FLNG存儲(chǔ)技術(shù)的探討

汪建平

（中海油能源發(fā)展南美區(qū)域中心 北京 100027）

引言

眾所周知，在我國(guó)除了陸地還有海洋還存有大量的天然氣資源尚未被開(kāi)發(fā)和利用，它們有些是沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，有些是發(fā)現(xiàn)了，但是考慮到技術(shù)及經(jīng)濟(jì)的原因還沒(méi)有被開(kāi)發(fā)，比如海上的邊際氣田，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一種針對(duì)海上氣田開(kāi)發(fā)的FLNG新型模式被創(chuàng)立，它的產(chǎn)生，將大大減少海上天然氣田開(kāi)發(fā)的成本（大概能減少1/3）這使原來(lái)處于經(jīng)濟(jì)效益邊緣或者根本沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益的氣田也將被列入開(kāi)發(fā)計(jì)劃中。作為新型的FLNG開(kāi)發(fā)模式，面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)有很多，其中一個(gè)最主要的技術(shù)挑戰(zhàn)是液態(tài)天然氣的存儲(chǔ)技術(shù)。

1 圍護(hù)系統(tǒng)介紹

天然氣，它的主要成分是甲烷，在常壓條件下它的液化溫度是-162度，而要存儲(chǔ)這種超低溫介質(zhì)，傳統(tǒng)材料制成的容器已經(jīng)無(wú)法滿足要求，隨著科技的發(fā)展，目前已經(jīng)有多種形式的容器可以使用，根據(jù)IMO分類(lèi)，大致可以分為如下幾種類(lèi)型：

（1）自支撐A型艙。

（2）自支撐B型艙。

（3）自支撐C型艙。

（4）薄膜艙。

1.1 自支撐型艙

自支撐型艙相對(duì)于船體結(jié)構(gòu)是完全獨(dú)立的，它的外形不需要與船體的結(jié)構(gòu)形狀完全一致，另外，它也不能給船體結(jié)構(gòu)提供支撐力。根據(jù)IGC規(guī)范和設(shè)計(jì)壓力的不同，它可分成A、B、C三種類(lèi)型。

（1）A 型艙

A型艙主要由各種平面構(gòu)成，在蒸汽區(qū)，它的最大允許設(shè)計(jì)壓力是0.7barg；僅適合存儲(chǔ)常壓下完全液化的液貨，下面有幅插圖1，是存儲(chǔ)LPG的液貨艙剖視圖，它屬于自支撐式內(nèi)部加強(qiáng)多邊形艙，在這個(gè)艙的周?chē)?，需要鋪設(shè)一層泡沫或花崗巖絕緣，它需要將液貨艙與船體之間所有的空隙都填滿。

圖1

A型艙所需要的材料是不具備抗裂紋擴(kuò)展的，因此，為了保證萬(wàn)一出現(xiàn)泄漏情況下的安全，對(duì)于液化溫度低于-10度的介質(zhì)，它都需要增加第二層儲(chǔ)存系統(tǒng)的保護(hù)。針對(duì)常壓下完全液化的LPG（溫度低于-55度），第二層存儲(chǔ)系統(tǒng)作為船體的一部分必須設(shè)計(jì)成在指定的最大橫傾角下能存儲(chǔ)所有第一層液貨艙所能存儲(chǔ)的量，如圖所示，一般都是采用這種方法設(shè)計(jì)，通過(guò)這種方法，船體的部分結(jié)構(gòu)必須使用特殊的能夠承受-55度的材料制成，或者采用單獨(dú)的第二層存儲(chǔ)系統(tǒng)將第一次液貨艙包圍住。根據(jù)IGC法規(guī)規(guī)定，第二層存儲(chǔ)系統(tǒng)必須能夠存儲(chǔ)泄露的介質(zhì)達(dá)到15天的能力。這種類(lèi)型的液貨艙，在第一層與第二層存儲(chǔ)艙之間是中空的，假如介質(zhì)是可燃的，該空間內(nèi)必須加滿惰性氣體。

（2）B型艙

B型艙可以是平面型的也可以是球面型的，與A型艙相比，它在設(shè)計(jì)上需要更多的應(yīng)力分析，它還必須考慮疲勞壽命和裂紋擴(kuò)展分析。

大部分B型艙的布置是像下面插圖2一樣是球形的，這種類(lèi)型的艙由Kvaerner Moss設(shè)計(jì)，所以我們也習(xí)慣的稱(chēng)之為MOSS型艙，因?yàn)榘踩禂?shù)的增加，B型艙的第二層存儲(chǔ)系統(tǒng)僅僅需要在第一層第最底部安裝一小部分，兩層之間的中空部分需要充滿惰性氣體，然而，如果中空部分裝有氣體探頭，它也可以只是填充干燥氣體就可以，在主甲板面上，裝有一層拱形的金屬保護(hù)頂蓋住了第一次的存儲(chǔ)系統(tǒng)，B型艙幾乎只用在LNG艙，很少用于LPG艙。

圖2

還有一種B型艙，就是目前有IHI設(shè)計(jì)的SPB型艙，如圖3圖4它是由各種平面組成的，它可以完全將整個(gè)獨(dú)立的艙室放在船體的主甲板面以下，而讓甲板面保持原來(lái)的平整，內(nèi)膽與的材料是鋁合金，外面包有PUF絕緣面板，其最大的在蒸汽空間設(shè)計(jì)的可承受壓力是0.7BAR。

圖3

圖4

（3）C型艙

C型艙一般是球形或者圓柱形的壓力艙，它的設(shè)計(jì)壓力可以高于4BAR，圓柱形的可以水平或者垂直安裝。這種類(lèi)型的液貨艙一般都用于氣體在半壓或者全壓狀態(tài)下，半壓設(shè)計(jì)的液貨艙可以用于存儲(chǔ)完全液化的氣體，這時(shí)候，液貨艙的材料必須采用能夠承受相應(yīng)低溫的性能，C型艙采用傳統(tǒng)的壓力罐法規(guī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行準(zhǔn)確的應(yīng)力分析，但是設(shè)計(jì)強(qiáng)度可以保持在較低水平，C型艙不需要第二層保護(hù)系統(tǒng)，與船體間的空間部分可以用惰性氣體或者干燥的空氣填充，如果是全壓式的C型艙，普通的空氣就可以。

典型的全壓式C型艙（在常溫下保存液化氣），它的最大工作壓力可以是18bar。半壓式的C型艙，工作壓力一般在5至7bar,最大真空度為0.3bar。

如圖5所示，它是C型艙的典型布置，不難看出，該類(lèi)型的艙對(duì)船艙的體積利用率相對(duì)較低。

圖5

1.2 薄膜艙

薄膜艙是將一層很薄的覆蓋層通過(guò)絕緣層的支撐形成，它不屬于自支撐型艙，目前世界上只有法國(guó)的GTT公司擁有此項(xiàng)技術(shù)，并在LNG運(yùn)輸船中大量使用，在新建的FLNG中如殼牌的PRELUD FLNG中有使用。目前GTT已經(jīng)開(kāi)發(fā)出兩款產(chǎn)品，NO 96和Mark 3。

（1）GTT NO96

如下圖6所示，NO96它在艙室的內(nèi)表面包有一層薄薄的殷瓦鋼，殷瓦鋼是一種不銹合金鋼，含有約36%的鎳和0.2%的碳。覆蓋在用在做絕緣材料的用珍珠巖填充的膠合板箱內(nèi)表面上。這些箱子厚度在200到300毫米之間，箱子的另外一面與第二層的殷瓦鋼相接觸，同樣的第二層殷瓦鋼與另外一組相似的作為二次絕緣的珍珠巖填充盒相連。由于殷瓦鋼具有非常低的熱膨脹系數(shù)，所以采用了膜式設(shè)計(jì)，同樣在整個(gè)艙室的內(nèi)表面也不需要設(shè)計(jì)膨脹節(jié)或波紋。NO96系統(tǒng)的新設(shè)計(jì)采用了0.5米寬的0.7毫米厚的殷瓦鋼和內(nèi)部填充珍珠巖的加強(qiáng)膠合板箱作為絕緣。珍珠巖用硅進(jìn)行處理，使其具有不滲水特性。通過(guò)調(diào)節(jié)絕緣板箱的厚度可以控制不同的絕緣要求，實(shí)現(xiàn)不同的FLNG蒸發(fā)率要求。

圖6

（2）MARK III

如圖7說(shuō)示，MARK III系統(tǒng)具有1.2毫米厚的不銹鋼主要屏障，在表面具有波紋或皺紋，允許膨脹和收縮。在最早的MARK I設(shè)計(jì)中，支撐初級(jí)膜的絕緣體由夾在兩個(gè)膠合板層之間的層壓輕木板組成；膠合板個(gè)另外一個(gè)表面形成了第二個(gè)屏障。輕木木板與專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的接頭相互連接，該接頭由PVC泡沫楔和膠合板痂組成并通過(guò)木制基礎(chǔ)與船體相連。

圖7

2 FLNG圍護(hù)系統(tǒng)選擇

通過(guò)對(duì)以上幾種維護(hù)系統(tǒng)的分析，從存儲(chǔ)溫度上考慮（-162攝氏度），目前適用于FLNG的維護(hù)系統(tǒng)包含有如下四種，卡瓦那的MOSS型，C型艙，IHI的SPB型以及GTT的薄膜型。但是它們作為FLNG的維護(hù)系統(tǒng)，又各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體對(duì)比如下表1：

表1 FLNG圍護(hù)系統(tǒng)選型對(duì)比

據(jù)上表的綜合對(duì)比分析得出：

（1）C型液貨艙晃蕩影響小，LNG蒸發(fā)率小，可國(guó)內(nèi)建造。但其液貨艙容積小，艙容利用率低，不適用于中大型的FLNG。因此C型液貨艙不適合于本FLNG的圍護(hù)系統(tǒng)。

（2）MOSS液貨艙晃蕩影響小，LNG蒸發(fā)率小。但其對(duì)船體艙容利用率低，上部凸出主甲板，導(dǎo)致主甲板不連續(xù)，影響船體的總縱強(qiáng)度。凸出的液貨艙部分，不利于上部模塊的總體布置，且投資成本高，并且國(guó)內(nèi)未有實(shí)船建造經(jīng)驗(yàn)。因此MOSS球型液貨艙不適合于本FLNG的圍護(hù)系統(tǒng)。

（3）SPB型液貨艙對(duì)船體艙容利用高；主甲板寬、平坦，利于上部模塊總體布置；晃蕩影響?。籐NG蒸發(fā)率低；隔離艙不需加熱系統(tǒng)；安裝、維修簡(jiǎn)單。但其液貨艙僅能在日本船廠建造，國(guó)內(nèi)沒(méi)有相應(yīng)建造經(jīng)驗(yàn)的船廠；絕緣箱的安裝需要經(jīng)過(guò)IHI專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)及現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)監(jiān)督；建造成本高。

（4）薄膜型液貨對(duì)船體艙容利用率較高；主甲板寬，可利用率高；晃蕩?。籐NG蒸發(fā)率低；國(guó)內(nèi)船廠已有豐富的實(shí)船建造經(jīng)驗(yàn)（GTT NO96薄膜型），見(jiàn)表1；絕緣箱尺寸標(biāo)準(zhǔn)化，可國(guó)內(nèi)制造；建造成本相對(duì)較低。但缺點(diǎn)是需設(shè)置隔離艙加熱裝置。

表2 圍護(hù)系統(tǒng)建造業(yè)績(jī)

根據(jù)上述關(guān)鍵問(wèn)題的綜合分析，從技術(shù)角度選擇，薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)和SPB圍護(hù)系統(tǒng)均可應(yīng)用于FLNG裝置上。但具體采用哪種類(lèi)型這需要看實(shí)際的項(xiàng)目實(shí)際分析。

3 薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)和SPB系統(tǒng)在南海使用的挑戰(zhàn)

兩種維護(hù)系統(tǒng)，雖然都有很好的絕緣性，很低的蒸發(fā)率，但是在LNG運(yùn)輸船上及在建的幾條FLNG上它都有持續(xù)的制冷系統(tǒng)在運(yùn)行，而在我們中國(guó)南海，持續(xù)的制冷系統(tǒng)并不能保證，因?yàn)槊磕甑呐_(tái)風(fēng)季節(jié)，我們的油田設(shè)施上是不允許有人的，因此目前的這兩個(gè)系統(tǒng)是否都能滿足我們的使用要求呢？為此，按照IMO標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了如下蒸發(fā)率BOR計(jì)算分析：

可見(jiàn)，在IMO設(shè)定的環(huán)境條件下，蒸發(fā)壓力在42小時(shí)后達(dá)到釋放閥設(shè)定值，雖然目前兩種圍護(hù)系統(tǒng)的蒸發(fā)率SPB 0.15/d,GTT 0.16/d都低于IMO假定值，但是也難以滿足南海臺(tái)風(fēng)撤離的平均4天的要求，所以臺(tái)風(fēng)期間，F(xiàn)LNG將會(huì)有大量的氣化甲烷通過(guò)釋放閥瀉到大氣中，這些氣體會(huì)在FLNG上空積聚嗎？會(huì)有爆炸風(fēng)險(xiǎn)嗎？為此專(zhuān)門(mén)做了模擬分析計(jì)算，通過(guò)分析計(jì)算，能夠滿足安全要求。

結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)SPB型及薄膜型兩種維護(hù)系統(tǒng)用于FLNG的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比，同時(shí)也分析并得出了結(jié)論在中國(guó)南海的特殊使用條件及環(huán)境下，兩種系統(tǒng)都能滿足技術(shù)上的及安全上的使用要求，期望對(duì)業(yè)界同仁有所參考與幫助。