【FLNG專題】詳解FLNG技術

【FLNG專題】詳解FLNG技術FLNG設計模型LNG運輸船與FLNG對接技術海上天然氣液化工藝簡介LNG—FPSO（LNGFloatingProductionStorageandofFloatingUnit，又稱FLNG）是集海上液化天然氣的生產(chǎn)、儲存、裝卸和外運為一體的新型浮式生產(chǎn)儲卸裝置，應用于海上氣田的開采具有投資成本低、建造周期短、開發(fā)風險小、便于遷移和安全性高等特點。然而由于技術和經(jīng)濟的限制，LNG—FPSO還沒有像Oil－FPSO（OilFloatingProductionStorageandOff－LoadingUnit）那樣得到廣泛應用。2009年Songhurst在亞洲商業(yè)化FLNG會議上總結(jié)了全球15個FLNG項目，其中多數(shù)尚處于概念設計階段。2011年，Shell公司確定投資建造世界上首個LNG—FPSO—PreludeFLNG，并將在澳大利亞的Prelude氣田投入使用。作為LNG—FPSO的核心技術，天然氣液化工藝對裝置的建造運營費用、運行穩(wěn)定性和整個系統(tǒng)的安全性影響巨大，在滿足生產(chǎn)需求、市場需求以及控制成本的前提下，應用于LNG—FPSO的天然氣液化技術及相關設備的選擇對于減小投資風險、增強方案的可行性至關重要。目前陸上的天然氣液化技術已經(jīng)比較成熟，而海上作業(yè)的特殊性（臺風、波浪、作業(yè)空間等的影響）使得海上天然氣液化工藝的設計標準不同于陸上，海上天然氣液化工藝系統(tǒng)的安全性、簡潔性、緊湊性、占地面積、模塊化設計、對不同氣田的適應性和對海上環(huán)境的適應性等顯得更為重要。FLNG作為一種概念，已經(jīng)歷長達40多年的討論，而近幾年來FLNG市場出現(xiàn)了快速發(fā)展，目前已有2艘FLNG項目投入運營，更多項目正在開展和論證中。據(jù)了解，Technip公司正在進行兩個FLNG項目的設計、工程化、采購、建造安裝項目。一個是殼牌公司的西澳大利亞Prelude開發(fā)項目，其合作伙伴是三星重工。殼牌公司于2012年10月進行Prelude子結(jié)構的開工，2013年1月開始進行上層模塊的建造。該FLNG船長488米，寬74米，每年可以處理360噸的LNG、130萬噸的凝析油、40萬噸的LPG。另一個是巴西國家石油公司(Petrobras)在馬來西亞Kanowit油田運營的FLNG設施，合作伙伴是大宇造船海洋，共同負責項目的工程化、采購、建造和安裝。還有一些FLNG項目正在進行前端設計或超前端設計，包括?？松梨诘腟carborough項目、Woodside石油公司的Browse開發(fā)項目、Inpedx公司的印度尼西亞Abadi項目。諸多因素促進了FLNG市場的發(fā)展，例如海上FLNG裝置的建造時間相比于陸地LNG儲存艙短，陸上建造時間長達3～4年，而且海上FLNG裝置的建造成本相對較低。同時，生產(chǎn)儲存技術的發(fā)展使得遙遠的伴生氣田的開發(fā)具有了可行性，工程師解決了FLNG的三個主要難題：圍護、海上裝載、將陸地液化氣裝置復制到空間有限的浮式船舶上，進行安全的設計和找到合適的重心非常關鍵。Technip公司稱，空間利用和安全是海上LNG生產(chǎn)的關鍵難點，陸地上由于有大量空間而不存在這些問題，而海上卻十分擁擠，在陸上可以使用2D方法，而海上只能采用3D方法。FLNG裝置設計緊湊，同時實際工作環(huán)境還涉及到顛簸、腐蝕等諸多問題，因此甲板上的生產(chǎn)裝置部分詳細設計與陸地同規(guī)模工廠設計完全不同。該公司進行了長達40～50年的LNG裝置設計，在過去，空間利用的問題不像FLNG這樣突出，目前需要結(jié)合LNG技術和對海洋環(huán)境的理解，將所有的設備布置在一個有限空間內(nèi)，這將決定項目的成功與否。相比于固定碼頭附近的傳統(tǒng)裝載方式而言，LNG從浮式結(jié)構裝載到運輸船上同樣也是一個較為復雜的問題。裝載操作必須在兩艘處于運動的船上進行，而且存在一定的距離，例如Prelude項目中的FLNG裝置的甲板上安裝有裝載臂，該甲板至常規(guī)LNG運輸船的進入管匯長達10米甚至更大。為了解決甲板之間的落差問題，F(xiàn)MC技術公司開發(fā)了一種新型裝載臂，該系統(tǒng)命名為“海上無腳裝載臂”(OLAF)，該裝置基于現(xiàn)有的Chiksan船用裝載技術，但取消了用于支持鉸接組裝的基礎立管。OLAF安裝在甲板的轉(zhuǎn)盤上，能夠減少1/5的臂長，距離范圍能夠到達下方運輸船的甲板上。控制系統(tǒng)用于船舶之間運動的分析與預測，以防止運輸船上的應力集中。FMC公司稱，LNG運輸船的管匯不能承受較多的機械載荷，因此只能確保連接這些管匯的系統(tǒng)具有完全的自我支持能力和自我平衡能力。液體輸送目前仍是一個挑戰(zhàn)，特別是項目的工作環(huán)境越來越有挑戰(zhàn)性的時候。在Prelude項目中，LNG運輸船在裝載狀況下采用并行模式，而在海況波高超過4.5米時這種模式并不可行，在這種狀況下裝載模式可以采用前后布置或首尾布置，兩船之間的距離約為70～115米。FMC公司目前開發(fā)了一型前后排列的裝載系統(tǒng)，稱之為“前后排列海上裝載機”(ATOL)，適用于工作水深為900米的Carnarvon油氣田。通過項目積累經(jīng)驗也成為了FLNG市場發(fā)展的一個特點。殼牌公司在2011年開展Prelude項目時，就明確表示該項目應為未來的FLNG項目積累可行的經(jīng)驗。FLNG浮式液化天然氣儲存裝置FLNG通常通過單點系泊系統(tǒng)定位于作業(yè)海域，其船體上裝設有天然氣液化系統(tǒng)。天然氣液化系統(tǒng)（Liquefaction）相當于將岸上天然氣液化工廠安置于FLNG船體的甲板上。但是，甲板面積僅有岸上天然氣液化工廠面積的1/4，因而就要使天然氣液化系統(tǒng)工藝流程十分緊湊。流程中主要包括有：制取制冷劑的氮膨脹機循環(huán)系統(tǒng)；液化及冷凝抽提系統(tǒng)；氣體處理系統(tǒng)等。整個系統(tǒng)要緊湊、安全性好、對船體運動的敏感性低。液化天然氣儲存系統(tǒng)FLNG，中文名為浮式液化天然氣儲存裝置，主要包括有：液化天然氣儲罐（LNGtank）、液化石油氣儲罐（LPGtank)裝置等。由于LNG在儲存過程中始終處在常壓和-162℃左右的低溫條件下，儲罐內(nèi)會產(chǎn)生一定的蒸氣壓，因而為了避免上述情況出現(xiàn)，儲罐的材料以及絕緣性必須滿足要求。LNG的儲罐一般可分為獨立球型（MOSS型）、SPB型及薄膜型（GTT型）三種類型。SPB型GTT型MOSS型FLNG單點系泊系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)塔系泊方式，它是將FLNG通過一定的連接方式，固定于海上的系泊點上，使之可隨風、浪和流的作用，進行3600全方位的自由旋轉(zhuǎn)。單點系泊系統(tǒng)由轉(zhuǎn)塔、液體傳輸系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)及界面連接系統(tǒng)四部分組成，其中，轉(zhuǎn)塔不僅是FLNG的系泊點，而且也是立管和臍帶系統(tǒng)經(jīng)海底到達船體的通道。通常分為內(nèi)轉(zhuǎn)塔和外轉(zhuǎn)塔兩種系泊方式。內(nèi)轉(zhuǎn)塔一般設在船艏，而外轉(zhuǎn)塔則設在外懸臂上。設在船艏的內(nèi)轉(zhuǎn)塔裝置設在外懸臂上的外轉(zhuǎn)塔裝置LNG卸載系統(tǒng)目前，提出的卸載方式，主要分為尾輸與旁靠兩種方式。尾輸方式：它是將LNG運輸船的首部通過系泊纜與FLNG船的尾部相連，LNG通過長距離的輸送軟管卸載至LNG運輸船。尾輸方式旁靠方式：它是將LNG運輸船與FLNG船采用并排方式排列，兩船通過系泊纜和防碰墊等連接在一起，兩船之間的距離由防碰墊的尺寸來決定。旁靠方式FLNG的適用范圍１）適合深水氣田開發(fā)FLNG系統(tǒng)最主要的是適用于深水氣田開發(fā)。它與海底采氣系統(tǒng)和LNG運輸船可以組合成一個完整的深水采氣、油氣水處理、天然氣液化、LNG儲存和卸載系統(tǒng)，從而完美地實現(xiàn)深水氣田的高速度，高質(zhì)量、高效益的開發(fā)。這是因為它具有適應深水采氣（與海底完井系統(tǒng)組合）的能力；具有在深水海域中較強的抗風浪的能力；具有大產(chǎn)量的LNG液化和油氣水生產(chǎn)處理能力；具有大容量的LNG儲存能力。2）適合邊際氣田開發(fā)邊際氣田，是指從經(jīng)濟效益上衡量，處于可獲利開發(fā)與獲利少可不開發(fā)的邊界的氣田，它往往需通過采用先進技術與裝備等措施，才能開發(fā)。FLNG具有良好的經(jīng)濟性，它與相同規(guī)模的岸上液化天然氣工廠相比，投資減少20%，建設工期減少25%；FLNG具有良好的移動性，可在開發(fā)完某氣田之后，移動至下一油氣田使用，重復利用率高。FLNG靈活性高，可以與導管架井口平臺組合，也可以與自升式鉆采平臺組合。3）適合氣田早期生產(chǎn)早期生產(chǎn)（earlyproduction），是指在油氣田勘探過程中，當探井發(fā)現(xiàn)可開采氣田之后，在全面開發(fā)方案未準備好及天然氣生產(chǎn)設施未建成之前，在氣田開發(fā)早期短期內(nèi)利用FLNG使局部氣田投入生產(chǎn)，盡早獲得經(jīng)濟效益的開發(fā)方式。由于FLNG既可與導管架井口平臺組合，也可與自升式或浮式鉆采平臺組合成為完整的海上采氣、液化、油氣處理和LNG儲存、卸載系統(tǒng)，因而深水、淺水還是近海均可應用它進行氣田早期生產(chǎn)。FLNG的關鍵技術1、容器內(nèi)LNG的減晃技術由于液艙內(nèi)LNG的流動性遠高于原油的流動性，因而FLNG船體的運動將會引發(fā)艙內(nèi)LNG的晃蕩。LNG的晃蕩帶來的危害是：(1)船體受到較大傷害：由于艙內(nèi)LNG的晃蕩反過來會影響FLNG船體的整體運動，故而在產(chǎn)生共振的情況下，將引起船體疲勞損傷。(2)液化裝置效率降低：船體在風、浪、流等影響下而產(chǎn)生的劇烈運動，使得安裝于FLNG甲板上的液化裝置處在不斷運動的環(huán)境中，劇烈運動的液化裝置引起的LNG的晃蕩，將使液化工作效率大大降低。減小LNG在容器內(nèi)晃動的主要措施：(1)合理布置液化裝置液化裝置在FLNG上的位置與方向?qū)p小其運動響應有直接關系。例如，在六個自由度的運動中，通常是以縱搖最為有害，故液化裝置的軸向若能布置成沿最小的縱搖方向，則可使縱搖減輕。再如，若能使液化裝置盡量靠近船體的重心位置來布置，則可使液化裝置沿垂直軸(Z軸)方向的升沉運動的響應，保持在一個最小值。(2)合理設計液化裝置液化裝置的尺寸和內(nèi)部構件的幾何形狀、尺寸等均應合理設計。如臥式液化裝置，應盡可能地增加其直徑和減小長度尺寸。從內(nèi)部構件來看，應增設堰板，但其數(shù)量及幾何形狀（如采用彎月形等)，則應通過優(yōu)化設計，合理確定。一般應使液化裝置能經(jīng)受600橫搖和300縱搖。中國石油大學研制的專利28626號“一種減少容器內(nèi)部液面晃動的阻晃裝置，”就是從優(yōu)化設計理論出發(fā)，通過反復實驗，得出的提高生產(chǎn)效率的成果。2、尾輸卸載的軟管技術FLNG尾輸卸載作業(yè)時，是通過一根系泊纜與穿梭油輪連接，并使用輸送LNG的軟管進行卸載。通常一個卸載過程大約20小時左右，這就要求輸送軟管需要全程浮于水面之上。但是，由于LNG必須保持零下162℃的超低溫，因而不僅要求輸送軟管的材料能承受超低溫；而且軟管本身還要不受海水較長時間的溫度影響，保持恒超低溫。此外，輸送軟管還需要克服FLNG與穿梭油輪兩船相對運動的影響。目前我國尚無這種高端產(chǎn)品。具有最佳保持恒低溫及防漏性能的高級真空絕熱環(huán)空系統(tǒng)的冷凍軟管，此種冷凍軟管系由耐超低溫(-1600C)材料的輸送軟管及其真空絕熱環(huán)空系統(tǒng)組成，具體構成如下：輸送軟管與真空絕熱系統(tǒng)組合而成的冷凍軟（1）、保護殼（2）、柔性不銹鋼外管（3）、具有最佳保持恒低溫及防漏性能的高級真空絕熱環(huán)空系統(tǒng)（4）、不銹鋼鎧甲（5）、柔性不銹鋼內(nèi)管3、旁靠卸載的防碰技術旁靠卸載作業(yè)時，由于近靠的兩船體之間會相互產(chǎn)生強烈的非線性水動力影響，因而有時會導致兩浮體之間的碰撞。因此，就需要對兩浮體之間的相互水動力影響進行研究，對兩浮體之間的相對運動響應做出準確的預報，尤其是要準確預報FLNG的運動響應。為此，不僅要開展非線性水動力學研究，給出預報軟件；而且，還要通過實驗水池試驗，研究抗撞措施(例如，自由液面處加一蓋子等)。我國研制的一種新吸能防撞器這種吸能防撞器與常用的橡膠防撞器不同，它是由鋼絲繩制成。它選用受壓彎時內(nèi)摩擦大的品種的鋼絲繩；采用緊密堆壘排列的繞層方式；用鋁合金壓接技術緊固其繩端，從而使其在多次沖擊載荷下繩圈不會失效。鋼絲繩內(nèi)摩擦能夠大量消耗掉撞擊能量，它的消耗能量比率高達70%~80%，為橡膠防撞器所消耗能量的2~3倍(同一試驗機上作試驗，橡膠防撞器所消耗能量僅為30%)。這種防撞器已為我國專利：ZL93224217.0。4、液化工藝的改進技術(1)液化流程的緊湊：甲板面積僅為岸上天然氣液化工廠面積的1/4，這就要求天然氣液化的工藝流程，要設計得十分緊湊。(2)制冷劑的高性能：船上制備的制冷劑，要具有對不同產(chǎn)地的天然氣的高適應性，還要熱效率高；并且在面臨惡劣天氣時能快速停機，移動至另一生產(chǎn)位置后能迅速開機。(3)循環(huán)模式的優(yōu)選：液化流程的循環(huán)模式要按照結(jié)構緊湊、安全性好、制冷劑始終保持氣相、冷箱小、無需分餾塔、對船體運動的敏感性低等要求，依優(yōu)化設計理論優(yōu)選。5、FLNG的動力定位技術動力定位系統(tǒng)(DPS)是通過聲波測量系統(tǒng)測出船體位移，再運用計算機自位移算出來自海洋環(huán)境的動力及力矩，然后，指令可變矩螺旋槳給出相反的抵抗力及力矩，從而實時保持船體定位的技術。有了動力定位技術，即可使FLNG適應海況的能力大大增強；也更有利于LNG的卸載作業(yè)，使卸載作業(yè)可以在更為惡劣的環(huán)境條件下進行。因此，這就需要從FLNG的船型特點及服役的海域海況實際出發(fā)，設計出適應的FLNG的動力定位系統(tǒng)。發(fā)展FLNG的建議1、充分發(fā)揮我國優(yōu)勢(1)我國具有建造生產(chǎn)儲油輪(FPSO)的經(jīng)驗據(jù)統(tǒng)計，至今我國已自主設計與建造了生產(chǎn)儲油輪(FPSO)11艘。我國建造的生產(chǎn)儲油輪的最大載重量為30萬噸(國外為34萬噸)與國外基本持平。通過11艘的設計與建造，積累了豐富經(jīng)驗。FLND與生產(chǎn)儲油輪(FPSO)基本上類似，雖然，如前所述有不少差別，但是相同之處很多。因此，只要發(fā)揮這方面的優(yōu)勢，依靠這些豐富經(jīng)驗，就會給我國建造FLND創(chuàng)造了極其有利的條件。渤海長青(2)我國具有建造單點系泊(SMS)的經(jīng)驗FLNG是通過單點系泊系統(tǒng)（Single-PointTurretMooringSystem）定位于目標海域的。單點系泊系統(tǒng)可以使FLNG在海洋環(huán)境條件下產(chǎn)生良好的風標效應，從而使FLNG船體所受環(huán)境載荷趨于最小，進而降低船體的運動響應及其系泊系統(tǒng)所受的載荷。我國已建造SPM多座，具有實驗研究、設計、建造單點系泊系統(tǒng)的豐富經(jīng)驗，而且還可以借鑒FPSO的經(jīng)驗對FLNG船體運動與其系泊系統(tǒng)間的耦合響應問題進行研究。(3)我國具有設計建造FPDSO的經(jīng)驗世界首座最先進的圓筒型超深水第六代半潛式鉆井采油儲油卸載多功能平臺，已于2010年在我國中遠船務工程有限公司的啟東基地成功建成，被命名為“SEVANDRILLER”號，并已交付給買方巴西，目前正在巴西海域投入使用。這座高135米，直徑84米，工作水深3050米的多功能平臺是由南通中遠船務工程有限公司獨立設計、自主建造的。因其與FPSO相類似，但功能更全、尺度更大，故這些設計、建造經(jīng)驗，對FLND具有重要價值。浮式圓筒式FPSO我國自主設計建造的單點系泊裝置2、借鑒國外先進經(jīng)驗目前，國外一些石油和天然氣公司正在研究FLNG技術，并且不斷取得技術創(chuàng)新。如：(1)皇家荷蘭殼牌公司：它將投資30億美元建造世界上第一艘FLNG，該FLNG將在距西澳大利亞州200公里的前奏曲氣田（Preludegasfield）進行作業(yè)，擬于2016年投產(chǎn)。(2)馬來西亞石油公司：它已于2011年2月，委托法國德西尼布公司與大宇造船和船舶工程公司合作，對應用于馬來西亞海域的FLNG開始了前端工程設計。(3)日本國際石油開發(fā)公司：它正在評估在帝汶海的阿巴迪天然氣田（Abadigasfield）投入FLNG的可行性。(4)美國的雪佛龍石油公司：它正在考慮在西澳大利亞的?？怂姑┧购Ｅ_（ExmouthPlateau）投產(chǎn)一艘FLNG，進行資源開發(fā)。(5)美國的?？松梨诠荆核诜e極尋找機會開始他們的FLNG項目?？傊?，這些國外公司在研制FLND過程中的先進經(jīng)驗，均是值得我國借鑒的。3、組織起來進行攻關對于FLNG這個海洋天然氣資源開發(fā)的新亮點，我國緊跟世界步伐，已于2003年，開始引起注意，啟動了先導性研究。其中也有些進展，如中海油研究總院曾與上海交通大學等多家高校及科研院所合作，從2008年開始，針對用于南海深水荔灣氣田的FLNG技術，開展了一些研究，并取得了初步成果。但是，總的說，還是屬于“零敲碎打”，未“形成拳頭力量”，未“形成主攻方向”，未“取得突破進展”。當前，急需組織起來進行“攻關”。(1)建議“863”立項目前，F(xiàn)LNG技術在全世界范圍正處于起步階段。FLNG技術是近年海洋油