FLNG发展及应用初探

FLNG发展及应用初探

杜庆贵;谢彬;谢文会;朱小松;王俊荣;冯加果

【摘 要】浮式液化天然气生产储存外输装置(FLNG)是海洋工程领域所关注的热点之一.介绍了FLNG的概念及关键技术,分析了FLNG的发展历程及工程应用,总结了在中国南海应用中存在的问题和挑战,并给出了相应的建议.

【期刊名称】《石油矿场机械》

【年(卷),期】2016(045)008

【总页数】7页(P1-7)

【关键词】浮式液化天然气生产储存外输装置;海洋工程;LNG

【作 者】杜庆贵;谢彬;谢文会;朱小松;王俊荣;冯加果

【作者单位】中海油研究总院深水工程重点实验室,北京100027;中海油研究总院深水工程重点实验室,北京100027;中海油研究总院深水工程重点实验室,北京100027;中海油研究总院深水工程重点实验室,北京100027;中海油研究总院深水工程重点实验室,北京100027;中海油研究总院深水工程重点实验室,北京100027

【正文语种】中 文

【中图分类】TE952

我国南海海域蕴藏着丰富的油气资源，石油地质资源量230亿～300亿t，天然气总地质资源量约16万亿m3，占我国油气总资源量的三分之一，其中70%位于中远海[1-2]。南海中远海气藏离岸300 km以上，水深1 500 m以上，周边海域没有可依托开发设施，若采用传统的“生产平台+长距离海底管道”的开发模式开采，成本高昂，流动安全难以保障，技术实施风险较大(目前最长的水下海管位于挪威海域，长约140 km)。南海中远海气藏的开发需要新的开发模式和浮式装置。

随着澳大利亚西北海域Prelude气田开发的推进，一种全新的浮式生产装置——FLNG，从概念走向现实，如图1所示。该装置具备天然气的开采、处理、液化储存及外输功能，可实现对传统气田开发模式的替换[3]。笔者对该装置的发展历程、装置构成及其特点、关键技术、工程应用等展开讨论，为我国FLNG的发展和应用提供参考。

浮式液化天然气生产储存外输装置(Floating，LNG production，storage and

offloading system，FLNG)，其概念类似于FPSO，存储介质为LNG。由于LNG的物理特性，FLNG的设计远比FPSO复杂。典型的FLNG如图2所示，主要包括船体系统、单点系泊系统、液舱维护系统、外输系统、油气处理系统、生活楼等。

传统的海上气田开发工程模式一般将海底采集的天然气通过海底管道输送到陆上终端，其主要的工程设施包括生产平台(或水下生产系统)、生产管线、外输管线、陆上处理终端(如图3)。典型的以FLNG为主要工程设施的气田开发工程模式将海底采集的天然气集输到FLNG进行处理、液化、存储和外输，主要的工程设施包括水下生产系统、FLNG、生产管线、穿梭油轮等，如图4所示。

FLNG作为一种新的工程装置集生产平台、外输管线，陆上终端的功能于一体，与传统的开发模式相比，以FLNG为主要工程设施的气田开发具有以下特点。

1) 不需要浮式平台、长距离外输管线、陆上处理终端，经济性较好。

2) 所有生产处理设备占地面积小，受外部环境载荷影响小，风险更可控。

3) 所有生产处理设备占地面积小，对环境影响小。

4) 工程设施建造周期相对较短。

1) 受甲板面积制约，产能不能太大，适应于中小气田，难以适应超大型气田开发。

2) 生产能力扩大时，处理设备对产品更敏感，扩能难度较大，成本较高。 3) 作业及维护成本高。

4) 安全要求更高。

综上所述，FLNG装置比较适合用于离岸较远、周边没有外输管网依托的中、小型气田开发。

FLNG液化装置要求工艺流程紧凑，最少的烃类制冷剂需求和储存量，符合岸上液化天然气工厂的流程一般不能满足此需求。因此，在设计FLNG液化工艺时，需要考虑海上晃荡对分离过程等的影响，一般须增加材料设计强度，减少设备占用空间，工艺装置要满足安全需要，工艺流程要有足够的海上适应性，以适应原料气的变化和生产天数。

FLNG装置储存有易燃易爆的生产介质和超低温的LNG，其生产工艺流程模块采用分层设计，工艺设备密集，风险因素的空间分布较为复杂。由于工作环境恶劣，生产工艺复杂，设备费用较高，一旦发生工艺事故，容易造成较大的安全事故和经济损失[4-6]。

FLNG上部处理设施复杂，质量大、重心高，舱内液货密度小。为了满足总体稳性要求，船体设计及舱室布置更为复杂。

FLNG液货存储舱舱内液体温度低(-162 ℃)，由于液舱维护系统并非绝热，舱外船体钢板的环境温度较低(主膜破损时，局部结构可达到-50 ℃)，船体中横剖面设计难度更大。

FLNG船宽大、上部设施质量大，对船体的总体强度要求更高。

FLNG固有周期影响到液舱晃荡冲击载荷和旁靠外输作业的两船相对运动(FLNG与LNG运输船)，需要综合考虑。

目前，国内外采用的LNG 液舱主要有自支撑式和薄膜型2种。其中自支撑式包括日本石川岛播磨重工株式会社(IHI )研制的SPB(Self-supporting，Prismatic-shape IMO type B)棱型液舱和Moss Maritime 研制的Moss 球型液舱。薄膜型液舱主要为GTT 公司研制的No.系列液舱(GT 公司研制)和MARK 系列液舱(TG

公司研制)。Moss 球型液舱易建造维护、蒸发率低、不存在晃荡问题、不受载液率影响、装载单位体积货物所需船体更大、甲板可利用率低；SPB棱型液舱甲板可利用率高、维修方便、蒸发率低、不存在晃荡问题、不受载液率影响、造价较高；薄膜型液舱甲板可利用率高、维修方便、蒸发率适中、造价低，受液舱晃荡影响较大[7]。

目前运营的LNG船中，薄膜型液舱应用最多。不同于LNG船，FLNG固定在具体海域永久作业，液面变化频繁，液舱晃荡更为剧烈，晃荡冲击载荷更大，容易对液舱壁造成破损。在恶劣海域SPB棱型液舱亦有较大发展空间。

外输卸货为FLNG技术链的关键环节。在开阔海域进行两艘船之间的液化天然气(LNG)和气态天然气传输作业会面临很大的挑战，特别是在恶劣的海况条件下，作业将变得更加困难。通常情况下，FLNG 船与LNGC(LNG 运输船)采用艉输与旁靠外输2种方式进行卸载。在艉输中，LNGC的艏部通过系船缆与FLNG 船的尾部相连，LNG 通过长距离的低温外输软管卸载至LNGC，但是该技术尚不成熟。虽然Technip研制的低温外输软管已经完成原型试验，但尚未有工程应用。在旁靠外输中，LNGC与FLNG 船采用并排排列，两船通过系船缆相连，中间布置防碰垫，LNG 通过卸载臂卸载至LNGC。由于在旁靠作业中，FLNG 船与LNGC距离较近，两船之间的水动力干扰较大，对作业环境条件要求较高，成本较高[8-9]。

FLNG装置船体大、上部设施高、环境载荷大，对系泊定位提出了更高的要求。正常生产作业状态，FLNG的系泊方案与FPSO无本质差异，系泊链缆规格等级偏高。在外输作业时，由于FLNG与LNGC之间的安全作业要求更严苛，定位要求更高，在恶劣海况条件下FLNG装置可能需要增加侧推桨或安装动力定位系统[10]。

FLNG上部处理模块工艺流程复杂，压力容器、压力管道等承压设备较多，布置相对紧凑，各设备通道的过程介质是液化天然气、液化石油气和原油等易燃易爆物质，液货舱温度较低。相对常规的浮式生产设施，FLNG的风险分析与评估有诸多不同，要求更为苛刻[11]。

FLNG发展历程大致可以分为3个阶段，技术研究阶段(2000年前)、工程方案阶段(2000—2010年)、工程实施阶段(2010年后)。

1969年，Shell 第1次提出了FLNG概念研究。

1978年，FLNG第1次被提出用作工程方案。方案目标海域为伊朗Kangan气田，如图5所示。

1988—2000年，获得多个JIP项目支持研究，比较知名的3个JIP项目如表1所示。

结合其他大量研究，业界掌握了FLNG的关键设计分析技术，为FLNG走向工程应用打下了坚实的基础。

2000—2010年，世界上尚未有FLNG正式投入运营，但已有多家船厂表示能够设计建造FLNG。为了进一步向工程应用推进，争夺世界首艘FLNG，多家船东、船厂、船级社、关键设备和系统供应商开始了竞争，并组成了多个研发联盟开展工程方案研究，其中知名的联盟如表2所示。

除了上述企业联盟，还有“三星重工+Technip”，“大宇造船+日本日挥公司”，“现代重工+日本千代田公司”等联盟，联盟的组合并不稳定，根据商业运作需要，变动比较大。

经过这段时间研究，形成了一些工程方案，如表3所示。

2009-07，壳牌公司授予Technip和Samsung两家公司FEED合同。

2010-12，壳牌公司提出的FLNG开发方案通过澳大利亚当局环境评估。

2011-05，壳牌公司作出Prelued FLNG最终投资决定。

至此，世界首艘FLNG正式走向工程应用，标志着FLNG这一新概念进入工程实施阶段。 在Prelued FLNG走向工程实施不久，马来西亚海域的Kanowit FLNG和Sabah

FLNG陆续走向工程实施阶段，其他一些工程项目也在迅速推进。其中一些FLNG新建工程项目如表4。

上述项目主要分布在澳大利亚西北海域，如图6所示。

南海深水气田的主要特点为离岸远、水深、周边缺少依托设施、台风内波频发、环境条件恶劣。南海的特殊环境条件对FLNG的设计提出了更高的要求。

对一个新的生产装置，是否有必要采用更高的环境条件？南海FPSO的设计一般采用100 a台风海况作为生存工况，近年新设计的FPSO环境要求进一步提高，如恩平HYSY118 FPSO用500 a校核平台的总体强度和系泊定位。第1座FLNG——Prelude FLNG采用10 000 a台风海况作为生存环境条件校核。环境条件的提高增大了平台的安全性，但是，对FLNG的设计提出了更严格的要求，加大了项目投资。因此，FLNG在南海的应用需权衡具体油田的安全性和经济性，确定合理的设计环境条件。

南海环境条件恶劣，FLNG运动幅度较大，具有自由液面的塔式设备、冷箱等液面晃荡幅度大，影响到其工作效率，设备选型时需予以特殊考虑。

南海环境条件恶劣，内波频发，夏、秋两季台风频发，冬季季风较大，船体受到的环境载荷较大，建议采用船型船体设计方案。台风过境时是否需要解脱对FLNG的设计也将有重大影响。由于南海台风频发，解脱、撤离、回接对油田作业影响较大，建议考虑采用台风关停不解脱的设计方案。

南海台风频发，台风过程中平台停产，所有生产设备及电站处于关停状态，液舱区域维温系统停止加热后将导致船体局部温度过低(可能低于设计极限要求)，给船体的安全运行带来重大挑战。解决上述问题可以从自持型液舱(不需要加热)、耐低温钢材及焊接技术、台风期间供电技术、液舱布置优化等方面寻找突破口。

南海环境条件恶劣，目前的旁靠外输装置由于其作业环境条件的限制难以满足南海