LNG 浮式岸站終端設(shè)計(jì)難點(diǎn)分析與對(duì)策研究

宋 煒，袁紅良，段 斌，吳麗萍

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

我國(guó)是一個(gè)能源資源嚴(yán)重緊缺的國(guó)家，人均能源遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平。雖然煤炭資源較豐富，但石油和天然氣儲(chǔ)量卻捉襟見(jiàn)肘。長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展一直依賴的是煤炭資源，但由于煤炭熱值低且對(duì)大氣環(huán)境污染嚴(yán)重，使得我國(guó)開(kāi)始對(duì)能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)實(shí)施調(diào)整，走可持續(xù)發(fā)展之路，城市燃?xì)夂桶l(fā)電將逐步以天然氣取代煤炭和石油，天然氣以其清潔、方便、高效的特性成為替代煤炭、石油最合適的優(yōu)質(zhì)新型能源[1]。

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，能源戰(zhàn)略政策的付諸實(shí)施，國(guó)內(nèi)對(duì) LNG的需求快速增長(zhǎng)。據(jù)中國(guó)船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)的《LNG船市場(chǎng)分析報(bào)告》預(yù)測(cè)，我國(guó)天然氣需求在未來(lái)5～10a將以15%左右的速度增長(zhǎng)。天然氣在我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比例越來(lái)越高，我國(guó)自產(chǎn)天然氣已無(wú)法滿足日益加快的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)于新興能源的需求，只能通過(guò)從海外引進(jìn)天然氣資源，彌補(bǔ)能源短缺，這成為我國(guó)實(shí)施能源戰(zhàn)略的重要決策。

目前，大量進(jìn)口液化天然氣（LNG）主要通過(guò)海上運(yùn)輸方式，海上運(yùn)輸LNG需滿足兩個(gè)條件：可運(yùn)輸超低溫液化天然氣的 LNG運(yùn)輸船，以及可接收天然氣的浮式或陸地岸站終端，即天然氣在陸上終端生產(chǎn)后，經(jīng)LNG運(yùn)輸船送至浮式或陸地岸站終端，然后氣化處理再輸送至用戶（見(jiàn)圖1）。

圖1 LNG海上供應(yīng)鏈

1 LNG-FSRU的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于接收天然氣的岸站終端，國(guó)家發(fā)改委于2004年6月制定了《關(guān)于我國(guó)液化天然氣進(jìn)口方案的建議》，提出在廣東、福建、山東、浙江、上海、江蘇、遼寧、河北、天津、廣西等沿海地區(qū)建設(shè)若干LNG岸站終端。我國(guó)當(dāng)前已經(jīng)規(guī)劃的LNG岸站終端一共有十余個(gè)，目前廣東、福建和上海LNG項(xiàng)目的陸地岸站終端均已建設(shè)完工并投入使用，其他岸站終端將陸續(xù)開(kāi)始建設(shè)。

雖然已有數(shù)個(gè)LNG陸地岸站終端投入使用，但是LNG陸地岸站終端的選址需要滿足一定的條件，而建造更是需要投入大量的資金，具有一定的局限性。

首先，需要有適合大型LNG船?？康母劭?，可是根據(jù)我國(guó)大陸沿岸自然地理?xiàng)l件，可以建造LNG岸站的港口較為有限；其次，LNG易燃易爆，為安全考慮，還要遵從距離居民密集區(qū)較遠(yuǎn)的原則；再次，建設(shè)LNG陸地岸站終端除了需要投入大量的資金外，還需占用大面積寶貴的土地資源。

LNG浮式岸站終端可避免上述約束和不足。LNG浮式岸站終端是一種具備LNG存儲(chǔ)及再氣化功能的海上浮式岸站終端，依靠有效的系泊固定后接收LNG運(yùn)輸船運(yùn)送的LNG，并對(duì)液化天然氣進(jìn)行再氣化處理，然后通過(guò)海底管道輸送上岸。LNG-FSRU可廣泛應(yīng)用于我國(guó)廣闊的沿海地區(qū)，同時(shí)建立 LNG-FSRU可有效地降低投資成本，并節(jié)約大量的土地資源。

LNG-FSRU在國(guó)外已有應(yīng)用實(shí)踐。自2005年首個(gè)LNG-FSRU在美國(guó)建成投入使用以來(lái)，已經(jīng)有數(shù)個(gè)LNG-FSRU在美洲和歐洲陸續(xù)建成并投入使用，其中我國(guó)天津市同樣有1艘LNG-FSRU也在使用，目前運(yùn)行情況良好。事實(shí)證明，LNG-FSRU設(shè)計(jì)和建造技術(shù)已十分成熟，與LNG陸地岸站終端相比，LNG-FSRU具有建造成本低、建設(shè)周期短、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。

2 LNG-FSRU的設(shè)計(jì)難點(diǎn)與應(yīng)對(duì)方案

LNG-FSRU可以說(shuō)是將陸基的再氣化工廠移植到船舶上。再氣化系統(tǒng)其本身就極為復(fù)雜，要求有極高的安全性、可靠性，而在船舶上相比陸地具有空間有限、船舶晃蕩等更為惡劣的工作環(huán)境以及諸多不可預(yù)見(jiàn)的因素，故LNG-FSRU具有更為錯(cuò)綜復(fù)雜的設(shè)計(jì)要求。

2.1 液貨艙的晃蕩

LNG-FSRU作為連接陸地天然氣用戶和LNG運(yùn)輸船的中轉(zhuǎn)站，是長(zhǎng)年漂浮在固定海域的海上存儲(chǔ)終端。由于LNG-FSRU長(zhǎng)期漂浮在海上經(jīng)受波浪沖擊，使得液貨儲(chǔ)存艙內(nèi)的LNG不斷晃動(dòng)，一旦其運(yùn)動(dòng)的固有周期接近船體運(yùn)動(dòng)固有周期時(shí)，將出現(xiàn)液貨艙晃蕩共振，對(duì)LNG儲(chǔ)存艙造成較大破壞，嚴(yán)重威脅LNG-FSRU的安全性和可靠性。因此必須對(duì)LNG-FSRU的液貨艙的晃蕩進(jìn)行專項(xiàng)分析研究，并通過(guò)液貨艙晃蕩試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

LNG-FSRU設(shè)計(jì)首先需要對(duì)應(yīng)用條件進(jìn)行系統(tǒng)研究，包括海況、水深、氣候因素等，量身設(shè)計(jì)確定船型尺度及線型，同時(shí)考慮穩(wěn)性及總體布置的要求，進(jìn)行多方案分析研究，設(shè)計(jì)選取最優(yōu)化的LNG-FSRU船型。

其次，LNG-FSRU還要對(duì)液貨艙晃蕩模擬分析進(jìn)行全面細(xì)致的研究。分析不同波浪載荷對(duì)液貨艙中不同液位LNG的晃蕩程度（見(jiàn)圖2），并進(jìn)一步分析LNG貨艙晃蕩對(duì)液貨艙維護(hù)系統(tǒng)的影響。當(dāng)液貨艙內(nèi)LNG液貨的運(yùn)動(dòng)固有周期接近船體運(yùn)動(dòng)固有周期時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)液艙晃蕩共振風(fēng)險(xiǎn)。

孫華山強(qiáng)調(diào)，要堅(jiān)持以任務(wù)為牽引，統(tǒng)籌規(guī)劃航空救援力量布局，立足當(dāng)前、著眼長(zhǎng)遠(yuǎn)，總體籌劃、突出重點(diǎn)。要加強(qiáng)與科研、生產(chǎn)單位合作，研究適應(yīng)新形勢(shì)下的空中救援裝備，滿足實(shí)戰(zhàn)需求。森林消防部門(mén)要加強(qiáng)業(yè)務(wù)訓(xùn)練，積極探索新課題，研究新戰(zhàn)法，開(kāi)設(shè)新課目，提升實(shí)戰(zhàn)能力；要加強(qiáng)隊(duì)伍建設(shè)，提高凝聚力和吸引力，研究人才發(fā)展戰(zhàn)略，鍛造高素質(zhì)人才隊(duì)伍，肩負(fù)起空中應(yīng)急救援力量國(guó)家隊(duì)、主力軍的使命。

圖2 單貨艙不同液位的晃蕩模擬分析

單貨艙設(shè)計(jì)在裝載液位極高（大于70%）和極低（小于10%）時(shí)具有非常好的抗液貨晃蕩沖擊效果，但在這之間單貨艙是無(wú)法承受 LNG晃蕩生成的巨大沖擊力。為解決液貨艙的晃蕩問(wèn)題，雙排液貨艙（簡(jiǎn)稱“雙排艙”）的設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生雙排艙設(shè)計(jì)是在貨艙中間增加結(jié)構(gòu)隔離，不僅極大地降低液貨艙中LNG晃蕩程度，不再有LNG裝載液位的限制（見(jiàn)圖3），同時(shí)還能作為上層甲板的中間支撐，防止上層甲板由于設(shè)置再氣化裝置而導(dǎo)致的凹陷變形，提高貨物維護(hù)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

圖3 單貨艙和雙排艙的晃蕩比較

2.2 高壓LNG管路的泄漏

LNG-FSRU是通過(guò)LNG高壓泵組將-163℃LNG液貨增壓至10MPa的極高壓力，然后通過(guò)換熱器將高壓LNG進(jìn)行氣化后輸送到用戶（見(jiàn)圖4）。LNG的泄漏主要發(fā)生在再氣化裝置和LNG集管所在處所。泄漏的LNG會(huì)直接滲透過(guò)油漆而接觸甲板，使鋼材迅速脆化，直接導(dǎo)致管系、設(shè)備、結(jié)構(gòu)支架和甲板的斷裂，并可能引起二次破壞和船體結(jié)構(gòu)破壞。

由于FSRU的再氣化裝置長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，且高壓泵組數(shù)量較多，這就極大增加了LNG泄漏的可能性；同時(shí)，F(xiàn)SRU需要長(zhǎng)期穩(wěn)定輸出天然氣，一旦由于LNG泄漏導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)破壞，將帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為避免高壓 LNG管路的泄漏以及泄漏后可能會(huì)發(fā)生的連鎖反應(yīng)事故，必須采取一系列必要的防護(hù)手段和措施加以應(yīng)對(duì)。

圖4 LNG加工流程

2.2.1 LNG高壓泵組采用不銹鋼圍池和封閉式設(shè)計(jì)

為防止高壓泵組區(qū)域的LNG泄漏，首要措施便是設(shè)置不銹鋼圍池。不銹鋼圍池能有效防止泄漏的LNG直接滴落到甲板上并進(jìn)行收集，還需要考慮安裝泄放閥對(duì)收集的LNG進(jìn)行泄放，不僅能夠就地手動(dòng)控制，考慮到人員安全，還應(yīng)能進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，將泄漏的LNG引導(dǎo)回貨艙內(nèi)或直接排至船外。同時(shí)，考慮到高壓LNG泄漏可能會(huì)形成LNG的噴射現(xiàn)象，會(huì)對(duì)周圍設(shè)備和甲板造成極大的危害，因此需要在高壓泵組周圍設(shè)置保護(hù)墻，形成封閉式設(shè)計(jì)，并在圍池內(nèi)安裝溫度傳感器，以便盡早發(fā)現(xiàn)LNG泄漏。

為避免被泄漏的LNG破壞，在高壓泵和LNG集管區(qū)域的LNG管路上的管夾和支架應(yīng)考慮采用不銹鋼材料，這樣可以極大地降低因LNG泄漏而導(dǎo)致的對(duì)LNG管系的影響。

2.2.3 閥件采用焊接型及熱交換器選用免拆洗式

為盡可能降低LNG泄漏風(fēng)險(xiǎn)，高壓LNG管路上的閥件應(yīng)盡可能避免用法蘭連接而采用焊接型，尤其是在高壓泵組出口到計(jì)量裝置之間的管路上。值得注意的是板冷器進(jìn)出口位置是可以做成焊接型的，但是計(jì)量裝置只能是法蘭連接，這樣該處將會(huì)成為泄漏源，必須考慮措施防止高壓LNG泄漏，如圍池和法蘭防濺射罩。同時(shí)，板冷器應(yīng)盡可能采用全焊接型式，無(wú)需進(jìn)行拆洗，能夠有效防止板冷器中各個(gè)板之間的LNG泄漏。

2.2.4 耐低溫油漆的應(yīng)用

為防止泄漏的 LNG直接滴落或?yàn)R射到船體甲板上，需要考慮在甲板上涂上一種特殊的耐低溫油漆。圖5顯示的是耐低溫油漆的結(jié)構(gòu)及性能曲線。耐低溫油漆通常具有比常規(guī)油漆更高的抗拉強(qiáng)度和延伸率，表現(xiàn)出極強(qiáng)的柔韌性，該特點(diǎn)使彎曲和振動(dòng)中的結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的抗裂性，使其能耐受更大的斷裂應(yīng)力，故能承受在低溫和爆炸波超壓的沖擊。作為甲板上的油漆，除了在低溫具有較好性能外，還必須具有防火耐高溫的特性。由于耐低溫油漆價(jià)格昂貴，故主要應(yīng)用在再氣化裝置和LNG集管所在處所等LNG泄漏的高發(fā)區(qū)。

圖5 典型耐低溫油漆結(jié)構(gòu)及性能曲線

2.3 再氣化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

再氣化系統(tǒng)作為L(zhǎng)NG-FSRU上的再氣化工廠，是處理高壓、低溫LNG液貨的關(guān)鍵核心設(shè)備。再氣化裝置包括高壓泵、再冷器、氣化器和加熱器等主要部分。顧名思義，氣化器的目的主要是將液態(tài)的LNG氣化成氣態(tài)的天然氣，它利用丙烷作為中間媒質(zhì)將熱源（海水、蒸汽等）的熱量傳遞給LNG進(jìn)行氣化。加熱器是將剛剛氣化的天然氣加熱至0℃以上，加熱方式與氣化器類似。通常，氣化器能夠提供全部的70%～80%熱量，而剩余的20%～30%能量則由加熱器提供。

2.3.1 氣化加熱系統(tǒng)的防腐蝕設(shè)計(jì)

過(guò)去的再氣化系統(tǒng)采用的二級(jí)加熱設(shè)計(jì)，即由海水加熱丙烷，丙烷再將熱量傳遞給LNG。這種設(shè)計(jì)需要將海水通過(guò)專用的海水泵輸送到布置在幾十米高主甲板上的再氣化裝置里。由于再氣化裝置所用的海水需求量極大，數(shù)量級(jí)都是以萬(wàn)噸計(jì)，因此，氣化加熱系統(tǒng)的海水管管徑大，長(zhǎng)度長(zhǎng)，設(shè)計(jì)安裝較為困難，且海水具有極強(qiáng)的腐蝕特性，使得海水管腐蝕泄露概率較高，維護(hù)檢修難度大，對(duì)LNG-FSRU具有很高的危險(xiǎn)性。同時(shí)，氣化加熱系統(tǒng)的海水泵排量大、設(shè)計(jì)壓力非常高，目前只有極少數(shù)廠家能做到。

面對(duì)氣化加熱系統(tǒng)的海水管腐蝕問(wèn)題，采用三級(jí)加熱的設(shè)計(jì)能夠很好解決該問(wèn)題（見(jiàn)圖6）。三級(jí)加熱設(shè)計(jì)是在原有的二級(jí)加熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加一級(jí)乙二醇水加熱過(guò)程，即海水加熱乙二醇水、乙二醇水加熱丙烷、丙烷再加熱LNG。乙二醇水性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)腐蝕性，極易維護(hù)。由于增設(shè)一級(jí)乙二醇水加熱，需要增配海水/乙二醇水換熱器和乙二醇水泵，可以布置在一個(gè)專用的貨物氣化加熱房間中。貨物氣化加熱室可以布置在低位，這樣可以極大地縮短海水管長(zhǎng)度，降低維護(hù)檢修難度，且能夠減小海水泵設(shè)計(jì)壓力，有利于設(shè)備設(shè)計(jì)選型。

2.3.2 氣化加熱系統(tǒng)防止加熱失效的特殊考慮

由于氣化加熱系統(tǒng)中加熱過(guò)程紛繁復(fù)雜，涉及多個(gè)系統(tǒng)和設(shè)備聯(lián)動(dòng)配合，一旦加熱失效，低溫高壓的LNG無(wú)法正常氣化，后果將非常嚴(yán)重的。因此，必須對(duì)氣化加熱系統(tǒng)發(fā)生加熱失效的情況給予設(shè)計(jì)上的特殊考慮。

首先需要在重要管路上設(shè)置壓力和溫度傳感器，還要在再氣化裝置上安裝紅外氣體探測(cè)器，并在氣化器和加熱器的 LNG和丙烷管路上設(shè)置應(yīng)急切斷閥。同時(shí)，考慮到傳感器感應(yīng)和閥件應(yīng)急切斷的滯后性，還應(yīng)在氣化器下游管路在一定長(zhǎng)度內(nèi)采用不銹鋼材料的耐低溫設(shè)計(jì)。

3 LNG-FSRU設(shè)計(jì)方案

滬東中華造船（集團(tuán)）公司在成功設(shè)計(jì)建造LNG運(yùn)輸船的基礎(chǔ)上，開(kāi)始致力于LNG產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)裝備的研發(fā)。滬東中華通過(guò)與美國(guó)船級(jí)社ABS、法國(guó)船級(jí)社BV、挪威船級(jí)社DNV、中國(guó)船級(jí)社CCS等知名船級(jí)社，以及業(yè)內(nèi)資深咨詢公司展開(kāi)密切合作，成功自主研發(fā)了20萬(wàn)立方米級(jí)別的LNG-FSRU（見(jiàn)圖7）。

圖6 三級(jí)加熱設(shè)計(jì)原理

滬東中華LNG-FSRU采用雙排艙設(shè)計(jì)，具有極佳的抗晃蕩效果，不再有LNG裝載液位限制；安裝4臺(tái)再氣化裝置，最大氣化量達(dá)到近1000t/h；裝卸貨管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加靈活，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)碼頭輸氣管路、大型LNG運(yùn)輸船、小型LNG加注船以及LNG槽車等終端的輸送或是裝置；采用三級(jí)加熱設(shè)計(jì)，增設(shè)海水/乙二醇水換熱器和乙二醇水泵，并布置在專用的貨物氣化加熱房間；配置5臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)組，為全船提供動(dòng)力能源[2]；同時(shí)為了提高能效，還為主要的海水泵、乙二醇水泵等配置了變頻系統(tǒng)。

滬東中華LNG-FSRU采用了很多最新的設(shè)計(jì)理念，尤其是在貨物圍護(hù)系統(tǒng)、貨物再氣化加熱系統(tǒng)等系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了優(yōu)化，使之成為新一代LNG-FSRU的典型設(shè)計(jì)。

圖7 滬東中華LNG-FSRU

4 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)前，全球環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排的推行使得LNG產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展迅速。LNG-FSRU的自主研發(fā)是滬東中華立足于豐富的LNG船設(shè)計(jì)和建造經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，緊跟市場(chǎng)需求和發(fā)展節(jié)奏，依托“國(guó)家能源LNG海上儲(chǔ)運(yùn)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”，積極研發(fā)高新技術(shù)LNG海工產(chǎn)品，并重點(diǎn)在關(guān)鍵裝備國(guó)產(chǎn)化及產(chǎn)業(yè)延伸化方面開(kāi)展工作，繼續(xù)鞏固滬東中華在LNG裝備產(chǎn)業(yè)中的優(yōu)勢(shì)。

[1] 敬加強(qiáng)，等. 液化天然氣技術(shù)問(wèn)答[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2] 蔣 瑋，等. 液化天然氣作為船用燃料的可行性研究[J]. 船舶與海洋工程，2013, (3): 74-76.