浮式儲存氣化裝置解脫分析

彭延建+畢曉星+周巍

摘 要：通過對貨物維護系統(tǒng)及氣化設(shè)施在較大的船舶晃動下是否能正常運行、高壓氣體外輸臂是否解脫、低溫和海冰的影響三個主要風(fēng)險的辨識，分析得到FSRU存在中斷供氣的可能，并給出了解脫概率的估計。提出了極端環(huán)境條件下應(yīng)急預(yù)案應(yīng)包括的主要內(nèi)容，如決策依據(jù)、作業(yè)流程等，以及可能存在的風(fēng)險因素，為作業(yè)者和監(jiān)管者制定行之有效的安全作業(yè)標準和應(yīng)急預(yù)案提供參考。

關(guān)鍵詞：浮式存儲氣化裝置 LNG 緊急解脫 應(yīng)急預(yù)案

浮式存儲氣化裝置（FSRU）方案靈活，船舶可在國際市場上租賃得到，相比陸上傳統(tǒng)LNG接收站，縮短了建設(shè)周期，可以實現(xiàn)向下游的快速供氣。然而，相比陸上常規(guī)LNG接收站，由于其自身的浮體屬性，在發(fā)生極端天氣工況時，F(xiàn)SRU必須緊急關(guān)?；蚪饷撾x港。

國外針對FSRU或LNG船舶的緊急解脫程序，主要還是由接收站制定，是操作手冊的重要內(nèi)容之一。Yoneda S et al 對于發(fā)生海嘯時，操作手冊只針對在港系泊船舶的緊急離泊有規(guī)定的情況，通過仿真模擬，研究了考慮航行船舶的緊急撤離，研究結(jié)果顯示在海嘯發(fā)生時所有船只通過友島航道撤離大阪灣存在困難，建議可撤離至最近的錨地。Kobayashi et al 用定量計算方法研究了LNG船的緊急離泊，但是計算中沒有考慮在LNG船在緊急離泊過程中可能發(fā)生的不確定性，例如LNG船保持需要的航行速度可能面臨的困難。日本相關(guān)指南規(guī)定，船舶收到臺風(fēng)預(yù)警時，必須緊急離港，但是并沒有對錨泊地點等作出具體的規(guī)定，缺少可執(zhí)行程序，Pitana T & Kobayashi E針對大阪港水域船舶交通流密集、船舶緊急離泊時間必然受影響的情況，提出了適合該水域船舶緊急解脫的程序，并對該程序進行了評估，考慮了多個可能場景，用離散事件模擬手段，得到了多個場景的離泊時間預(yù)測。

由于浮式LNG項目在國內(nèi)剛剛起步，尚無經(jīng)驗積累，針對FSRU的作業(yè)規(guī)范和應(yīng)急措施在國內(nèi)仍處于空白階段。對于LNG運輸船，國內(nèi)的研究一般采用航海模擬器手段，模擬實驗的過程基本只涵蓋靠離泊階段，研究的是靠離泊階段風(fēng)、浪、流的限制條件，缺失與正常生產(chǎn)操作階段的統(tǒng)籌規(guī)劃。目前針對FSRU的作業(yè)標準和監(jiān)管，基本還是視同LNG運輸船。FSRU長期靠系泊在碼頭，區(qū)別于LNG運輸船的短期系泊，并且由于FSRU承擔(dān)著LNG氣化和天然氣輸送、保障民生用氣的任務(wù)，作業(yè)者需要審慎確定FSRU的作業(yè)條件標準和應(yīng)急關(guān)停、解脫程序，最大程度的減少FSRU應(yīng)急解脫對生產(chǎn)和供氣的影響。同時，對監(jiān)管部門來講，無論是LNG運輸船從進港、作業(yè)到出港的短線監(jiān)管，還是FSRU長時間氣化外輸作業(yè)的長線監(jiān)管，都迫切需要研究制定出一套行之有效的安全作業(yè)標準和應(yīng)急預(yù)案。

工程概況

天津浮式LNG項目位于天津港南疆港區(qū)，其一期工程通過浮式存儲氣化裝置（FSRU）實現(xiàn)向天津市供氣，是國內(nèi)首座浮式LNG接收終端項目。2013年底，“安海角”輪（GDF SUEZ CAPE ANN）靠泊天津港南疆南浮式LNG接收站碼頭。該FSRU 原為一條LNGRV，即具備自航及海上固定單點系泊能力的LNG船，由蒸汽透平推進，可通過船中部的高壓管匯或船首部連接海上浮筒的內(nèi)轉(zhuǎn)塔裝置將氣化天然氣輸送上岸。

解脫風(fēng)險辨識

FSRU關(guān)鍵工藝設(shè)備及實施采用冗余設(shè)計，系統(tǒng)控制方案可靠，因此，在正常的環(huán)境條件下，F(xiàn)SRU可實現(xiàn)連續(xù)供氣。但是，當(dāng)出現(xiàn)惡劣的環(huán)境條件時，以下幾個因素可能會影響供氣的連續(xù)性：①FSRU上貨物維護系統(tǒng)及氣化設(shè)施等工藝設(shè)備在較大的船舶晃動情況下是否能照常運行；②為防止發(fā)生泄漏，高壓氣體外輸臂是否需緊急解脫。該連接設(shè)備類似于LNG運輸卸料臂，可將天然氣的外輸也看作LNG碼頭的裝卸作業(yè)；③低溫和海冰影響。

下面對以上因素進行辨別，以分析對作業(yè)條件要求最為苛刻的因素。

1、貨物維護系統(tǒng)及工藝設(shè)備作業(yè)條件分析

該FSRU原設(shè)計應(yīng)用地點在外海，采用單點系泊進行氣化作業(yè)。在設(shè)計時FSRU貨物圍護系統(tǒng)均采用了加強型絕緣箱，可承受生存海況設(shè)計條件下的晃蕩載荷。與本項目目前海況條件相比，外海的海況要惡劣的多。盡管在航行條件下，LNG貨艙液位要求不能在10～70%之間，但是在實際的氣化作業(yè)條件下，如遇到惡劣海況，從工藝操作上可通過貨艙泵對LNG貨艙液位進行調(diào)整，以避開危險貨艙液位范圍。而FSRU的關(guān)鍵設(shè)備主要為泵、壓縮機和氣化器，泵和壓縮機屬于高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，受本體運動的影響小，而且在海上有許多應(yīng)用業(yè)績，從海上應(yīng)用情況看，船舶晃蕩對壓縮機和泵的性能影響不大。FSRU上氣化器有兩種形式，板式換熱器和管殼式換熱器，其中板式換熱器流道狹窄，受粘性作用大，對慣性運動的敏感性低，在海上應(yīng)用影響較小。管殼式換熱器內(nèi)是乙二醇水溶液與超臨界LNG換熱，沒有氣液兩相共存的情況，對晃蕩也并不敏感。因此， FSRU船上工藝設(shè)備對海況作業(yè)環(huán)境適應(yīng)很強。故貨物維護系統(tǒng)及工藝設(shè)備對氣象和海況條件的要求在上述4個因素中最為寬松。

2、高壓氣體外輸臂作業(yè)條件分析

參考國際同類項目高壓氣體外輸臂運行經(jīng)驗，其連接工況下的作業(yè)條件為風(fēng)速≤22.5m/s（九級風(fēng)），即風(fēng)速>22.5m/s時高壓氣體外輸臂應(yīng)斷開。

圖1 高壓氣體外輸臂

斷開連接的情況如下：在船側(cè)的閥和臂側(cè)的閥都關(guān)斷。然后臂被泄壓然后斷開。假如臂上的緊急釋放閥關(guān)閉，信號發(fā)送到FSRU，鄰近高壓法蘭的閥門關(guān)閉。一旦這個閥門關(guān)閉后緊急放空開始，壓力減小，釋放閥是安裝在臂上。一旦壓力被釋放后，耦合器自動打開，臂與船斷開連接。

但是該連接設(shè)備類似于LNG卸料臂，可將天然氣的外輸也看作LNG碼頭的裝卸作業(yè)；相對于LNG外輸?shù)拇a頭作業(yè)條件，高壓氣體外輸臂本身具有更高的耐波性。但是，當(dāng)FSRU如果不能滿足系泊條件而須離泊時，高壓氣體外輸臂勢必要解脫。

工程位于渤海灣的西北側(cè)，渤海的氣象狀況具有季節(jié)分明、變化顯著的特征。造成本區(qū)的大風(fēng)天氣過程主要是冬、春季的寒潮和夏、秋季的臺風(fēng)（含熱帶風(fēng)暴），寒潮大風(fēng)較為頻繁，臺風(fēng)（含熱帶風(fēng)暴）大風(fēng)出現(xiàn)頻率較小。歷史上曾出現(xiàn)過的最大風(fēng)速（10min）為26.5m/s，風(fēng)向為E向，出現(xiàn)于1971年6月26日，即意味著FSRU存在中斷對外供氣的可能。又根據(jù)1996～2005年每日24次風(fēng)速、風(fēng)向觀測資料進行統(tǒng)計，每年出現(xiàn)風(fēng)速大于七級風(fēng)的概率僅為0.7%，F(xiàn)SRU離泊及高壓氣體外輸臂解脫的可能性很小。

3、低溫和海冰影響

2010 年1 月，中國大部分地區(qū)受寒潮影響。渤海和黃海北部在冷空氣影響下，遭遇的近30年以來最為嚴重的冰凍災(zāi)害，海面結(jié)冰面積達3.6 萬平方公里，遼東灣、渤海灣、萊州灣浮冰范圍25-30 海里。一些重要港口如濰坊港、東營港、秦皇島港等悉數(shù)被海冰包圍，最厚冰層達60 厘米，堆積高度可達2 米。沿海絕大部分近海捕撈業(yè)船只停航，存在部分船只被冰凍損壞的情況。

本項目FSRU作業(yè)碼頭吃水15m，水體交換量較大，極端低溫時碼頭水域發(fā)生冰凍的概率相對而言較低。如果FSRU處于相對平靜的港灣，即便發(fā)生冰封，自然形成的海冰對船體結(jié)構(gòu)一般不會造成破壞。由于FSRU非航行船舶，固定系泊在碼頭，極端低溫對于船體結(jié)構(gòu)的影響是有限的，主要需要關(guān)注的是極端低溫對于船用系統(tǒng)的影響。這些影響包括：①碼頭系泊用的絞車、鋼纜（或尼龍繩）上發(fā)生嚴重結(jié)冰；②受海冰堵塞海水門的影響，F(xiàn)SRU海水系統(tǒng)（包括壓載、海水冷卻、消防系統(tǒng)）不能正常工作；③受低溫影響的所有輪機設(shè)備、管線、閥件，如：露天甲板設(shè)備、LNG貨物系統(tǒng)、氣化系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、艙室通風(fēng)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、疏排水系統(tǒng)等；④額外加裝的加熱/防凍裝置、露天電纜護套、除冰工具等；⑤船用電力負荷增加。

低溫對本FSRU船體的影響不大， "安海角"輪經(jīng)常在較低的環(huán)境溫度下運行，有些地方比天津港還要冷。低環(huán)境溫度對船體的主要影響是裂縫的生長，但這種影響體現(xiàn)在FSRU的整個生命周期中，而不是在天津港這段時間；對于船舶系統(tǒng)，因為其在輪機艙內(nèi)，有蒸汽系統(tǒng)加熱到正常工作溫度，不會受影響；氣化系統(tǒng)可在低至-15℃下運行；電力負荷會有略微增加，但增加的很小，可以忽略。

應(yīng)急預(yù)案

極端環(huán)境條件下緊急解脫的措施應(yīng)作為應(yīng)急預(yù)案考慮，并充分評估以下工作：①緊急解脫決策依據(jù)。一般相對準確的臺風(fēng)預(yù)警時間為24小時以內(nèi)。24小時以上的臺風(fēng)路線預(yù)報存在較大偏差，不宜作為FSRU緊急解脫決策的依據(jù)；②緊急解脫作業(yè)流程（包括：碼頭解纜、拖航、避風(fēng)錨地拋錨）。

出現(xiàn)極端低溫和冰凍時，F(xiàn)SRU不能正常得到來自LNG船的加氣補充，而此時往往又是用氣量的高峰。同時，F(xiàn)SRU自身的船用系統(tǒng)將出現(xiàn)因冰凍而引發(fā)的系列問題，恢復(fù)正常使用狀態(tài)需要一定時間。必須對FSRU配備防冰裝置，主要防冰裝置包括：①全封閉駕駛室；②生活樓入口區(qū)域局部凹入并采用加熱措施；③左右集管區(qū)設(shè)置保護室；④甲板涂防滑漆；⑤系泊絞車設(shè)滑油加熱裝置；⑥露天甲板設(shè)置用于除冰的蒸汽加熱槍；⑦機艙進風(fēng)口設(shè)加熱裝置。

作為更保守的預(yù)案，可在極端天氣條件下考慮守護船待命，如果發(fā)生極端低溫天氣，由拖輪繞FSRU航行，阻止周圍水體結(jié)冰。

FSRU 應(yīng)布置逃生船。逃生船應(yīng)為全封閉的自由脫離類型。逃生船的吊柱應(yīng)放在FSRU 傳的船尾。吊船柱是一個可以容納12 人的救援船快速下水，救援船應(yīng)該以柴油為動力，在承載12 人的條件下，最低航速為25 節(jié)。船上應(yīng)為船上人員配備救生設(shè)備，例如救生衣、救生圈、救生繩索投擲器、救生彈等，所有救生身背都應(yīng)放在專門的安全柜內(nèi)。

如果FSRU或碼頭遇到有可能發(fā)展成危險事故的緊急情況時，最重要的一點是，F(xiàn)SRU上的全體船員和碼頭上的操作工人都能夠正確的知曉和熟練的執(zhí)行事先演練的應(yīng)急程序，以保證人身安全和資產(chǎn)不受損害。

結(jié)論與建議

影響FSRU正常供氣的主要因素是FSRU貨物維護系統(tǒng)及工藝設(shè)備可靠性、高壓外輸臂連接條件、低溫和海冰影響。

根據(jù)對FSRU貨物維護系統(tǒng)及工藝設(shè)備可靠性、高壓外輸臂連接條件、低溫和海冰影響的分析，高壓外輸臂的連接條件是控制因素，低溫的影響風(fēng)險程度較低。

FSRU存在解脫的可能性，在發(fā)生臺風(fēng)等極端環(huán)境條件時，F(xiàn)SRU應(yīng)緊急解脫，以避免可能發(fā)生的風(fēng)險。

但是緊急解脫作業(yè)本身也存在風(fēng)險，如：臺風(fēng)預(yù)警時間過短，F(xiàn)SRU移位操作時間緊張；拖航過程中與其他船只碰撞；拋錨不暢（FSRU平時沒有條件進行拋錨演習(xí)作業(yè)，船上自帶的錨泊系統(tǒng)長期不使用）；拋錨后發(fā)生走錨甚至沖向岸邊擱淺，進一步破壞主船體；FSRU拋錨階段船上駐留人員的安全性。因此，在特殊的極端環(huán)境條件下，相對于維持FSRU碼頭系泊狀態(tài)，F(xiàn)SRU移位作業(yè)的風(fēng)險同樣存在。需進一步評估該極端條件下碼頭系泊加強措施和碰墊的有效性、港區(qū)臺風(fēng)環(huán)境的概率，以確定移位作業(yè)的操作臨界條件。

參考文獻：

[1] Pitana T， Kobayashi E. Optimization of ship evacuation procedures as part of tsunami preparation[J]. Journal of Simulation， 2009， 3（4）： 235-247.

[2] Kobayashi E， Koshimura S， Yoneda S. Guideline for ship evacuation from a tsunami attack[C]//Proc 18th Int Offshore and Polar Engineering Conf. 2008， 3： 536-542.

[3] Yoneda S et al （2007）. A basic study of ship evacuation from tsunami attack （in Japanese）. J Jpn Soc Nav Archit Ocean Eng 5： 1-7.

[4] 趙志壘. 對 LNG 船舶船岸銜接及港內(nèi)航行過程的安全評估 [D]. 大連： 大連海事大學(xué)， 2010.

[5] 黃志，翁躍宗，熊振南等.液化天然氣專用碼頭系泊安全操作仿真研究[J].中國航海，2006，（4）：66-69.

[6] 張顯庫，楊振州，郝紅乾等.LNG船液貨操作模擬器培訓(xùn)評價系統(tǒng)[J].大連海事大學(xué)學(xué)報，2013，39（4）：13-16.

[7] 劉軼華，楊小軍，肖英杰等.Q-Max型LNG船舶靠離江蘇洋口港模擬[J].上海海事大學(xué)學(xué)報，2014，35（3）：1-6.

[8] 劉軼華，肖英杰.基于大型船舶操縱模擬器的洋口港 LNG船舶靠離泊風(fēng)險評估[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報（交通科學(xué)與工程版），2014，（2）：290-293.

[9] 梁川.液化天然氣船舶的通航環(huán)境的研究[D].大連海事大學(xué)，2007.

[10] 孔憲衛(wèi)，任冀川，李華國等.天津港LNG碼頭工程通航安全研究[J].中國海事，2013，（11）：43-45.

（作者單位：中海石油氣電集團有限責(zé)任公司。 本文為基金項目：中海石油氣電集團科研項目，QDKY-2014-YFZX-03）