG applications[C].Houston，

Texas，USA，2010 Offshore Technology Conference，3-6 May 2010.

[5] 李玉星，王武昌，朱建魯，等. 緊湊式天然氣液化浮式生產(chǎn)工藝：中國，CN101787314 A[P].2010-07-28


(本文作者：馬華偉1 劉春楊2 徐志誠3 1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京 100032；2.中國石油天然氣集團公司規(guī)劃計劃部，北京 100007；3.中國石油天然氣管道分公司，河北廊坊 065000)