FLNG上部模塊總體布置設(shè)計(jì)流程及案例分析

程　兵，喻西崇，謝　彬，王　清，徐敏航

(中海油研究總院，北京 100028)①

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FLNG上部模塊總體布置設(shè)計(jì)流程及案例分析

程兵，喻西崇，謝彬，王清，徐敏航

(中海油研究總院，北京 100028)①

鑒于浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置(FLNG)在海上應(yīng)用的靈活性，目前世界上很多國(guó)家都開展了對(duì)FLNG的研究，并已有多個(gè)項(xiàng)目進(jìn)入了建造階段。為了更好地開展FLNG的研究和設(shè)計(jì)工作，以南海某氣田的FLNG設(shè)計(jì)實(shí)例，探索了FLNG上部模塊總體布置的方法。介紹了采用FLNG方案進(jìn)行某氣田開發(fā)所制定的總體方案，對(duì)開展FLNG總體布置的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了梳理，并總結(jié)了總體布置專業(yè)與其他上下游專業(yè)的界面和接口。分析了FLNG上部模塊總體布置與傳統(tǒng)FPSO的區(qū)別和注意事項(xiàng)。這些經(jīng)驗(yàn)可以為今后開展FLNG研究和設(shè)計(jì)工作提供參考。

FLNG；上部模塊；總體布置；設(shè)計(jì)流程；案例

浮式液化天然氣生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置[1](FLNG)是一種集海上天然氣/凝析油的液化、儲(chǔ)存和裝卸為一體的新型FPSO裝置，具有開采周期短、開采靈活、可獨(dú)立開發(fā)、可回收和可運(yùn)移等特點(diǎn)，可顯著減少新建海底管道的費(fèi)用，并且可將氣體產(chǎn)品液化運(yùn)輸?shù)綒庠淳o缺的地區(qū)，使天然氣產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。可適用于小型、中型和大型氣田開發(fā)，并可適合于淺水和深水氣田開發(fā)[2]。

目前，世界上處在工程實(shí)施階段FLNG工程項(xiàng)目共有17個(gè)[3-4]，其中有4個(gè)FLNG裝置處在建造階段，分別是殼牌作為作業(yè)者的Prelude FLNG裝置、馬來西亞國(guó)家石油公司作為作業(yè)者的PFLNG1和PFLNG2及在惠生建造的Caribbean FLNG。2011年，殼牌確定投資建造世界上首艘大型FLNG—“Prelude FLNG”，并將在澳大利亞的Prelude氣田投入使用，處理量為360萬(wàn)t/a，采用的是雙混合制冷劑液化工藝。

中國(guó)海洋石油總公司2008年在國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型FLNG/FLPG、FDPSO關(guān)鍵技術(shù)”中啟動(dòng)對(duì)FLNG技術(shù)的攻關(guān)研究，并在2013年開始通過某東海氣田和某南海氣田的開發(fā)方案研究，分別開展了兩艘FLNG的預(yù)可研和可研設(shè)計(jì)。本文在南海某氣田的FLNG開發(fā)方案設(shè)計(jì)實(shí)例的基礎(chǔ)上，介紹前期研究中FLNG裝置上部模塊總體設(shè)計(jì)的流程及設(shè)計(jì)案例，并對(duì)FLNG總體布置區(qū)別于FPSO的特點(diǎn)進(jìn)行了分析。

1　氣田總體開發(fā)方案

南海某氣田水深約1 340 m，所在區(qū)域主風(fēng)向?yàn)镹E，該海域季風(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。該氣田為小型氣田，其開發(fā)方案之一為深水區(qū)采用水下生產(chǎn)系統(tǒng)回接到 FLNG的方式進(jìn)行開發(fā)。1 340 m水深處的2口井生產(chǎn)的流體在管匯處匯合后，通過2.82 km的海底管道混輸?shù)紽LNG上進(jìn)行處理。FLNG將其處理為合格的凝析油和LNG后通過凝析油運(yùn)輸船和LNG運(yùn)輸船進(jìn)行外輸。該氣田的總體開發(fā)方案如圖1所示。

圖1　南海某氣田的總體開發(fā)方案示意

2　FLNG裝置上部模塊總體布置設(shè)計(jì)流程

在確定工程開發(fā)方案后，項(xiàng)目組開展了FLNG裝置的設(shè)計(jì)。其中上部模塊總體布置的設(shè)計(jì)流程分為3步。

1)根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)和FLNG的功能定位，確定FLNG的總體布局。

在前期研究類項(xiàng)目中，F(xiàn)LNG上部模塊總體布局的確定是最關(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容。FLNG總體布局的選取方式可以參考FPSO，但選取時(shí)的影響因素更多，主要因素如圖2所示。

圖2　FLNG上部模塊總體布局形式的選擇

船型除了SEVAN的圓筒型方案外，一般考慮類似傳統(tǒng)FPSO的船型。系泊方式的選取十分重要，對(duì)于半海、半陸式開發(fā)方案，有港口系泊的條件可采用港口系泊；對(duì)于全海式開發(fā)方案，應(yīng)結(jié)合環(huán)境條件來確定采用多點(diǎn)系泊、外轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊還是內(nèi)轉(zhuǎn)塔單點(diǎn)系泊。外輸方式對(duì)整體布局有很大影響，應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件和船體的運(yùn)動(dòng)性能確定。旁靠外輸方式技術(shù)更加成熟，但對(duì)環(huán)境條件要求較高，LNG艉靠外輸方式目前已經(jīng)取得突破，可以滿足更惡劣的海況需求，保證外輸作業(yè)天數(shù)。工藝方案中，是否帶預(yù)處理功能，以及究竟采用何種液化方式也會(huì)對(duì)FLNG的尺寸規(guī)模和總體布局產(chǎn)生影響。

圖3a所示為殼牌Prelude FLNG的總體布局形式，該FLNG采用了類似南海某些FPSO的布局方式，整體布局從艏到艉為“單點(diǎn)-火炬-預(yù)處理-液化-外輸-電站/電氣房間-生活樓”。這是因?yàn)镻relude所在的澳大利亞西北海域的海況良好，采用旁靠的方式即可滿足作業(yè)要求。

圖3b所示為惠生建造的Caribbean FLNG布局，該FLNG為典型的“靠岸式”FLNG，預(yù)處理在岸上進(jìn)行，上部?jī)H有液化設(shè)備，因此其尺度可以很?。黄湎挡捶绞揭膊煌谶h(yuǎn)海的FLNG裝置。這一布局形式的確定取決于業(yè)主對(duì)其功能的定位和需求。

圖4所示案例為南海某前期研究項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的FLNG布局示意圖。由于南海海況相對(duì)惡劣，并且該FLNG為小型裝置，采用旁靠方式無法滿足可外輸天數(shù)的要求，嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益。因此，采用了艉靠的外輸方式。該FLNG從艏到艉設(shè)計(jì)整體布局為“生活樓-卸貨區(qū)-單點(diǎn)-電站/電氣房間/公用模塊-預(yù)處理-火炬-液化-艉靠外輸”。這樣的布局將生活樓布置在船艏，從而避免工作人員長(zhǎng)期處于油氣裝置的下風(fēng)向，整個(gè)上部按照從艏到艉按照安全區(qū)-危險(xiǎn)區(qū)過渡。生活樓遠(yuǎn)離了外輸裝置、火炬、工藝處理設(shè)施，并且和單點(diǎn)之間有卸貨區(qū)作為間隔，提高了安全性?；鹁娌贾迷诖胁?，避免了距離生活樓過近或者距離外輸區(qū)域過近，有效分隔了預(yù)處理區(qū)域和液化區(qū)域，同時(shí)中部更有利于減少泄放管系的長(zhǎng)度。

a　Prelude FLNG

b　Caribbean FLNG圖3　部分FLNG總體布局形式

圖4　南海某氣田前期研究項(xiàng)目的FLNG總體布局示意

2)各專業(yè)提出初步設(shè)計(jì)參數(shù)和布置需求，總圖專業(yè)開展上部模塊總體布置，提交初步方案。

在確定圖4的大致總體布局形式后，工藝、水處理、機(jī)電儀、浮體、結(jié)構(gòu)、安全等各專業(yè)提交本專業(yè)設(shè)計(jì)參數(shù)及要求和建議給總圖專業(yè)進(jìn)行上部模塊總體布置。FLNG上部模塊涉及的機(jī)械設(shè)備眾多，水處理、安全、外輸、重控等方面比FPSO的要求更加復(fù)雜，液艙的尺寸和結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)上部模塊有一定要求，總圖專業(yè)應(yīng)在與各專業(yè)充分溝通的基礎(chǔ)上開展工作。相關(guān)的接口界面和要求如圖5所示。

3)各專業(yè)針對(duì)布置方案進(jìn)行分析，合理優(yōu)化，修改優(yōu)化總體布置方案。

初步的總體布置方案應(yīng)經(jīng)過各專業(yè)的分析：工藝專業(yè)需分析流程合理性，布置方案對(duì)工藝設(shè)備運(yùn)行效率的影響；安全專業(yè)應(yīng)開展布置方案的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提出合適的安全間距；結(jié)構(gòu)專業(yè)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，制定安裝方案；重控專業(yè)應(yīng)進(jìn)行模塊質(zhì)量統(tǒng)計(jì)和重心分析等。對(duì)于總體布置中明顯不符合本專業(yè)要求的，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整布置方案；布置方案中需要對(duì)相關(guān)專業(yè)的參數(shù)進(jìn)行修改的，該專業(yè)應(yīng)合理論證是否經(jīng)濟(jì)、安全和可行，適當(dāng)修改相關(guān)參數(shù)。例如，本階段原始建議的船體尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，船寬縮短了2 m，船長(zhǎng)也有所減?。徊糠謾C(jī)械設(shè)備的尺寸為了便于布置，在不影響功能的前提下改變了長(zhǎng)寬高；部分設(shè)備應(yīng)布置在船體還是上甲板也應(yīng)經(jīng)過相關(guān)專業(yè)共同討論后進(jìn)行了調(diào)整。

圖5　前期研究階段FLNG上部模塊總體布置的輸入?yún)?shù)及界面

經(jīng)過各專業(yè)優(yōu)化和總圖專業(yè)修改后，完成了新建FLNG的上部模塊總體布置圖(如圖4)。新建FLNG年處理量為60萬(wàn)t，船總長(zhǎng)255 m，型寬44 m。其上部模塊的標(biāo)高為EL.(+)6 m(總圖專業(yè)關(guān)于FLNG的標(biāo)高均為相對(duì)船體主甲板的標(biāo)高)。根據(jù)從艏部到艉部按照安全區(qū)到危險(xiǎn)區(qū)來排列的順序，并考慮到整體工藝流程，上部模塊按艏部到艉部、左舷到右舷的順序依次布置了生活樓、卸貨區(qū)、單點(diǎn)、AP/AS、BP/ BS、CP/ CS、DP/ DS、EP/ ES等模塊和艉輸系統(tǒng)(A/B/C/D/E按照從艏到艉排列，P代表左舷，S代表右舷)。其中AP/AS模塊與BP/BS模塊采用防火墻進(jìn)行間隔，隔開了8 m的安全間距。危險(xiǎn)區(qū)的各模塊間采用了3 m的間隔。左右舷的兩個(gè)模塊之間的管廊帶為5 m。

3　FLNG總體布置區(qū)別于FPSO的特點(diǎn)

國(guó)內(nèi)對(duì)FPSO的設(shè)計(jì)建造已經(jīng)積累了很多經(jīng)驗(yàn)，對(duì)FPSO設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的積累有利于做好FLNG的設(shè)計(jì)。FLNG與FPSO有很多共性，但也有很大的不同。在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)FLNG的總體布置區(qū)別于FPSO的一些特點(diǎn)進(jìn)行了分析和總結(jié)。

1)多層布置。單個(gè)模塊比FPSO層數(shù)多，質(zhì)量大。由于FLNG裝置涉及到天然氣預(yù)處理、液化裝置，以及一些原油/凝析油處理設(shè)施，加上FLNG和原油/凝析油的外輸設(shè)施，因此其上部模塊甲板面積并不寬松，單層布置很難滿足需求。采用多層布置，對(duì)于一些塔器(如穩(wěn)定塔、脫乙烷塔等)裝置采用穿層布置，對(duì)于換熱器等一些小型設(shè)備可以采用局部二層小甲板的方式來布置，布置時(shí)應(yīng)合理利用高差勢(shì)能。

2)質(zhì)量/重心的考慮。上部模塊進(jìn)行總體布置時(shí)，既要保證模塊的重心盡量低，左右舷不偏心，同時(shí)還要嚴(yán)格控制單一模塊的質(zhì)量。因此FLNG通常采用多層布置，模塊質(zhì)量較之FPSO模塊大了很多，在前期研究時(shí)應(yīng)合理規(guī)劃，保證單一模塊質(zhì)量不超過其安裝方式?jīng)Q定的最大安裝能力，若采用藍(lán)鯨號(hào)安裝，大型FLNG的單一模塊控制不超過4 000 t，采用其他資源安裝，質(zhì)量限制會(huì)更加嚴(yán)格。

3)船體晃動(dòng)的影響。船體的晃動(dòng)可以影響FLNG的天然氣處理裝置的工作效率，為了減小這一負(fù)面影響，在布置時(shí)通?？紤]將大型塔器布置在靠近管廊帶的位置。

4)吊裝的考慮。采用多層布置時(shí)，由于安全上要求工藝設(shè)備上方不要進(jìn)行大型吊裝操作，同時(shí)部分塔器的高度過高也會(huì)影響吊機(jī)的操作，因此FLNG上部模塊會(huì)通過電葫蘆、滑道等方式來進(jìn)行輔助吊裝，彌補(bǔ)吊機(jī)所受到的這些限制，吊機(jī)數(shù)量也可以因此得到優(yōu)化，從而減小上部模塊的質(zhì)量和成本。對(duì)于預(yù)留安裝的模塊和設(shè)備，也應(yīng)保證其后期安裝時(shí)無遮擋，并且不會(huì)影響到模塊上的其他生產(chǎn)設(shè)施。

5)主甲板的高度和管廊帶寬度。國(guó)內(nèi)FPSO主甲板高度最小為3 m，一般為4.0、4.4、4.5 m，僅30萬(wàn)t的海洋石油117標(biāo)高達(dá)到6 m。FLNG上部模塊主甲板標(biāo)高考慮因素和FPSO類似，通常是油泵維修提泵所需高度、空間甲板梁高、船艙呼吸孔所需高度、甲板下管線電纜托架所需高度等。由于FLNG上部模塊較重需要更堅(jiān)實(shí)的支撐，同時(shí)工藝配管的尺寸超過傳統(tǒng)FPSO，國(guó)外某些設(shè)計(jì)公司對(duì)大型FLNG(300萬(wàn)t的LNG年產(chǎn)量)的主甲板高度設(shè)計(jì)取值可達(dá)8 m，此南海小型FLNG主甲板高度為6 m。同理，國(guó)內(nèi)FPSO的管廊帶寬度大都為3.0～3.4 m，大型FLNG的管廊帶寬度可達(dá)8 m，此南海小型FLNG管廊帶寬度取為5 m。

6)安全間距。國(guó)內(nèi)FPSO上通常安全區(qū)和危險(xiǎn)區(qū)間距最小為3 m，多的可達(dá)5 m或6 m，本方案選取了8 m的間距。此外，考慮到液化區(qū)域的低溫泄露和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)處理和液化區(qū)域也要保持幾米的間距。FLNG為減小爆炸和火災(zāi)對(duì)周邊模塊的影響，安全間距比FPSO會(huì)取得更高[5]。但安全間距的增大也會(huì)引起裝置成本的顯著增加。目前國(guó)際上對(duì)FLNG模塊安全間距的選取和計(jì)算還沒有成熟的結(jié)論，總體布置專業(yè)應(yīng)與安全專業(yè)一起共同分析，確定合理的安全間距。

4　結(jié)論

1)通過南海某氣田的FLNG開發(fā)方案前期研究設(shè)計(jì)實(shí)例，探索了FLNG上部模塊總體布置的方法，對(duì)其總體布局方式選取所考慮的因素進(jìn)行了分析，對(duì)總體布置的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了總結(jié)，對(duì)總體布置和上下游專業(yè)的界面接口進(jìn)行了梳理，并重點(diǎn)分析了FLNG上部模塊總體布置與FPSO的區(qū)別。其中，結(jié)合具體的設(shè)計(jì)案例對(duì)FLNG上部模塊的設(shè)計(jì)流程和界面的系統(tǒng)梳理屬于國(guó)內(nèi)首次。

2)目前國(guó)內(nèi)結(jié)合具體氣田開展的FLNG設(shè)計(jì)屈指可數(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)的提煉和規(guī)范更是亟待加強(qiáng)。本文總結(jié)的設(shè)計(jì)流程和界面在今后開展FLNG相關(guān)的科研和生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，可以提供很好的參考，布置方案和思路也可以用于將來的南海FLNG方案設(shè)計(jì)。

3)今后還需要不斷攻克FLNG前沿技術(shù)，尤其是結(jié)合液化工藝方案開展上部設(shè)備布置優(yōu)化，并開展三維建模設(shè)計(jì)來優(yōu)化總圖，早日讓FLNG裝置服務(wù)于中國(guó)海洋石油。

[1]謝彬，王世圣，喻西崇，等.FLNG_FLPG工程模式及其經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)[J].經(jīng)濟(jì)管理，2012，32(10)：99-102.

[2]薄玉寶.浮式液化天然氣(FLNG)技術(shù)在中國(guó)海上開發(fā)應(yīng)用探討[J].中國(guó)海洋平臺(tái)，2013，28(3)：1-5.

[3]Hans Kristain Ganielsen，Goran Andreassen，et al.The commercial advantages and limitations-Onshore versus Offshore LNG import facilities[C]//The 2009 Offshore Technology Conference.Houston，USA.OTC 19551.

[4]Wouter Pastoor，Kristine Lund，et al.The LNG producer-a generic design with great adaptability[C]//The 2009 Offshore Technology Conference.Houston，USA.OTC 19845.

[5]周建德，余建星，楊源，等.FLNG裝置工藝模塊安全間距研究[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械，2012，41(12)：11-16.

Procedure and Example Analysis of FLNG Topside General Layout Design

CHENG Bing，YU Xichong，XIE Bin，WANG Qing，XU Minhang

(CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China)

Due to offshore application flexibility of Floating Liquefied Natural Gas System (FLNG)，intensive researches on FLNG are being made currently in many countries，some of which are even under construction.In order to conduct better research and design of FLNG，an exploration on FLNG topside general layout design are made，based on an actual example of a certain South China Sea FLNG feasibility design project：by introducing overall FLNG development plan of the gas field，analyzing the general layout design procedures，summarizing the interfaces between layout and upstream & downstream professions，finally comparing the differences between FLNG and traditional FPSO general layout.These experiences could be helpful for FLNG research and design in the future.

FLNG；topside；general layout；design procedure；example

1001-3482(2016)09-0041-05

2016-03-29

國(guó)家科技重大專項(xiàng)“大型FLNG/FLPG、FDPSO關(guān)鍵技術(shù)”(ZX201105026-06)

程兵(1983-)，男，安徽安慶人，高級(jí)工程師，碩士，2009年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，現(xiàn)主要從事海上油氣集輸工藝研究，Email：chengbing@cnooc.com.cn。

TE951

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.009