南海FLNG外輸系統(tǒng)研究

趙會(huì)軍 徐業(yè)峻

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)公司天津300457）

南海FLNG外輸系統(tǒng)研究

趙會(huì)軍 徐業(yè)峻

（中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)公司天津300457）

依托FLNG（LNG-FPSO）開(kāi)發(fā)南海深水氣田已經(jīng)是我國(guó)的必然趨勢(shì)，南海惡劣的環(huán)境條件嚴(yán)重制約了FLNG產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，尤其是LNG外輸已經(jīng)成為制約FLNG開(kāi)發(fā)南海氣田的關(guān)鍵技術(shù)因素，本文陵水FLNG外輸系統(tǒng)的進(jìn)行研究，從使用環(huán)境限制、設(shè)備性能、外輸周期要求等綜合因素進(jìn)行外輸系統(tǒng)比選研究，最終提出適用于南海FLNG的外輸方式，解決了南海FLNG的外輸難題，為后續(xù)的FLNG開(kāi)發(fā)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

陵水FLNG；天然氣；外輸；串靠；ATOL

隨著陸上可采天然氣資源越來(lái)越少，開(kāi)發(fā)海上天然氣田特別是深海天然氣田已成為天然氣資源勘探和開(kāi)發(fā)的必然趨勢(shì)，我國(guó)南海存在豐富的深海天然氣資源，若采用傳統(tǒng)的開(kāi)采方式，很多氣田將無(wú)法投入開(kāi)采。

浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置（FLNG，又稱LNG-FPSO）是一種用于海上天然氣田開(kāi)發(fā)的浮式生產(chǎn)裝置，通過(guò)系泊系統(tǒng)定位于海上，具有開(kāi)采、處理、液化、儲(chǔ)存和裝卸LNG的功能，并通過(guò)與液化天然氣運(yùn)輸船（LNG Carrier）搭配使用，實(shí)現(xiàn)海上天然氣田的開(kāi)采和運(yùn)輸[1]。利用FLNG進(jìn)行海上氣田開(kāi)發(fā)結(jié)束了海上氣田只能采用管道運(yùn)輸上岸的單一模式，節(jié)約了運(yùn)輸成本，且不占用陸上空間，而且，該裝置可以安裝在遠(yuǎn)離人群居住的地方，安全環(huán)保[2]。

外輸系統(tǒng)是整個(gè)FLNG裝置的關(guān)鍵技術(shù)之一，F(xiàn)LNG通過(guò)外輸系統(tǒng)把液化天然氣輸送給LNGC。我國(guó)南海環(huán)境條件惡劣，外輸作業(yè)必須在FLNG和LNGC處于運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)下進(jìn)行，靠泊、系泊、裝載和離泊都是高危復(fù)雜作業(yè)，如果LNG外輸系統(tǒng)出了故障，可能會(huì)產(chǎn)生LNG泄露甚至造成整個(gè)海上油氣田的停產(chǎn)，產(chǎn)生巨大的危險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)損失。因此選用適應(yīng)南海復(fù)雜惡劣海況的LNG外輸系統(tǒng)對(duì)FLNG來(lái)說(shuō)是極其重要的[3][4][5][6]。

FLNG主要的外輸方式有旁靠外輸和串靠外輸兩種，本文通過(guò)研究南海陵水22-1氣田惡劣的海洋環(huán)境條件，分析船體相對(duì)和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)串靠和旁靠?jī)煞N外輸方式進(jìn)行了深入的研究，最終提出適用于陵水FLNG的外輸方式。

1 陵水FLNG方案

1.1 陵水氣田的海洋環(huán)境

陵水氣田水深約1336m，主風(fēng)向?yàn)镹E，季風(fēng)特征明顯，冬季盛行偏NE風(fēng)，夏季盛行偏S風(fēng)；主浪向?yàn)镋NE；主流向?yàn)閃~E。波浪具體環(huán)境參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 陵水氣田波浪環(huán)境參數(shù)

1.2 陵水FLNG主參數(shù)和總體布置

FLNG可承受100年一遇的臺(tái)風(fēng)海況條件，采用單點(diǎn)系統(tǒng)定位于目標(biāo)海域。設(shè)計(jì)壽命為30年，船體結(jié)構(gòu)采用雙甲板、雙底、雙舷側(cè)的結(jié)構(gòu)型式。

船體設(shè)計(jì)主要參數(shù)如表2所示。

表2 陵水FLNG船體主要參數(shù)

FLNG船體部分自首向尾被水密橫艙壁劃分為首尖艙、單點(diǎn)艙、貨艙區(qū)、機(jī)艙和尾尖艙。貨艙區(qū)被劃分為1對(duì)凝析油貨艙、4對(duì)LNG貨艙和1對(duì)污油水艙，各貨艙之間設(shè)有隔離空艙。LNG和凝析油貨艙均為完全的雙甲板、雙層底、雙舷側(cè)、雙層橫艙壁結(jié)構(gòu)。

貨艙區(qū)雙底雙舷側(cè)區(qū)域?yàn)閴狠d水艙。貨艙區(qū)上部設(shè)有工藝模塊甲板，面積約10,000m2（包括電站和熱站），距離主甲板高度為6.0m，從艉部到艏部依次布置了生活樓、電氣房間模塊、卸貨區(qū)1、電站模塊、卸貨區(qū)2、液化工藝/熱介質(zhì)模塊、凝析油計(jì)量模塊、舷側(cè)取水模塊、低溫預(yù)冷模塊、海水冷卻/熱介質(zhì)模塊、原料氣預(yù)處理模塊、原料氣增壓模塊（預(yù)留）、MEG再生模塊、入口分離/生產(chǎn)水處理/燃?xì)馓幚砟K、化學(xué)試劑注入撬、單點(diǎn)系泊區(qū)域、卸貨區(qū)3、火炬。生活樓頂部設(shè)有直升機(jī)起降平臺(tái)?；鹁嫠虼追较騼A斜，高度約80m。

FLNG總體布置圖如圖1所示。

圖1 FLNG總體布置圖

每個(gè)艙布置一個(gè)LNG潛沒(méi)泵，經(jīng)由外輸泵將艙內(nèi)LNG輸入到甲板上管線匯總到外輸裝置，再經(jīng)由外輸裝置輸送至LNGC，外輸系統(tǒng)布置，參見(jiàn)圖2。

圖2 LNG外輸系統(tǒng)布置圖

2 外輸方式比選研究

2.1 外輸方式介紹

LNG主要的外輸方式有旁靠外輸和串靠外輸兩種，目前在建的FLNG均采用旁靠剛性臂外輸，串靠外輸尚無(wú)實(shí)際應(yīng)用先例。旁靠外輸系統(tǒng)具有技術(shù)成熟，相對(duì)投資成本較低，無(wú)需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)LNGC進(jìn)行改造等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著兩船距離較近、船舶運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償能力較弱、能夠適應(yīng)波高較低等不足。串靠外輸則有兩船間安全距離較大，能夠適應(yīng)較大波高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在技術(shù)不成熟，無(wú)實(shí)際應(yīng)用，設(shè)備費(fèi)用高昂，需要對(duì)LNGC進(jìn)行改造等缺點(diǎn)。

LNG外輸管道分為軟管或剛性臂輸兩種，剛性臂一直作為L(zhǎng)NG終端對(duì)LNGC的輸送上，技術(shù)成熟；LNG外輸軟管沒(méi)有工程實(shí)用經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)尚未成熟。現(xiàn)階段只能選擇剛性臂作為L(zhǎng)NG的外輸通道。

考慮到作業(yè)條件限制、技術(shù)成熟及可靠性、造價(jià)成本及LNG運(yùn)輸船改造難易程度等多方面因素，選擇適于FLNG的外輸系統(tǒng)技術(shù)，可以有效的降低船體和系泊的設(shè)計(jì)要求，節(jié)約建造成本，更好的推動(dòng)FLNG工程項(xiàng)目的實(shí)施和整個(gè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2.1.1 旁靠剛性臂外輸

旁靠剛性臂卸料系統(tǒng)是目前最常用的LNG傳輸系統(tǒng)。兩船間旁靠剛性臂卸料系統(tǒng)主要由系泊系統(tǒng)和剛性臂卸料系統(tǒng)組成。系泊系統(tǒng)由首部、中部和尾部的系纜絞車組成。剛性臂卸料系統(tǒng)由卸料臂、液壓動(dòng)力單元及控制系統(tǒng)組成[7][8]。

針對(duì)陵水氣田海況，進(jìn)行分析計(jì)算，最終確定旁靠剛性臂設(shè)計(jì)方案如下：（1）液相臂3套，管線為16英寸3，設(shè)計(jì)流量為3000m3/h。（2）氣相臂1套，管線為16英寸。（3）16根纜繩連接，尼龍纜直徑96mm，破斷載荷為1859kN。（4）4個(gè)碰墊，10.5m× Φ4.5m的長(zhǎng)圓柱，最大強(qiáng)度為5690kN。

LNGC與FLNG之間的連接示意圖如圖3所示。

圖3 LNGC與FLNG間輸送示意圖

采用旁靠剛性臂外輸系統(tǒng)與LNGC連接時(shí)需要滿足的海況如下：

——有義波高≤1.2m

與LNGC進(jìn)行裝卸時(shí)：

——有義波高≤2.5m

水平最大運(yùn)動(dòng)幅值：縱蕩+/-3m,橫蕩+1.5m/-3m

垂直最大運(yùn)動(dòng)幅值：+/-3m

旁靠剛性臂外輸受海況影響嚴(yán)重，適用于有義波高≤2.5m的海況下。且經(jīng)過(guò)兩船系泊運(yùn)動(dòng)分析，系泊時(shí)需要16根纜繩。

2.1.2 串靠剛性臂外輸

根據(jù)旁靠剛性臂外輸?shù)奶攸c(diǎn)，將其移植到串靠的外輸方式上，就是串靠剛性臂外輸。其中最具有代表性的是ATOL系統(tǒng)（鉸接式尾輸系統(tǒng)），由一固定支架、傳輸鋼臂、旋轉(zhuǎn)接頭、ERS緊急脫離裝置、ESD和QC/DC快速連接器、控制和監(jiān)控系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)等組成。使用三根外輸管線，一根氣相，兩根液相。如圖4所示。（1）液相臂2套，管線尺寸為20英寸，5000m3/h。（2）氣相臂1套，管線尺寸為20英寸。（3）ATOL鋼架尺寸：總長(zhǎng)80.72m，高度34.884m，寬度22m，總重1185t。

圖4 ATOL系統(tǒng)示意圖

采用ATOL外輸系統(tǒng)與LNGC連接時(shí)需要滿足的海況如下：

——有義波高≤3.5m（纜繩連接方式）

——有義波高≤4.5m（動(dòng)力定位連接方式）

與LNGC進(jìn)行裝卸時(shí)：

——有義波高≤4.5m（纜繩連接方式）

——有義波高≤5.5m（動(dòng)力定位連接方式）

水平方向最大運(yùn)動(dòng)幅值，橫蕩30m,縱蕩19m

垂直方向最大運(yùn)動(dòng)幅值：16m

旁靠剛性臂外輸對(duì)海況的適應(yīng)性大幅度提升，尤其實(shí)在LNGC具備動(dòng)力定位功能時(shí)，能夠滿足南海惡劣海況下的FLNG外輸要求。

2.2 串靠和旁靠比較

經(jīng)對(duì)目標(biāo)海域的有義波高進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表3所示，在每年10月到次年的2月期間有義波高大于2.5m以上的天數(shù)非常多，每月最少10天最多達(dá)到20天?？紤]到LNGC與FLNG在有義波高高于2.5m海況時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)旁靠外輸和旁靠系泊作業(yè)。另外，在此條件下，旁靠外輸設(shè)備需要較高運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和適應(yīng)能力，對(duì)設(shè)備要求也很高。綜上所述，對(duì)于目標(biāo)氣田海況，若采用旁靠外輸系統(tǒng)將無(wú)法滿足FLNG的外輸周期的要求，極大限制氣田生產(chǎn)，降低了FLNG收益率。

旁靠和串靠外輸系統(tǒng)性能比較參見(jiàn)表4，得出串靠外輸系統(tǒng)的總體性能優(yōu)于旁靠。

表3 目標(biāo)海域有義波高天數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表4 旁靠和串靠外輸系統(tǒng)性能比較

3 結(jié)語(yǔ)

本文以南海陵水22-1氣田的FLNG外輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性、外輸系統(tǒng)的實(shí)用性等方面進(jìn)行研究，并對(duì)串靠和旁靠外輸系統(tǒng)進(jìn)行深入分析比較，最終提出采用串靠剛性臂外輸系統(tǒng)方案，并對(duì)ATOL系統(tǒng)進(jìn)行了深入的分析，確定其能夠滿足陵水氣田的要求，解決了使用FLNG開(kāi)發(fā)南海氣田的外輸難題。但目前世界上FLNG的串靠外輸系統(tǒng)還沒(méi)有應(yīng)用實(shí)例，筆者建議在以后FLNG工程開(kāi)發(fā)中進(jìn)行更細(xì)致深入論證串靠外輸?shù)目煽啃?，以降低?yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。

[1]趙晶瑞,謝彬,王世圣,喻西崇.南海FLNG尾輸作業(yè)可行性研究[J].中國(guó)造船,2016-01-12.

[2]趙文華,楊建民,胡志強(qiáng),李欣.FLNG系統(tǒng)進(jìn)行旁靠卸載作業(yè)時(shí)的水動(dòng)力性能研究[J].船舶力學(xué),2012-11-15.

[3]劉元丹,蘇金波,王華.FLNG系統(tǒng)卸載方式概述[J].廣東造船, 2014-08-25.

[4]俞華,陳觀豪,汪建平,徐業(yè)峻.FLNG開(kāi)發(fā)中國(guó)南海邊際氣田的機(jī)遇[J].資源節(jié)約與環(huán)保,2015(06).

[5]趙文華,楊建民,胡志強(qiáng),李欣.FLNG系統(tǒng)進(jìn)行旁靠卸載作業(yè)時(shí)的水動(dòng)力性能研究[J].船舶力學(xué),2012(11).

[6]Yan Gu,YonglinJu.LNG-FPSO:Offshore LNG solutionJ].Frontiers of Energy and Power Engineering in China.2008(3).

[7]POLDERVAART L,QUEAU JP,Wan WYNGAARDEN V.Tandem mooring LNG offloading system.OTC 14099.2002.

[8]Bureau Veritas.HYDROSTAR for experts usemanual.2011.

趙會(huì)軍（1988—），男，漢族，河北邢臺(tái)人，2012年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)（華東），學(xué)士，工程師，從事海上油田設(shè)施科技研發(fā)工作。