LNG-FSRU再氣化模塊設(shè)備布置研究

朱 鋒， 張 林， 王 俊， 顧曉波

(1.江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003; 2.南通太平洋海洋工程有限公司, 上海 200070)

?

LNG-FSRU再氣化模塊設(shè)備布置研究

朱 鋒1， 張 林2， 王 俊1， 顧曉波1

(1.江蘇科技大學(xué)， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003; 2.南通太平洋海洋工程有限公司, 上海 200070)

陸上LNG接收終端受項目投資大、審批周期長、建設(shè)時間久、海岸線資源緊張等因素制約，使得海上浮式LNG接收站得到重視。LNG再氣化模塊是LNG-FSRU重要功能模塊，在有限的空間內(nèi)確定工藝流程、規(guī)劃系統(tǒng)布置、劃分子功能區(qū)域、協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計，對設(shè)備進(jìn)行合理布置是綜合設(shè)計思路的體現(xiàn)，可提高LNG再氣化裝置的適應(yīng)性和可靠性。

LNG-FSRU 再氣化模塊 設(shè)備布置研究

0 引言

目前液化天然氣(LNG)市場在世界范圍內(nèi)前景廣闊，地位日益凸顯，我國也在不斷加大對LNG的開發(fā)利用。我國LNG接收終端大部分是陸地式LNG接收終端，受項目投資巨大、審批周期長、建設(shè)時間久、海岸線資源緊張等因素制約，在沿海建設(shè)該類接收終端的阻力也越來越大。隨著國外海上浮式LNG接收站(LNG-FSRU)工程應(yīng)用的逐步發(fā)展，浮式LNG配套功能模塊將成為未來海工的重要發(fā)展趨勢之一。現(xiàn)在，國內(nèi)船用LNG再氣化功能模塊設(shè)計制造剛剛起步，對船用LNG再氣化功能模塊的研究，是滿足海上LNG接收站建設(shè)的關(guān)鍵要素之一。

1 LNG再氣化模塊說明

LNG整個產(chǎn)業(yè)鏈包括開采、預(yù)處理、液化、儲存、運輸、再氣化等環(huán)節(jié)，是一個技術(shù)密集、投資龐大的完整鏈系。船用LNG再氣化功能模塊是LNG動力船和海上浮式LNG接收站的核心裝備，在LNG產(chǎn)業(yè)鏈中起到關(guān)鍵作用。

目標(biāo)LNG再氣化功能模塊工作時熱源主要來源于外界海水，因LNG的存儲溫度低至-163℃，工程上通常用海水先加熱冰點較低的中間介質(zhì)，再由中間介質(zhì)把熱量傳至給LNG進(jìn)行氣化，以此防止海水直接加熱LNG而產(chǎn)生冰凍的危險。中間介質(zhì)在工作過程中組成一個閉環(huán)循環(huán)系統(tǒng)，本目標(biāo)LNG再氣化模塊采用丙烷作中間介質(zhì)。圖1為LNG再氣化模塊三維模型。

圖1 LNG再氣化模塊三維模型

目標(biāo)LNG再氣化功能模塊的工作流程(見圖2)是：再氣化模塊工作時，LNG吸入罐從船體LNG液艙吸入部分LNG以備氣化使用；丙烷在丙烷蒸發(fā)器進(jìn)行與外界海水換熱；氣化中LNG增壓泵從LNG吸入罐泵出部分LNG并增壓輸送至LNG蒸發(fā)器中，利用加熱后的丙烷在LNG蒸發(fā)器中進(jìn)行加熱升溫；加熱后的LNG通過補(bǔ)償加熱器繼續(xù)加熱升溫，最終得到溫度在5℃的氣體天然氣，并通過管道向船舶LNG主機(jī)或城市管網(wǎng)供氣；有效解決LNG動力船和海上LNG的接收站推廣應(yīng)用中如何對LNG進(jìn)行高效氣化的瓶頸問題[1]。

圖2 LNG再氣化模塊工作流程圖

2 LNG-FSRU再氣化模塊設(shè)備布置原則

LNG再氣化模塊設(shè)備布置是一個落實設(shè)備參數(shù)、確定工藝流程、規(guī)劃系統(tǒng)布置、劃分子功能區(qū)域、協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計等綜合設(shè)計思路的體現(xiàn)[2]。在模塊總布置初始規(guī)劃過程中，就需考慮船型、安裝位置、空間重量、整體方案、技術(shù)形態(tài)等因素，同時結(jié)合船體穩(wěn)性、模塊吊裝、拖航等性能計算，并最終確定方案?？偛贾脩?yīng)遵循以下基本原則：

(1) 系統(tǒng)性。從全局出發(fā)確保穩(wěn)性、吊裝、拖航等技術(shù)性能，這是模塊安全運營的根本[3]；

(2) 功能性。以實現(xiàn)再氣化模塊功能為核心，合理布置模塊設(shè)備，確保其工作流程的合理性；

(3) 可行性。選擇合適的施工工藝，確保在資源、技術(shù)上可行并有效控制建造成本；

(4) 穩(wěn)定性。妥善考慮模塊的重心位置、控制模塊重量，合理規(guī)劃各區(qū)域的重量分布[4]；

(5) 安全性。全面考慮防火及防爆等因素，在總布置設(shè)計之初時即要避免或降低在由于危險區(qū)域中布置電氣、機(jī)械等設(shè)備而可能引起的安全隱患[5]；

(6) 高效性。確保安全高效，盡可能保留足夠操作空間，注意為設(shè)備維護(hù)和升級預(yù)留空間；

(7) 遵循相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和指南。

3 目標(biāo)LNG再氣化模塊布置現(xiàn)狀分析

根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求，船用LNG再氣化裝置具有3組功能相同、可獨立運行的再氣化單元。再氣化單元既可單組或多組任意配置，也可獨立運行，并利用海水熱量加熱液態(tài)天然氣，既能改進(jìn)效率、同時兼顧穩(wěn)性和安全。目標(biāo)LNG再氣化模塊工作具體技術(shù)性能指標(biāo)和主要設(shè)備參數(shù)如表1～表3可知。

表1 LNG-FSRU再氣化裝置主要技術(shù)與性能指標(biāo)

表2 設(shè)備參數(shù)

表3 主要設(shè)備空間占用尺寸

因3組LNG再氣化模塊中的設(shè)備布置方式與單組LNG再氣化模塊布置方式相同，故下文只針對單組LNG再氣化模塊中各個功能子系統(tǒng)具體設(shè)備布置情況進(jìn)行分析。圖3為單組LNG再氣化模塊設(shè)備布置總圖。圖4為LNG再氣化模塊設(shè)備空間向心關(guān)系圖。

圖3 單組LNG再氣化模塊設(shè)備布置總圖

圖4 LNG再氣化模塊設(shè)備空間向心關(guān)系圖

(1) 海水凈化加熱子系統(tǒng)布置方式

海水凈化加熱模塊主要涉及的設(shè)備為丙烷加熱器和丙烷預(yù)加熱器，主要被安放于模塊右舷位置，兩個設(shè)備高度均達(dá)2.78 m，因此整個再氣化模塊層高主要受這兩個設(shè)備尺寸影響而決定，如圖5所示。模塊中海水管道管徑大，可達(dá)40″，為降低模塊重心和節(jié)省模塊內(nèi)部空間，將海水管道布置在底部集液盤下方。同時，為縮短加熱后丙烷管道長度，將丙烷加熱器放置于中部平臺，將丙烷預(yù)加熱器安放于底部集液盤。

圖5 海水加熱子系統(tǒng)布置圖

(2) 丙烷循環(huán)子系統(tǒng)布置方式

丙烷循環(huán)模塊作為一個以閉路循環(huán)參與模塊工作，由圖6可知丙烷管系布置主要根據(jù)丙烷加熱器、LNG蒸發(fā)器和結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行布管。丙烷子系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備和管道主要布置在模塊右舷處，丙烷罐則根據(jù)LNG蒸發(fā)器的位置進(jìn)行懸置安放。根據(jù)管道分析，丙烷流徑LNG蒸發(fā)器和丙烷加熱器之間管道時，首尾兩端存在巨大的溫差，由于本身管道內(nèi)部液體流量、壓力以及熱膨脹會產(chǎn)生較大應(yīng)力，為了防止管道應(yīng)力對設(shè)備產(chǎn)生不必要的推力，管道均采用彎管形式進(jìn)行壓力釋放。

圖6 丙烷循環(huán)子系統(tǒng)布置圖

(3) LNG氣化子系統(tǒng)布置方式

LNG氣化子系統(tǒng)主要是以LNG蒸發(fā)器為核心，結(jié)合重量重心等進(jìn)行布置。如圖7可知，LNG子系統(tǒng)管道主要布置于模塊頂層平臺左舷，將LNG管道集中于頂部平臺的優(yōu)勢在于具有較大的空間，以方便工作人員對重點設(shè)備儀表以及管道進(jìn)行檢查。與LNG蒸發(fā)器相連的管道，也是通過設(shè)置彎管進(jìn)行應(yīng)力釋放的方式布置。LNG增壓泵平臺設(shè)有便于工作人員進(jìn)行檢查修理的樓梯，設(shè)備底部貫穿底層集液盤平臺，以適當(dāng)?shù)慕档蚅NG增壓泵的重心位置。

圖7 LNG氣化子系統(tǒng)布置圖

(4) BOG子系統(tǒng)布置方式

BOG子系統(tǒng)主要是將LNG液艙中的BOG氣體進(jìn)行收集壓縮并通過LNG進(jìn)行冷凝液化，如圖8所示。BOG管道主要是根據(jù)BOG氣旋分離器和BOG冷凝器位置進(jìn)行布置。由于BOG需利用LNG過冷進(jìn)行液化，故BOG冷凝器會布置在模塊左舷、LNG氣化器的LNG上游管路處，以便BOG氣體液化后直接進(jìn)入LNG管道進(jìn)行再氣化。

圖8 BOG子系統(tǒng)布置圖

LNG再氣化模塊設(shè)備布置時，充分考慮了LNG增壓泵、丙烷增壓泵、以及丙烷加熱器的空間形狀和設(shè)備重量。由于在工作狀態(tài)下，海水管道、丙烷管道將會充滿大量液體，而模塊右舷位置設(shè)備管系比較集中，故而會使模塊整體重心偏于右舷，不利于模塊工作的安全性。丙烷預(yù)加熱器的位置，又限制了補(bǔ)償加熱器的安放，使NG管路的管線變長。因此，針對模塊重心位置并考慮到操作的便捷性，須對設(shè)備布置進(jìn)行調(diào)整。

4 設(shè)備布置調(diào)整

在進(jìn)行一定的準(zhǔn)備工作并得到相關(guān)基礎(chǔ)資料后，根據(jù)外界環(huán)境及其它因素，確定模塊各平臺方位高度；然后考慮LNG泄露存在爆炸的危險性，并將平臺分為若干功能區(qū)域, 進(jìn)行設(shè)備布置。由于各個設(shè)備將有一定的工作空間范圍，因此布置過程要充分考慮設(shè)備之間的配合交接、設(shè)備的工作范圍半徑等，確保設(shè)備之間不能發(fā)生干涉[6-7]。

由上分析可知，重量較大的設(shè)備和管系多集中在模塊右舷，致使模塊重心偏離模塊中心線，且整體模型空間尺寸又受丙烷加熱器和丙烷預(yù)加熱器設(shè)備形狀限制，因此可針對LNG蒸發(fā)器、BOG再冷凝器、丙烷罐、丙烷泵、丙烷加熱器、丙烷預(yù)加熱器進(jìn)行布置調(diào)整。此外，模塊布置要考慮外界海洋環(huán)境的惡劣條件以及整個模塊的重心和穩(wěn)心，盡可能地降低重心高度，同時使重心盡量落于模塊軸線附近，利于順暢生產(chǎn)流程、節(jié)約布置空間、 縮短配管距離，有效提高模塊的穩(wěn)定性。

由表2設(shè)備參數(shù)可知，在單組再氣化模塊中，丙烷加熱器的重量最大，其次是LNG增壓泵，再次為丙烷預(yù)加熱器，而丙烷加熱器和丙烷預(yù)加熱器的位置又會直接影響到海水管的分置位置，故采取將丙烷加熱器和丙烷預(yù)加熱器分置于模塊軸線兩側(cè)，海水管道可在集液盤底層分布于軸線兩側(cè)的方式進(jìn)行布置。

丙烷加熱器采取原有理念設(shè)計放置于模塊中部平臺上，考慮到空間形狀需將平臺向模塊內(nèi)部延伸，此平臺被添加在模塊內(nèi)部靠左舷側(cè)，這樣可盡量減少加熱后丙烷管的長度，同時，丙烷加熱器安放時需預(yù)留出用于工作人員進(jìn)行檢查修理的通道空間。

丙烷預(yù)加熱器則放置于模塊內(nèi)部靠右舷側(cè)，在預(yù)留安全通道的前提下，又不能過多地向模塊內(nèi)部平移。因為丙烷加熱器和丙烷預(yù)加熱器需為海水管道、丙烷管道以及丙烷罐預(yù)留出充足的空間，以免管道與管道或管道與設(shè)備間產(chǎn)生干涉。

丙烷罐的布置方式與原有設(shè)計相比，考慮到丙烷罐在模塊內(nèi)部占用的空間，將丙烷罐在XY軸平面內(nèi)順時針旋轉(zhuǎn)90°。

丙烷增壓泵由原有在模塊內(nèi)部設(shè)計調(diào)整為被安放于原有丙烷加熱器基座平臺。

補(bǔ)償加熱器則合理利用了原有丙烷加熱器基座平臺，同時又減少了離丙烷預(yù)加熱器和LNG蒸發(fā)器直線的距離，減少了管系的長度。

LNG蒸發(fā)器考慮到加熱后丙烷管道需在頂部平臺設(shè)置彎管釋放，以及連接LNG蒸發(fā)器的NG管道的布管，在原有基礎(chǔ)上也在XY軸平面內(nèi)順時針旋轉(zhuǎn)90°。

LNG增壓泵考慮到與調(diào)整后的丙烷加熱器的干涉問題，同時平衡模塊重心，故將LNG增壓泵在原有中部平臺對稱調(diào)整到模塊靠船艏處，模塊中樓梯通道位置保持原有設(shè)計。

設(shè)備綜合布置調(diào)整如圖9所示。通過設(shè)備和主結(jié)構(gòu)調(diào)整極大的利用了模塊內(nèi)部空間，為原有丙烷加熱器基座中部平臺節(jié)省出了較大面積，可進(jìn)行相關(guān)電器、儀表安放，多組再氣化模塊布置可參照此單組模塊方式調(diào)整。

圖9 單組再氣化模塊設(shè)備調(diào)整

5 主結(jié)構(gòu)適應(yīng)性調(diào)整

針對上節(jié)設(shè)備位置調(diào)整，丙烷加熱器、丙烷預(yù)加熱器以及丙烷泵位置變動較大，故對各設(shè)備基座平臺附近的相關(guān)結(jié)構(gòu)也需進(jìn)行調(diào)整并做加強(qiáng)處理。通過有限元軟件對設(shè)備調(diào)整完之后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整如圖10所示。

圖10 主結(jié)構(gòu)適應(yīng)性調(diào)整

在進(jìn)行設(shè)備調(diào)整時，將原有LNG增壓泵基座平臺向模塊內(nèi)部延伸，以便于安放丙烷加熱器。由于原有中部平臺具有較大結(jié)構(gòu)冗余度，故在建模同時，對中部平臺結(jié)構(gòu)截面向下調(diào)整一級，B9(300×300×8×16)調(diào)整為B7(260×260×8×12)，B7調(diào)整為B5(200×200×6×10)。

針對模塊主結(jié)構(gòu)適應(yīng)性調(diào)整，對模塊主結(jié)構(gòu)強(qiáng)度采用規(guī)范進(jìn)行自動校核，利用桿件UC值(UC值為結(jié)構(gòu)實際應(yīng)力與容許應(yīng)力的比值)來判斷某種工況下，是否滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足的構(gòu)件進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，調(diào)整后模塊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算結(jié)果如圖11～圖15所示。

圖11 吊裝工況

圖12 正常作業(yè)工況

圖13 極端工況

圖14 拖航工況

圖15 爆炸工況

模塊主結(jié)構(gòu)進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整后，在進(jìn)行強(qiáng)度校核時發(fā)現(xiàn)丙烷加熱器LNG增壓泵平臺強(qiáng)度較弱，應(yīng)對相應(yīng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)處理。處理后的總體結(jié)果能滿足各工況下的強(qiáng)度要求，調(diào)整后主結(jié)構(gòu)重量對比如下：

調(diào)整前54.639 t； 重心位置X軸2.57 m，Y軸-0.33 m，Z軸2.56 m。

調(diào)整后52.437 t；重心位置X軸2.58 m，Y軸0.02 m，Z軸2.50 m。

可以看出調(diào)整后的主結(jié)構(gòu)重心比原有結(jié)構(gòu)重心降低了6 cm，盡管重量增加了2 t，但卻明顯節(jié)省了模塊內(nèi)部各子系統(tǒng)管線和管路保溫層的長度，尤其是NG管道的長度。此管道型號為10″SCH.120，平端管質(zhì)量可達(dá)153 kg/m，因此各子系統(tǒng)管道路徑的縮短也會有效減小整體模塊重量，與主結(jié)構(gòu)增加的重量相抵消，優(yōu)化布置后模塊的整體重量和原有設(shè)計重量相當(dāng)，但整體的穩(wěn)定性和安全性均得到提升。

[][]

6 總結(jié)

通過分析單組LNG再氣化模塊的原始布置，判斷出各子系統(tǒng)中設(shè)備、管系與管支架的布置方式，總結(jié)出LNG再氣化模塊整體重心偏于模塊右舷的結(jié)論。根據(jù)總布置原則在模塊內(nèi)部添加工作平臺，合理布置重量較大的設(shè)備，使各子系統(tǒng)劃分更加清晰，既保證了整體重心位置能處于模塊軸線位置，也對模塊內(nèi)部空間進(jìn)行了充分利用。通過對模塊重要設(shè)備布置調(diào)整，提供了LNG再氣化模塊設(shè)備的一種新的布置方案，可作為以后LNG再氣化模塊布置方法的參考。

[1] Sohn Y，Kim S, Yoon I.Conceptual Design of LNG FSRU Topside Regasification Plant [C]//Proceedings of the Twenty-second (2012) International Offshore and Polar Engineering Conference，2012:917-919.

[2] 劉海霞. 深海半潛式鉆井平臺的總布置[J]. 中國海洋平臺，2007(3):7-11.

[3] 任憲剛，白勇,賈魯生. 自升式鉆井平臺總布置的研究[J].船舶工程，2010(s2):121-125.

[4] 趙英年.海洋石油生產(chǎn)平臺平面布置設(shè)計原則[J]. 中國海上油氣(工程)，1994(1):1-7.

[5] Gu Y,Ju Y L. Corrigendum to “Effect of parameters on performance of LNG-FPSO offloading system in offshore associated gas fields”[J]. Applied Energy, 2011, 88(1):417.

[6] 趙英年. 海洋石油生產(chǎn)平臺平面布置設(shè)計原則[J]. 中國海上油氣(工程)，1994(1)：1-7.

[7] Mitchell W J, Steadman J P. Synthesis and Optimization of Smallrectangular Floor plans[J]. Environment and Planning B, 1976(3)：37-70.

Structural Strength Analysis for LNG-FSRU Regasification Module

ZHU Feng1, ZHANG Lin2, WANG Jun1, GU Xiao-bo1

(1.Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212000， China;2 Nantong Sinopacific Offshore & Engineering Co., Ltd., Shanghai 200070， China)

The concept of an offshore floating storage and regasification unit (FSRU) has been proposed as alternatives to conventional onshore LNG import terminals. The LNG Regasification module is the key function module to the LNG-FSRU.In the limited space，how to determine process, plan system layout, allot functional areas, coordinate design is the comprehensive design ideas.It can improve the adaptability and reliability of LNG regasification unit.

LNG-FSRU Regasification module Layout optimization

朱 鋒(1987-)，男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋工程。

U674

A