【FLNG专题】详解FLNG技术

FLNG设计模型

LNG运输船与FLNG对接技术

海上天然气液化工艺简介

　　

　　LNG—FPSO（LNG Floating Production Storage and of Floating Unit，又称FLNG）是集海上液化天然气的生产、储存、装卸和外运为一体的新型浮式生产储卸装置，应用于海上气田的开采具有投资成本低、建造周期短、开发风险小、便于迁移和安全性高等特点。然而由于技术和经济的限制，LNG—FPSO还没有像Oil－FPSO（Oil Floating Production Storage and Off－Loading Unit）那样得到广泛应用。2009年Songhurst在亚洲商业化FLNG会议上总结了全球15个FLNG项目，其中多数尚处于概念设计阶段。2011年，Shell公司确定投资建造世界上首个LNG—FPSO—Prelude FLNG，并将在澳大利亚的Prelude气田投入使用。

　　作为LNG—FPSO的核心技术，天然气液化工艺对装置的建造运营费用、运行稳定性和整个系统的安全性影响巨大，在满足生产需求、市场需求以及控制成本的前提下，应用于LNG—FPSO的天然气液化技术及相关设备的选择对于减小投资风险、增强方案的可行性至关重要。目前陆上的天然气液化技术已经比较成熟，而海上作业的特殊性（台风、波浪、作业空间等的影响）使得海上天然气液化工艺的设计标准不同于陆上，海上天然气液化工艺系统的安全性、简洁性、紧凑性、占地面积、模块化设计、对不同气田的适应性和对海上环境的适应性等显得更为重要。

　　FLNG作为一种概念，已经历长达40多年的讨论，而近几年来FLNG市场出现了快速发展，目前已有2艘FLNG项目投入运营，更多项目正在开展和论证中。

　　据了解，Technip公司正在进行两个FLNG项目的设计、工程化、采购、建造安装项目。一个是壳牌公司的西澳大利亚Prelude开发项目，其合作伙伴是三星重工。壳牌公司于2012年10月进行Prelude子结构的开工，2013年1月开始进行上层模块的建造。该FLNG船长488米，宽74米，每年可以处理360吨的LNG、130万吨的凝析油、40万吨的LPG。

　　另一个是巴西国家石油公司(Petrobras)在马来西亚Kanowit油田运营的FLNG设施，合作伙伴是大宇造船海洋，共同负责项目的工程化、采购、建造和安装。

　　还有一些FLNG项目正在进行前端设计或超前端设计，包括埃克森美孚的Scarborough项目、Woodside石油公司的Browse开发项目、Inpedx公司的印度尼西亚Abadi项目。

　　诸多因素促进了FLNG市场的发展，例如海上FLNG装置的建造时间相比于陆地LNG储存舱短，陆上建造时间长达3～4年，而且海上FLNG装置的建造成本相对较低。同时，生产储存技术的发展使得遥远的伴生气田的开发具有了可行性，工程师解决了FLNG的三个主要难题：围护、海上装载、将陆地液化气装置复制到空间有限的浮式船舶上，进行安全的设计和找到合适的重心非常关键。

　　Technip公司称，空间利用和安全是海上LNG生产的关键难点，陆地上由于有大量空间而不存在这些问题，而海上却十分拥挤，在陆上可以使用2D方法，而海上只能采用3D方法。FLNG装置设计紧凑，同时实际工作环境还涉及到颠簸、腐蚀等诸多问题，因此甲板上的生产装置部分详细设计与陆地同规模工厂设计完全不同。该公司进行了长达40～50年的LNG装置设计，在过去，空间利用的问题不像FLNG这样突出，目前需要结合LNG技术和对海洋环境的理解，将所有的设备布置在一个有限空间内，这将决定项目的成功与否。

　　相比于固定码头附近的传统装载方式而言，LNG从浮式结构装载到运输船上同样也是一个较为复杂的问题。装载操作必须在两艘处于运动的船上进行，而且存在一定的距离，例如Prelude项目中的FLNG装置的甲板上安装有装载臂，该甲板至常规LNG运输船的进入管汇长达10米甚至更大。

　　为了解决甲板之间的落差问题，FMC技术公司开发了一种新型装载臂，该系统命名为“海上无脚装载臂”(OLAF)，该装置基于现有的Chiksan船用装载技术，但取消了用于支持铰接组装的基础立管。OLAF安装在甲板的转盘上，能够减少1/5的臂长，距离范围能够到达下方运输船的甲板上。控制系统用于船舶之间运动的分析与预测，以防止运输船上的应力集中。FMC公司称，LNG运输船的管汇不能承受较多的机械载荷，因此只能确保连接这些管汇的系统具有完全的自我支持能力和自我平衡能力。

　　液体输送目前仍是一个挑战，特别是项目的工作环境越来越有挑战性的时候。在Prelude项目中，LNG运输船在装载状况下采用并行模式，而在海况波高超过4.5米时这种模式并不可行，在这种状况下装载模式可以采用前后布置或首尾布置，两船之间的距离约为70～115米。FMC公司目前开发了一型前后排列的装载系统，称之为“前后排列海上装载机”(ATOL)，适用于工作水深为900米的Carnarvon油气田。

　　通过项目积累经验也成为了FLNG市场发展的一个特点。壳牌公司在2011年开展Prelude项目时，就明确表示该项目应为未来的FLNG项目积累可行的经验。

FLNG浮式液化天然气储存装置

　　FLNG通常通过单点系泊系统定位于作业海域，其船体上装设有天然气液化系统。

　　天然气液化系统（Liquefaction）相当于将岸上天然气液化工厂安置于FLNG船体的甲板上。但是，甲板面积仅有岸上天然气液化工厂面积的1/4，因而就要使天然气液化系统工艺流程十分紧凑。流程中主要包括有：制取制冷剂的氮膨胀机循环系统；液化及冷凝抽提系统；气体处理系统等。整个系统要紧凑、安全性好、对船体运动的敏感性低。

液化天然气储存系统

　　FLNG，中文名为浮式液化天然气储存装置，主要包括有：液化天然气储罐（LNG tank）、液化石油气储罐（LPG tank)装置等。　

　　由于LNG在储存过程中始终处在常压和-162℃左右的低温条件下，储罐内会产生一定的蒸气压，因而为了避免上述情况出现，储罐的材料以及绝缘性必须满足要求。LNG的储罐一般可分为独立球型（MOSS型）、SPB型及薄膜型（GTT型）三种类型。

SPB型

GTT型

MOSS型

FLNG单点系泊系统

　　

　　采用转塔系泊方式，它是将FLNG通过一定的连接方式，固定于海上的系泊点上，使之可随风、浪和流的作用，进行3600全方位的自由旋转。单点系泊系统由转塔、液体传输系统、旋转系统及界面连接系统四部分组成，其中，转塔不仅是FLNG的系泊点，而且也是立管和脐带系统经海底到达船体的通道。通常分为内转塔和外转塔两种系泊方式。内转塔一般设在船艏，而外转塔则设在外悬臂上。

设在船艏的内转塔装置

设在外悬臂上的外转塔装置

LNG卸载系统

　　

　　目前，提出的卸载方式，主要分为尾输与旁靠两种方式。

　　尾输方式：它是将LNG运输船的首部通过系泊缆与FLNG船的尾部相连，LNG通过长距离的输送软管卸载至LNG运输船。

尾输方式

　　旁靠方式：它是将LNG运输船与FLNG船采用并排方式排列，两船通过系泊缆和防碰垫等连接在一起，两船之间的距离由防碰垫的尺寸来决定。

旁靠方式

FLNG的适用范围

１）适合深水气田开发

　　FLNG系统最主要的是适用于深水气田开发。它与海底采气系统和LNG运输船可以组合成一个完整的深水采气、油气水处理、天然气液化、LNG储存和卸载系统，从而完美地实现深水气田的高速度，高质量、高效益的开发。这是因为它具有适应深水采气（与海底完井系统组合）的能力；具有在深水海域中较强的抗风浪的能力；具有大产量的LNG液化和油气水生产处理能力；具有大容量的LNG储存能力。

2）适合边际气田开发

　　边际气田，是指从经济效益上衡量，处于可获利开发与获利少可不开发的边界的气田，它往往需通过采用先进技术与装备等措施，才能开发。 FLNG具有良好的经济性，它与相同规模的岸上液化天然气工厂相比，投资减少20%，建设工期减少25% ；FLNG具有良好的移动性，可在开发完某气田之后，移动至下一油气田使用，重复利用率高。 FLNG灵活性高，可以与导管架井口平台组合，也可以与自升式钻采平台组合。

3）适合气田早期生产

　　早期生产（early production），是指在油气田勘探过程中，当探井发现可开采气田之后，在全面开发方案未准备好及天然气生产设施未建成之前，在气田开发早期短期内利用FLNG使局部气田投入生产，尽早获得经济效益的开发方式。由于FLNG既可与导管架井口平台组合，也可与自升式或浮式钻采平台组合成为完整的海上采气、液化、油气处理和LNG储存、卸载系统，因而深水、浅水还是近海均可应用它进行气田早期生产。

FLNG的关键技术

1、容器内LNG的减晃技术

　　由于液舱内LNG的流动性远高于原油的流动性，因而FLNG船体的运动将会引发舱内LNG的晃荡。

　　LNG的晃荡带来的危害是：

　　(1)船体受到较大伤害：由于舱内LNG的晃荡反过来会影响FLNG船体的整体运动，故而在产生共振的情况下，将引起船体疲劳损伤。

　　(2)液化装置效率降低：船体在风、浪、流等影响下而产生的剧烈运动，使得安装于FLNG甲板上的液化装置处在不断运动的环境中，剧烈运动的液化装置引起的LNG的晃荡，将使液化工作效率大大降低。

　　减小LNG在容器内晃动的主要措施：
      (1)合理布置液化装置

　　液化装置在FLNG上的位置与方向对减小其运动响应有直接关系。

  例如，在六个自由度的运动中，通常是以纵摇最为有害，故液化装置的轴向若能布置成沿最小的纵摇方向，则可使纵摇减轻。

  再如，若能使液化装置尽量靠近船体的重心位置来布置，则可使液化装置沿垂直轴(Z轴)方向的升沉运动的响应，保持在一个最小值。

　　(2)合理设计液化装置

  液化装置的尺寸和内部构件的几何形状、尺寸等均应合理设计。如卧式液化装置，应尽可能地增加其直径和减小长度尺寸。从内部构件来看，应增设堰板，但其数量及几何形状（如采用弯月形等)，则应通过优化设计，合理确定。一般应使液化装置能经受600横摇和300纵摇。中国石油大学研制的专利28626号“一种减少容器内部液面晃动的阻晃装置，”就是从优化设计理论出发，通过反复实验，得出的提高生产效率的成果。

2、尾输卸载的软管技术

　　FLNG尾输卸载作业时，是通过一根系泊缆与穿梭油轮连接，并使用输送LNG的软管进行卸载。通常一个卸载过程大约20小时左右，这就要求输送软管需要全程浮于水面之上。但是，由于LNG必须保持零下162℃的超低温，因而不仅要求输送软管的材料能承受超低温；而且软管本身还要不受海水较长时间的温度影响，保持恒超低温。此外，输送软管还需要克服FLNG与穿梭油轮两船相对运动的影响。目前我国尚无这种高端产品。

　　具有最佳保持恒低温及防漏性能的高级真空绝热环空系统的冷冻软管，此种冷冻软管系由耐超低温(-1600C)材料的输送软管及其真空绝热环空系统组成，具体构成如下：

　　输送软管与真空绝热系统组合而成的冷冻软

　　（1）、保护壳

  （2）、柔性不锈钢外管

  （3）、具有最佳保持恒低温及防漏性能的高级真空绝热环空系统

  （4）、不锈钢铠甲

  （5）、柔性不锈钢内管

3、旁靠卸载的防碰技术

　　旁靠卸载作业时，由于近靠的两船体之间会相互产生强烈的非线性水动力影响，因而有时会导致两浮体之间的碰撞。因此，就需要对两浮体之间的相互水动力影响进行研究，对两浮体之间的相对运动响应做出准确的预报，尤其是要准确预报FLNG的运动响应。为此，不仅要开展非线性水动力学研究，给出预报软件；而且，还要通过实验水池试验，研究抗撞措施(例如，自由液面处加一盖子等)。

　　我国研制的一种新吸能防撞器

　　这种吸能防撞器与常用的橡胶防撞器不同，它是由钢丝绳制成。它选用受压弯时内摩擦大的品种的钢絲绳；采用紧密堆垒排列的绕层方式；用铝合金压接技术紧固其绳端，从而使其在多次冲击载荷下绳圈不会失效。钢絲绳内摩擦能够大量消耗掉撞击能量，它的消耗能量比率高达70%~80%，为橡胶防撞器所消耗能量的2~3倍(同一试验机上作试验，橡胶防撞器所消耗能量仅为30%)。这种防撞器已为我国专利：ZL93224217.0。

4、液化工艺的改进技术

　　(1)液化流程的紧凑：甲板面积仅为岸上天然气液化工厂面积的1/4，这就要求天然气液化的工艺流程，要设计得十分紧凑。

　　(2)制冷剂的高性能：船上制备的制冷剂，要具有对不同产地的天然气的高适应性，还要热效率高；并且在面临恶劣天气时能快速停机，移动至另一生产位置后能迅速开机。

　　(3)循环模式的优选：液化流程的循环模式要按照结构紧凑、安全性好、制冷剂始终保持气相、冷箱小、无需分馏塔、对船体运动的敏感性低等要求，依优化设计理论优选。

5、FLNG的动力定位技术

　　动力定位系统(DPS)是通过声波测量系统测出船体位移，再运用计算机自位移算出来自海洋环境的动力及力矩，然后，指令可变矩螺旋桨给出相反的抵抗力及力矩，从而实时保持船体定位的技术。有了动力定位技术，即可使FLNG适应海况的能力大大增强；也更有利于LNG的卸载作业，使卸载作业可以在更为恶劣的环境条件下进行。因此，这就需要从FLNG的船型特点及服役的海域海况实际出发，设计出适应的FLNG的动力定位系统。

发展FLNG的建议

1、 充分发挥我国优势

　　(1)我国具有建造生产储油轮(FPSO)的经验

　　据统计，至今我国已自主设计与建造了生产储油轮(FPSO)11艘。我国建造的生产储油轮的最大载重量为30万吨(国外为34万吨)与国外基本持平。通过11艘的设计与建造，积累了丰富经验。FLND与生产储油轮(FPSO)基本上类似，虽然，如前所述有不少差别，但是相同之处很多。因此，只要发挥这方面的优势，依靠这些丰富经验，就会给我国建造FLND创造了极其有利的条件。

渤海长青

　　(2)我国具有建造单点系泊(SMS)的经验

　　FLNG是通过单点系泊系统（Single-Point Turret Mooring System）定位于目标海域的。单点系泊系统可以使FLNG在海洋环境条件下产生良好的风标效应，从而使FLNG船体所受环境载荷趋于最小，进而降低船体的运动响应及其系泊系统所受的载荷。我国已建造SPM多座，具有实验研究、设计、建造单点系泊系统的丰富经验，而且还可以借鉴FPSO的经验对FLNG船体运动与其系泊系统间的耦合响应问题进行研究。

　　(3)我国具有设计建造FPDSO的经验

　　世界首座最先进的圆筒型超深水第六代半潜式钻井采油储油卸载多功能平台，已于2010年在我国中远船务工程有限公司的启东基地成功建成，被命名为“SEVAN DRILLER”号，并已交付给买方巴西，目前正在巴西海域投入使用。这座高135米，直径84米，工作水深3050米的多功能平台是由南通中远船务工程有限公司独立设计、自主建造的。因其与FPSO相类似，但功能更全、尺度更大，故这些设计、建造经验，对FLND具有重要价值。

浮式圆筒式FPSO

我国自主设计建造的单点系泊装置

2、 借鉴国外先进经验

　　目前，国外一些石油和天然气公司正在研究FLNG技术，并且不断取得技术创新。如：

　　(1)皇家荷兰壳牌公司：它将投资30亿美元建造世界上第一艘FLNG，该FLNG将在距西澳大利亚州200公里的前奏曲气田（Prelude gas field）进行作业，拟于2016年投产。

　　(2)马来西亚石油公司：它已于2011年2月，委托法国德西尼布公司与大宇造船和船舶工程公司合作，对应用于马来西亚海域的FLNG开始了前端工程设计。

　　(3)日本国际石油开发公司：它正在评估在帝汶海的阿巴迪天然气田（Abadi gas field）投入FLNG的可行性。

　　(4)美国的雪佛龙石油公司：它正在考虑在西澳大利亚的埃克斯茅斯海台（Exmouth Plateau）投产一艘FLNG，进行资源开发。

　　(5)美国的埃克森美孚公司：它正在积极寻找机会开始他们的FLNG项目。

   总之，这些国外公司在研制FLND过程中的先进经验，均是值得我国借鉴的。

3、 组织起来进行攻关

　　对于FLNG这个海洋天然气资源开发的新亮点，我国紧跟世界步伐，已于2003年，开始引起注意，启动了先导性研究。其中也有些进展，如中海油研究总院曾与上海交通大学等多家高校及科研院所合作，从2008年开始，针对用于南海深水荔湾气田的FLNG技术，开展了一些研究，并取得了初步成果。但是，总的说，还是属于“零敲碎打”，未“形成拳头力量”，未“形成主攻方向”，未“取得突破进展”。当前，急需组织起来进行“攻关”。

(1)建议“863”立项

  目前，FLNG技术在全世界范围正处于起步阶段。FLNG技术是近年海洋油气工程领域研究的热点之一；FLNG技术是当前全球海洋油气工程的最前沿；FLNG属于高端产品；FLNG的建造属于战略性新兴产业。因此，建议我国尽快将FLNG技术，列为国家“863”科研计划的研究课题。因为只有这样，由国家科技部统一领导，才能统筹协调全国有关企业、事业单位，“集中优势兵力”，“形成拳头”，实现组织起来进行“攻关”。

(2)结合实际自主创新

　　FLNG技术含量高，而且单艘船的开发建造成本也比较高，目前全球尚无FLNG的实际应用。因此，我国就必须要结合自己实际情况，自主创新。下列各方面可考虑：

　　提高平台抵御灾害能力：建议应采用200年一遇的风、浪参数，并且要将我国南海所特有的内波作为FLNG的设计条件。

　　加深FLNG的工作水深：适应我国南海深水的需要，建议FLNG的工作水深应达到3000米(目前国外正在研制的较小)。

　　增大船体尺寸与载重量：目前，世界上第一艘将于2016年正式投产的FLNG的总长达为488米，而我国已建造的FPSO，其总长仅为232米至285米，载重量仅在15万至30万吨，吨位及尺寸均需加大。

　　提高每年油气处理能力：Shell公司在建的世界第一艘FLNG，它可用于每年生产530万吨液态产品，其中包括360万吨液化天然气、130万吨凝析油和40万吨液化石油气。平台上大处理量的天然气液化系统需要创新。

　　改善FLNG的锚泊能力：可以考虑采用锚泊定位与动力定位相组合的系统。在锚泊定位适用的水深范围使用锚泊定位；在深水范围，例如3000米水深，则使用DPS3动力定位。这样，既满足了不同水深时FLNG对定位的要求；又使水浅时不致“大马拉小车”浪费能源，实现低碳化，一举两得。

　　研制真空绝热冷冻软管：为了实施尾输LNG至穿梭外输轮，需要自主创新，研制出国内外尚无产品的真空绝热冷冻软管。