一種新型海上運輸天然氣的穿梭船

方華燦

(中國石油大學(xué)(北京)， 北京 100101)

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一種新型海上運輸天然氣的穿梭船

方華燦

(中國石油大學(xué)(北京)， 北京 100101)

摘要：該文討論了海上氣田的天然氣輸出方案，介紹了新型海上運輸天然氣穿梭船及船上的儲氣容器，提出了對我國海上氣田應(yīng)用穿梭船運輸天然氣以及穿梭船和船上儲氣容器建造的一些建議。

關(guān)鍵詞：海上氣田；天然氣；海上運輸；穿梭船；儲存；容器

0引言

2014年海上的重大發(fā)現(xiàn)是陵水17-2氣田，陵水17-2氣田距海南島的陵水150 km，平均作業(yè)水深1 500 m，為超深水氣田。經(jīng)測試，日產(chǎn)天然氣5 650萬立方英尺，相當(dāng)于9 400桶油當(dāng)量，是“海洋石油981”深水鉆井平臺投用以來，首次在深水領(lǐng)域獲得的重要發(fā)現(xiàn)。此前，在我國南海水深1 480 m處，發(fā)現(xiàn)的荔灣LW-31氣田，天然氣資源超過1 000億立方米，是我國目前海上最大的氣田，已于2013年底投產(chǎn)，年產(chǎn)量100億立方米。由此可見，我國海上的天然氣蘊藏豐富，以南海為例，在南海面積約200萬平方千米中的153.7萬平方千米的深水海域，即有天然氣總地質(zhì)儲量16萬億立方千米左右，約占我國總資源量的三分之一。

因此，對于我國海上天然氣資源的開發(fā)，無論是已開發(fā)生產(chǎn)的氣田，還是探明待開發(fā)的氣田，均存在選擇最佳海上氣田天然氣輸出方案及其裝備的問題，該文介紹了一種新型海上運輸天然氣的穿梭船，是適合于小運量、距岸中短距離的海上氣田的天然氣運輸?shù)男滦脱b備。

1距岸中短距離的海上氣田的天然氣運輸?shù)淖罴逊桨?/p>

目前，最常明智的海上氣田天然氣輸送方案是海底管道輸送。這種方案是將海上氣田的天然氣通過海底管道先輸送到固定式中心平臺或浮式生產(chǎn)儲卸裝置上，經(jīng)初步處理后，再經(jīng)過海底管道送至陸上終端進行處理。這種方案不僅海底管道及中心平臺工程浩大、投資高、工期長，而且還不能進行早期生產(chǎn)及滾動開發(fā)，也不宜用于邊際氣田及深水。因而，這種方案多用于近海、淺水海域的高產(chǎn)量氣田。

圖1　FLNG多功能平臺

當(dāng)前，國外正在研發(fā)的FLNG(Floating Liquefied Natural Gas System)多功能平臺是另一種海上氣田的天然氣輸出方案所用的裝備。這種方案是在FLNG多功能平臺上，將來自氣井的天然氣冷凝抽提、氣體提純處理之后，進行液化，使其成為液化天然氣(LNG)儲存起來，再定期卸載，用LNG穿梭船運至岸上。FLNG多功能平臺如圖1所示，是在僅有岸上天然氣液化工廠面積1/4的甲板上，安置一座工藝流程十分緊湊的天然氣液化工廠，同時，還設(shè)有始終處在常壓和-162℃左右的低溫條件下的LNG儲罐，可以卸載到LNG運輸船上運走。

由此可見，它具有與FPSO相同的船型及定位方式，但由于天然氣液化過程中體積驟縮600倍，因而有利于天然氣的儲存，與相同規(guī)模的岸上液化天然氣工廠相比，F(xiàn)LNG投資可減少20%，建設(shè)工期減少25%，尤其是FLNG在深水可與水下生產(chǎn)系統(tǒng)組合，在淺?？膳c導(dǎo)管架井口平臺或自升式鉆采平臺組合，機動性較好。由于FLNG的投資低、移動性好、可重復(fù)使用，且具有較大的抗風(fēng)浪能力、大產(chǎn)量的油氣水生產(chǎn)處理能力和LNG儲存能力，因而特別適用于深水氣田，較海底管道輸送方案有較大的優(yōu)越性。另外，由于FLNG的機動性強以及良好的經(jīng)濟性，還可促使邊際油氣田得到開發(fā)，也適合用于海上氣田的早期開發(fā)及滾動開發(fā)。

圖2　美國研發(fā)的首艘V800型CNG船

近幾年，國外正在研發(fā)一種新方案與裝備，這種方案是將天然氣壓縮到十幾兆帕到二十幾兆帕壓力，在常溫或低溫下，儲存在船上的容器內(nèi)，直接通過穿梭船將天然氣運走，故將其稱為FCNG(Floating Compressed Natural Gas)方案。這種方案的核心裝備是運輸CNG的穿梭船，這種穿梭船的運量雖然僅為同樣LNG運輸船的1/3，但因FCNG方案不需要海上的天然氣液化裝備，以及LNG運至陸上終端后的氣化設(shè)施，而且，在運輸過程中也不需要保持LNG的超低溫，故其對離岸中短距離和低儲量氣田的開發(fā)具有獨特的優(yōu)勢。國外評估表明：當(dāng)氣體容量為5.664×106m3～14.16×106m3、距離海岸1 100 km～4 500 km時，用 CNG船比LNG船和管道運輸都經(jīng)濟。例如，相同運輸量而且同為1 500 km輸送距離時， CNG船的總體運輸費用僅為LNG船運輸?shù)?0%～50%,并且運載CNG的穿梭船，還可以重新改裝使用，利用率很高。因此，采用CNG的穿梭船直接運輸方案是距岸中短距離的海上氣田的天然氣輸出的最佳方案。采用CNG的穿梭船運輸與海底管道輸氣方案相比具有機動性強，經(jīng)濟性好的優(yōu)勢。圖2為美國研發(fā)的全球首艘V800型CNG穿梭船及其裝備。

2運輸CNG的穿梭船上儲存天然氣的專用容器

圖3　一個模塊的框架及其中的纖維強化塑料的CNG專用容器

運輸CNG的穿梭船上的儲存天然氣的容器是影響穿梭船及運輸CNG經(jīng)濟效益的最關(guān)鍵因素。這種容器不能用傳統(tǒng)高壓氣罐，因為高壓氣罐的費用太高。例如，一艘容量為9.344×106m3的船，儲氣容器若采用加拿大的新產(chǎn)品Coselle容器，則整個CNG船的費用約為11 000萬美元，而采用傳統(tǒng)高壓氣罐作為容器，則一個同等容量的CNG船的費用至少要30 000萬美元，比使用新研發(fā)的CNG的專用容器高三倍左右，明顯影響經(jīng)濟效益。

運輸CNG的船上儲存被壓縮的天然氣的專用容器均采用一般高壓容器用的鋼材，但近年出現(xiàn)了兩種新材料。一種是高性能復(fù)合材料，這種高性能復(fù)合材料抗腐蝕性強、強度高，因而容器質(zhì)量輕、承壓高、安全性高、可在常溫下操作，在同等容積和壁厚的條件下，比全鋼容器輕35%，因而容器經(jīng)濟效益高；另一種新材料是纖維強化塑料，這種纖維強化塑料的CNG專用容器，目前已由加拿大Trans Ocean Gas公司研發(fā)成功，它可在-40℃及24 MPa工況下儲氣，船的儲氣系統(tǒng)由多個模塊化的框架焊接而成，以便于安裝連接，且可避免船體晃動的影響。每個模塊是一個框架，框架中直立安裝多個專用氣瓶，氣瓶由位于框架頂部和底部的閥組和管道連接成一體，如圖3所示。

從穿梭船上儲存被壓縮天然氣的專用容器的型式來看，主要有以下幾種：

2.1臥式圓盤型

這種新型式是加拿大研發(fā)出的產(chǎn)品Coselle，每個園盤直徑為15 m～20 m，高2.5 m～4.5 m，重約550 t，長16 km，裝載置8.495×104m3。 圖4為這種臥式圓盤型CNG專用容器及裝載這種容器管長16 km的船。

圖4　臥式園盤型CNG專用容器及其裝載用船

這種臥式圓盤型CNG專用容器的主要優(yōu)點有：

(1) 運量多變。單艘船上的Coselle數(shù)量不同時，運量差異較大，因此，通過改變船只數(shù)量即可改變運量。此外還可采用改變氣體壓力來改變單船運量。

(2) 建造方便。用Coselle儲氣容器的CNG運輸船，基本上都是由標(biāo)準(zhǔn)的散貨船改建而成，普通造船廠即可建造，因而成本可大大降低。

(3) 裝卸簡便。大直徑管盤減少了裝卸接頭的數(shù)量，從而使船的裝卸非常簡便。

2.2立式長柱型

立式長柱型是由美國研發(fā)出的VOTRANS(Volume Optimization Marine Transport and Storage System)產(chǎn)品。該專用容器在-29℃低溫及10 MPa～13 MPa壓力下儲藏CNG ，由24個36 m長的柱式氣罐組成一組，100組可以裝載2×107m3。圖5為由24個立式長柱氣罐組成的一組，圖6為安裝設(shè)立式長柱型CNG容器的穿梭船。

圖5　24個36 m長的立式長柱型CNG氣罐

圖6　裝設(shè)立式長柱型CNG容器的穿梭船

這種穿梭船的裝卸過程是利用低溫液體置換原理來完成的。卸載時將恒溫恒壓的低溫液體泵入儲罐內(nèi)，從而將氣體置換出來；裝載時則采用相反的過程，經(jīng)過加壓降溫的氣體將儲罐中的低溫液體換出，最終裝滿儲罐。裝設(shè)立式長柱型CNG容器的穿梭船的主要優(yōu)點有：

(1) 低溫儲存容器壁厚減小。低溫儲存壓力只是常溫儲存的一半，因而減小了容器壁厚，降低了船體自重。

(2) 低壓儲存氣體殘量減少。儲氣壓力低時，天然氣卸載后的殘留氣量將遠(yuǎn)低于高壓儲存，因而提高了船的體積利用率。

(3) 便于改造縮短建造周期。用現(xiàn)有的單殼體油輪即可改造成運輸8.5×104m3～34×104m3的CNG穿梭船，從而縮短建造周期，降低成本。

2.3六面體柱型

六面體柱型是由美國密歇根大學(xué)研發(fā)出的產(chǎn)品CDTS，CDTS每個單元由12根圓柱形容器交叉構(gòu)成一個六面體，如圖7所示。研究表明，CDTS的單元邊長為10 m時，在壁厚、裝置重量等方面達到了最優(yōu)化，因此，單元最佳邊長尺寸取10 m。

圖7　六面體柱型的CNG儲存容器的單元

這種六面體柱型CNG儲存容器及CNG穿梭船的主要優(yōu)點有：

(1) 容器體積利用率高。運輸同量的CNG船，體積更小，從而可以降低推進裝置的固定投資和燃料費用，經(jīng)濟性上占優(yōu)勢。

(2) 容器的容積效率高。其容積效率高達0.33(立式長柱型儲氣容器VOTRANS為0.18，臥式圓盤型儲氣容器Coselle為0.14)，從而減小了容器的表面積，減緩了CNG的換熱，避免了因溫度升高而導(dǎo)致的超壓。

(3) 船舶的容積效率高。裝載六面體柱型CNG儲氣容器的穿梭船的容積效率可達0.14，(立式長柱型儲氣容器VOTRANS及使用臥式圓盤型儲氣容器Coselle的穿梭船的容積效率均為0.09)。由于裝載六面體柱型CNG儲存容器提高了船舶的容積效率，因而減小了船或海洋平臺的長度。

(4) 船舶的載重系數(shù)高。由于裝載六面體柱型CNG容器的穿梭船，減少了連接儲氣容器的管道數(shù)量，因而提高了船的載重系數(shù)，從而降低了船舶的噸位。

3海上運輸CNG的穿梭船的建造方式與組合方式

海上運輸CNG的穿梭船通常配備自身動力定位系統(tǒng)，可以與停泊在海面上的FPSO或其它浮式生產(chǎn)平臺相連接，接收處理后的天然氣，也可以與固定式、自升式等生產(chǎn)平臺相連，接收天然氣，還可以直接連接到與深水水下采氣系統(tǒng)相連的水面浮體上裝載進氣，待船裝載完畢后又可與浮體解除連接，然后航行至陸地終端或其它海上設(shè)施。目前，國外幾家研發(fā)運輸CNG技術(shù)及其裝備的公司，在運輸CNG的穿梭船的設(shè)計與建造方面相同，下面進行簡要介紹。

3.1運輸CNG的穿梭船的建造方式

從建造方式來看，可以有新建與改建之分。如加拿大采用的臥式圓盤型CNG容器的穿梭運輸船都是由標(biāo)準(zhǔn)的散貨船改建而成。但是，美國研發(fā)出的運輸CNG的穿梭船則是采取全新設(shè)計與建造，圖4給出的V800型穿梭船即是由EnerSea公司負(fù)責(zé)天然氣壓縮存儲艙和天然氣流程系統(tǒng)設(shè)計，由現(xiàn)代重工負(fù)責(zé)船體、動力系統(tǒng)和相關(guān)功能系統(tǒng)的設(shè)計，然后進行新建造的。

3.2運輸CNG的穿梭船的組合方式

目前，國外采用的有下列兩種組合方式：

(1)儲氣系統(tǒng)與船體分立組合

這種方式是將一個CNG儲存系統(tǒng)和一個傳統(tǒng)的穿梭運輸船分別建造，然后將兩者在船體的甲板上組合在一起。穿梭船的甲板上設(shè)有分離/結(jié)合系統(tǒng)，可以方便地裝拆，從而增加了船體建造的靈活性。圖8為挪威建造的這種組合方式的穿梭船，圖9為該船上可裝拆的儲存CNG系統(tǒng)。

圖8　挪威推出的儲氣系統(tǒng)與船體分立組合方式的穿梭船　　　　　　圖9　穿梭船上的可裝拆的儲存CNG系統(tǒng)

(2)儲氣系統(tǒng)與船體做成一體

這種穿梭船是在船的主甲板上建造一個完全封閉的貨艙。貨艙內(nèi)放置儲氣容器，這種穿梭船在設(shè)計上根據(jù)儲罐放置方式的不同，有兩種可供選擇的方案，一種是橫式儲罐船，另一種是豎式儲罐船。其中，橫罐的容積要比豎罐大些。容量大的船舶裝載的產(chǎn)品多，因此其經(jīng)濟效益較高，故目前多采用橫式CNG儲罐的穿梭船。

目前，國外對于運輸CNG的穿梭船的設(shè)計也趨向于多功能化。除了單純作為CNG穿梭運輸船之外，有的穿梭船還具有多種用途，不僅可以從生產(chǎn)平臺或FPSO上接收處理過的氣體，還可以在穿梭船的甲板上對氣體進行初步處理，此外，穿梭船上儲存的氣體也可以通過一個裝載/卸載系統(tǒng)，裝載到其它船上。這種多功能穿梭船進一步設(shè)計了專門的連接機構(gòu)，可以不借助生產(chǎn)平臺，直接連接到與深水水下采氣系統(tǒng)相連的水面浮體上，裝載進氣，待船裝載完畢后與浮體解除連接，然后航行至陸地終端或其它海上設(shè)施。這種多功能穿梭船，不僅可以用于運輸天然氣，也可用于運輸石油，因而可用于海上油田及其伴生氣的開發(fā)。

4對我國應(yīng)用運輸CNG的穿梭船的幾點建議

(1) 運輸CNG的穿梭船與FPSO配合應(yīng)用于我國已發(fā)現(xiàn)的深水氣田

我國深水氣田主要在南海，已發(fā)現(xiàn)的荔灣LW-31氣田離岸335 km，水深1 480 m，2014年開始投產(chǎn)。2014年新發(fā)現(xiàn)的陵水17-2氣田，距海南島的陵水150 km，平均作業(yè)水深1 500 m，均位于深水，且已經(jīng)達超深水海域，雖然離岸均不遠(yuǎn)，可以采用海底管道輸出天然氣，但鑒于海底管道在深水海域施工的復(fù)雜性，還是以采用FPSO 與CNG的穿梭船配合來輸送天然氣為宜。

(2) 運輸CNG的穿梭船與FPSO配合應(yīng)用于我國離岸遠(yuǎn)的待探氣田

我國南海的遠(yuǎn)海油氣資源豐富，以南沙群島為例，據(jù)專家估計，蘊藏石油及天然氣約230億噸至300億噸，其中，石油140億噸左右，其余為天然氣。南沙群島的曾母暗沙盆地油氣地質(zhì)儲量高達126億噸至137億噸，它將是未來勘探開發(fā)的首選。但是，曾母暗沙島離岸較遠(yuǎn)，不能采用海底管道輸氣。然而，其處于CNG最佳適用距離1 100 km～4 500 km之間，故而應(yīng)用CNG的穿梭船與FPSO配合是最合適的。

(3) 運輸CNG的穿梭船與生產(chǎn)平臺配合應(yīng)用于我國各海域的邊際氣田

海上邊際氣田是指那些儲量小、較分散的小氣田，其開發(fā)處于可獲利潤與不可獲利潤的邊界。我國邊際油氣田較多，據(jù)油氣資源評價報道，中國邊際油氣田的油氣資源量約占全國油氣總資源量的50%，邊際氣田的開發(fā)，主要取決于創(chuàng)新驅(qū)動，采用先進的工藝技術(shù)與裝備。因此，邊際氣田的天然氣輸出，采用生產(chǎn)平臺與CNG的穿梭船配合，是邊際油田得以開發(fā)的首選。

(4) 我國設(shè)計建造CNG的穿梭船時采用先進技術(shù)

首先，我國的首艘CNG的穿梭船，以由標(biāo)準(zhǔn)的散貨船改建為宜。其次，船上的儲氣容器宜采用復(fù)合材料或采用纖維強化塑料，以減輕重量；儲氣容器的型式宜采用六面體柱型，以提高容器的體積利用率及容器和穿梭船的容積效率，以及穿梭船的載重系數(shù)；初建造CNG的穿梭船時，宜采用在常溫狀態(tài)下儲存被壓縮的天然氣，以節(jié)省冷卻設(shè)施的投資。運輸CNG的穿梭船宜采用儲氣系統(tǒng)與船體分立組合的方式，以便于裝拆儲氣容器，盡量使改建的CNG穿梭船具有天然氣初步處理以及裝載和卸載等多項功能。

5結(jié)語

隨著我國海上氣田的不斷發(fā)現(xiàn)與逐步開發(fā)，海上氣田的天然氣輸出方案及其裝備的研發(fā)已提到重要議事日程，采用CNG穿梭船輸氣是國外近年新提出的先進技術(shù)與裝備，值得我國借鑒。該文對其所作的介紹，可供我國研發(fā)時參考，我國不同海域的特點千差萬別，需視具體情況區(qū)別對待。

參考文獻

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[3]Thomas L. An Economic Study of CNG Floating Processing and Storage Platform and the Supporting CNG Carriers [C]. Paper21775, OTC，2011.

One Kind of New Type of Shuttle Ship for Marine Natural

Gas Transportation

FANG Hua-can

(China University of Petroleum(Beijing)， Beijing 100101， China)

Abstract：In the paper the export scheme of natural gas of offshore gas field is discussed， the shuttle ship of new type and the storage tank of natural gas on the shuttle ship for marine natural gas transportation are introduced，some proposals for application of the shuttle ship to transport natural gas in China offshore gas field，also the construction of the shuttle ship and the storage tank of natural gas on the shuttle ship are provided.

Keywords：offshore gas field； natural gas； marine transportation；shuttle vessel；storage； vessel

基金項目：國家重大科技專項研究課題“半潛式鉆井平臺關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)研究”(2011ZX05027001)。

中圖分類號:U65

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-4500(2015)06-0001-06

作者簡介：方華燦(1930-)，男，教授。

收稿日期：2014-11-28 2014-11-22