FLNG船舶總體設(shè)計(jì)方案研究

羅曉健，郭學(xué)龍，楊涵婷，藍(lán) 天

中國(guó)石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028

FLNG 即浮式液化天然氣生產(chǎn)存儲(chǔ)裝置，集海上天然氣的液化、存儲(chǔ)及裝卸為一體，具有建設(shè)周期短、開(kāi)發(fā)設(shè)施少、開(kāi)采靈活、便于遷徙、適用范圍廣、可重復(fù)利用等特點(diǎn)[1]，經(jīng)濟(jì)效益良好，可應(yīng)用于深遠(yuǎn)海及邊際油田的開(kāi)發(fā)。中石油集團(tuán)參與了莫桑比克4 區(qū)的Coral、Mamba、Agulha 等多個(gè)氣藏的開(kāi)發(fā)，這些氣藏多位于深海，與陸地相隔較遠(yuǎn)并存在海溝及斷層。采用FLNG 進(jìn)行生產(chǎn)開(kāi)發(fā)可有效解決海底管道不能登陸的技術(shù)難題，開(kāi)采的天然氣直接由LNG 運(yùn)輸船運(yùn)送至中國(guó)，保障國(guó)內(nèi)能源供應(yīng)。Coral 氣藏一期由Eni 公司主導(dǎo)，中石油參股，采用FLNG+LNG 運(yùn)輸船的生產(chǎn)開(kāi)發(fā)模式。Coral 二期及Agulha 氣藏開(kāi)發(fā)仍將采用不同規(guī)模的FLNG 裝置，為了在后期油氣開(kāi)發(fā)中占據(jù)主動(dòng)，中石油集團(tuán)將浮式天然氣液化裝置（FLNG）關(guān)鍵技術(shù)研究列為重大專項(xiàng)，開(kāi)展科技攻關(guān)。本文以莫桑比克4 區(qū)氣田開(kāi)發(fā)為依托，對(duì)FLNG 船舶總體設(shè)計(jì)原則、思路及方案進(jìn)行研究。本項(xiàng)目FLNG 液化生產(chǎn)能力達(dá)到了200 萬(wàn)t/a，產(chǎn)能規(guī)模較大；船舶設(shè)計(jì)采用萬(wàn)年一遇的環(huán)境工況，作業(yè)海域水深達(dá)到2 000 m，船舶系泊定位要求高；船舶設(shè)計(jì)滿足25 年不塢修要求，船舶作業(yè)高效。通過(guò)研究確定了FLNG 船舶總布置及主尺度方案，可為類似油氣田開(kāi)發(fā)研究、設(shè)計(jì)等提供指導(dǎo)。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

（1） 產(chǎn)能及存儲(chǔ)要求：其一，LNG 生產(chǎn)液化能力200 萬(wàn)t/a；其二，凝析油9 萬(wàn)t/a；其三，滿足15 萬(wàn)m3LNG 運(yùn)輸船接駁要求。

（2） 定員：250 人。

（3） 立管：8 根，臍帶纜 5 根。

（4） 水深：2 000 m。

（5） 環(huán)境參數(shù)如表1 所示。

表1 FLNG 設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)

2 船舶總體設(shè)計(jì)原則及影響因素

2.1 船舶總體設(shè)計(jì)原則

FLNG 本質(zhì)是船型裝置，因此具有船的航行性能，如浮性、穩(wěn)性、抗沉性、耐波性等；同時(shí)FLNG 又具有油氣處理、液化及存儲(chǔ)等特定功能。FLNG 船舶總布置及主尺度應(yīng)把滿足船舶主要功能及工作效率放在首位，兼顧多方面要求，使艙室布局、設(shè)備安裝和液化存儲(chǔ)功能達(dá)到最佳狀態(tài)，高效、經(jīng)濟(jì)地發(fā)揮船舶性能[2]。FLNG 船體設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)船舶功能進(jìn)行初步布置，然后進(jìn)行船舶總體性能分析。根據(jù)總體性能分析結(jié)果修正和優(yōu)化總布置，進(jìn)而再次進(jìn)行船舶總體性能計(jì)算和單體系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如圖1 所示，F(xiàn)LNG 船舶總體設(shè)計(jì)是一個(gè)螺旋優(yōu)化的過(guò)程，最終使得船舶功能和總體性能達(dá)到最佳。

圖1 FLNG 船舶總體設(shè)計(jì)流程

FLNG 船舶總體設(shè)計(jì)原則如下：

（1） 重力與浮力平衡。

（2） 船舶總體布置合理，并滿足艙室、系泊、設(shè)備安裝、艙容存儲(chǔ)、液貨外輸、模塊布置及甲板面積要求。

（3） 滿足規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)性和干舷要求。

（4） 具有良好的耐波性。

（5） 滿足船舶作業(yè)限制條件。

（6） 技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)適用。

2.2 船舶總體設(shè)計(jì)影響因素

2.2.1 LNG 及凝析油儲(chǔ)量

液貨儲(chǔ)量是船舶載重量最主要的部分。儲(chǔ)量由LNG 最大日產(chǎn)量、凝析油日產(chǎn)量、LNG 運(yùn)輸船的噸位、外輸油輪噸位、外輸頻次、海域氣象等條件決定。

2.2.2 上部模塊的重量及尺寸

工藝模塊的功能及規(guī)模直接影響船體主尺度，船舶甲板空間應(yīng)能滿足工藝模塊的總布置和安全間距要求，模塊寬度是船舶型寬的決定因素。模塊重量大，重心高；模塊尺寸大，受風(fēng)面積大，風(fēng)傾力矩大。模塊外形及重量重心可能危及船舶的穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)初期應(yīng)進(jìn)行核算。

2.2.3 工藝處理流程對(duì)冷劑、 化學(xué)藥劑儲(chǔ)存艙容的要求

原料氣處理過(guò)程中需要用氨液去除CO2和H2S；本項(xiàng)目天然氣冷卻采用了APCI-DMR 工藝，需要乙烷和丁烷作為冷劑補(bǔ)充；天然氣開(kāi)采過(guò)程中為了抑制水合物的產(chǎn)生，需要在井筒內(nèi)注入MEG，天然氣處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生MEG 富液、MEG 貧液，也需要新鮮MEG 的補(bǔ)充等。冷劑、化學(xué)藥劑等需要存儲(chǔ)在船艙內(nèi)，會(huì)對(duì)船舶總體布置和載重產(chǎn)生影響。

2.2.4 外輸系統(tǒng)

LNG 和凝析油需要定期外輸。外輸船舶的噸位、外輸及靠泊方式、外輸要求等影響船舶的總體布置。外輸接駁時(shí)，外界環(huán)境力變化會(huì)引起船舶偏移，船舶的尾部可能需要設(shè)置DP 或推進(jìn)系統(tǒng)輔助船舶定位。

2.2.5 船舶自持力，燃油、 淡水、 消防用水等對(duì)艙容的要求

燃油、淡水、消防用水、滑油、污油、污水等液體儲(chǔ)量與FLNG 規(guī)模和自持力息息相關(guān)，同樣影響船舶的總布置和載重。

2.2.6 系泊類型及立管形式

不同的系泊形式，其轉(zhuǎn)塔位置、月池空間、受力等相差較大，對(duì)船舶布置及結(jié)構(gòu)影響很大，船體設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)盡早確定系泊及轉(zhuǎn)塔類型。立管形式與布置會(huì)影響船舶的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)立管的垂向拉力會(huì)增加船舶的排水量。

2.2.7 船舶定員

船舶定員主要包括操作人員和船員。定員人數(shù)及居住要求將影響生活樓的尺寸與重量；同時(shí)定員人數(shù)多，船舶自持力要求也高。

2.2.8 船舶結(jié)構(gòu)形式

FLNG 對(duì)于環(huán)保及安全要求高，船舶應(yīng)采用雙舷雙底的雙殼結(jié)構(gòu)。雙殼為液貨艙提供保護(hù)，并可兼做壓載艙為船體平衡配載，較多的分艙也提高了船體的抗沉性。雙殼結(jié)構(gòu)占用了較大的船體空間，船體主尺度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合平衡安全保護(hù)、壓載要求及雙殼尺寸之間的關(guān)系。

2.2.9 作業(yè)環(huán)境

FLNG 船體設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮作業(yè)海域的環(huán)境條件。惡劣環(huán)境條件需要船體具有更好的耐波性、穩(wěn)性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。某些冰區(qū)作業(yè)的船舶還應(yīng)考慮冰區(qū)加強(qiáng)。

2.2.10 建造與作業(yè)成本

良好的布置方案可以節(jié)省大量的鋼材、管材與電纜，降低建造成本；良好的布置方案可提高工作效率，減少作業(yè)成本。

3 船體方案確定

3.1 液貨艙容

艙容與LNG 小時(shí)產(chǎn)量、運(yùn)輸船規(guī)模、接卸緩沖時(shí)間等有關(guān)。LNG 在生產(chǎn)或運(yùn)輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生氣化，LNG 艙一般最大裝載率為97.6%[3]；LNG裝卸泵距離船底有一定的距離，約4.2%的殘液無(wú)法泵取，因此LNG 艙可裝卸的凈艙容為93.4%。15 萬(wàn)m3LNG 運(yùn)輸船凈接卸量為14.01 萬(wàn)m3。LNG艙容采用公式（1）、（2） 進(jìn)行計(jì)算，最終確定的 LNG 總艙容為 20.5 萬(wàn) m3。

式中：V 為 LNG 艙容，m3；V1為 LNG 運(yùn)輸船接卸凈艙容，取140 100 m3；V2為緩沖艙容，m3；Q 為L(zhǎng)NG 小時(shí)產(chǎn)量，取600 m3/h；T 為緩沖周期，取4.5 d。

凝析油艙容計(jì)算與LNG 艙容類似，卸貨周期取90 d，緩沖周期取30 d。凝析油小時(shí)產(chǎn)量為15 m3/h，經(jīng)計(jì)算凝析油艙容為4.3 萬(wàn)m3。

其他大型工藝儲(chǔ)罐根據(jù)工藝處理流程需求確定，各儲(chǔ)罐容量見(jiàn)表2。

表2 工藝流程儲(chǔ)罐容量

3.2 模塊甲板面積需求

FLNG 主要模塊包括：原料氣處理模塊、MEG模塊、脫水脫汞模塊、NGL 分離單元、一級(jí)壓縮模塊、二級(jí)壓縮模塊、液化模塊、外輸增壓模塊、外輸模塊、發(fā)電機(jī)公用工程模塊等。井口原料氣首先進(jìn)入原料氣處理模塊，分離出的凝液經(jīng)過(guò)凝析油穩(wěn)定單元之后送至凝析油儲(chǔ)罐，分離出的氣相進(jìn)入酸性氣脫除單元。原料氣在吸收塔中脫除CO2和H2S。脫酸后的原料氣被送至MEG 處理單元，去除MEG，然后脫除水分和汞。脫汞后的原料氣進(jìn)行甲烷、乙烷、丙烷和丁烷的分離及預(yù)冷和深冷。分離出的C5+組分送至凝析油儲(chǔ)罐，分離出的乙烷和丁烷作為冷劑補(bǔ)充被儲(chǔ)存，從深冷低溫?fù)Q熱器流出的LNG 液體輸送至LNG 儲(chǔ)罐。外輸時(shí)，LNG 經(jīng)過(guò)增壓后由外輸模塊輸送至LNG 運(yùn)輸船。FLNG工藝模塊布置見(jiàn)圖2，模塊需要的最小甲板面積為224 m×58 m。

3.3 液貨圍護(hù)系統(tǒng)

LNG 液貨儲(chǔ)存圍護(hù)系統(tǒng)的主要類型有：挪威MOSS 球罐型液貨艙，日本IHI 的SPB 棱柱型液貨艙，法國(guó)GTT 的薄膜型液貨艙，各液貨艙類型優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表3 所示。

FLNG 裝置液貨圍護(hù)系統(tǒng)除了要達(dá)到常規(guī)LNG運(yùn)輸船的要求外，還應(yīng)當(dāng)具有以下特點(diǎn)：其一，有足夠的甲板面積以便布置生產(chǎn)模塊、管系、設(shè)備等；其二，船型較好，船舶有良好的耐波性；其三，貨艙裝載率不受環(huán)境工況限制；其四，堅(jiān)實(shí)可靠的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，降低停產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)；其五，易于作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)檢修和維護(hù)。

圖2 工藝模塊布置

表3 各液貨艙型式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

滿足FLNG 液貨圍護(hù)系統(tǒng)的有GTT 型液艙和SPB 型液艙。SPB 型液艙具有更多優(yōu)點(diǎn)，雖更適用于海洋工程，但是其造價(jià)昂貴，僅在日本石川島播磨重工公司和韓國(guó)三星重工公司有建造，沒(méi)有大范圍推廣應(yīng)用。目前已完工和在建的FLNG 液貨圍護(hù)系統(tǒng)基本采用了GTT 型液艙，因此本項(xiàng)目使用了應(yīng)用更廣泛的GTT 薄膜型液貨圍護(hù)系統(tǒng)，如圖3 所示。

圖3 薄膜型液貨圍護(hù)系統(tǒng)示意

3.4 船體結(jié)構(gòu)形式

為防止碰撞引起LNG 和油品泄漏，造成海洋污染或火災(zāi)爆炸等危險(xiǎn)。LNG 存儲(chǔ)艙、凝析油艙、污油艙、油氣處理工藝艙等應(yīng)設(shè)置邊艙或底艙進(jìn)行保護(hù)，邊艙及底艙可作為壓載艙或其他無(wú)污染的液艙。邊艙尺寸必須符合MARPOL 公約附則I 第19條規(guī)定，邊艙寬度不得小于公式（3） 或2 m 中的小者；雙層底高度應(yīng)不小于B/15（B 為型寬） 或2 m 中的小者[4]。

式中：W 為邊艙寬度，m；DWT為FLNG 載質(zhì)量，t。

此外，邊艙或雙層底艙還應(yīng)滿足調(diào)載及破艙穩(wěn)性要求。根據(jù)需求，船體可設(shè)置3 m 寬的邊艙、3.4 m 高的雙層底艙、2.6 m 高頂艙及0.8 m 高梁拱。船體分為左右LNG 存儲(chǔ)艙；船體中部為分隔艙，下部為壓載艙，上部為圍堰、管隧及檢查通道；雙層底分為左右兩艙，與邊艙相連成L 型的壓載艙。FLNG 船體典型液艙結(jié)構(gòu)形式如圖4 所示。

圖4 FLNG 船體典型液艙結(jié)構(gòu)形式

3.5 定位及外輸方式

通常FLNG 系泊形式包括多點(diǎn)系泊和單點(diǎn)系泊。多點(diǎn)系泊，即通過(guò)多個(gè)固定點(diǎn)用錨纜將FLNG固定，限制船體橫向及縱向位移。該方式只適用于海況平和且風(fēng)、浪、流方向較為單一的海域。單點(diǎn)系泊的FLNG 在風(fēng)、浪、流作用下具有風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，容許船舶繞轉(zhuǎn)塔自由轉(zhuǎn)動(dòng)，減小風(fēng)、浪、流的作用力。單點(diǎn)系泊又分為外轉(zhuǎn)塔式和內(nèi)轉(zhuǎn)塔式。外轉(zhuǎn)塔的系泊鏈工作臺(tái)位于船體外部、水平面以上，有利于船體艙室布置和轉(zhuǎn)塔日常檢修，但立管和臍帶纜受波浪的影響較大；外轉(zhuǎn)塔的結(jié)構(gòu)尺寸較小，限制了系泊纜和立管的數(shù)量；外轉(zhuǎn)塔系泊的船舶艏搖較大，不適用于惡劣海域。內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊裝置一般設(shè)在船首，轉(zhuǎn)塔直徑可設(shè)計(jì)得很大，為設(shè)備和管匯布置提供足夠的空間；內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊的船舶運(yùn)動(dòng)性能較好，可適應(yīng)較為惡劣的海況；轉(zhuǎn)塔的存在對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成了影響，減少了艙容。轉(zhuǎn)塔類型選擇一般基于船舶大小、水深、波高、系泊纜數(shù)量、立管及臍帶纜數(shù)量等要求，表4 為不同轉(zhuǎn)塔的適用范圍。本項(xiàng)目FLNG 的載質(zhì)量約20 萬(wàn)t，萬(wàn)年一遇設(shè)計(jì)波高為20.43 m，作業(yè)水深為2 000 m，系泊纜數(shù)量為18 根，立管及臍帶纜數(shù)量為13 根，故采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊方式。轉(zhuǎn)塔位置將影響船舶的系泊受力及風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)，轉(zhuǎn)塔越接近船首，風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)越好，但立管及系泊纜受力相對(duì)較大，通常內(nèi)轉(zhuǎn)塔中心線至船舶首柱距離與船長(zhǎng)之比為7%～15%較為合適[5]。

表4 不同轉(zhuǎn)塔適用范圍

一般液貨外輸有旁靠外輸和艉輸兩種方式。由于LNG 具有低溫特性，艉輸需要較長(zhǎng)的LNG 輸送軟管，目前該軟管技術(shù)還未成熟，因此LNG 采用旁靠外輸?shù)姆绞?，凝析油采用艉輸?shù)姆绞健?/p>

3.6 船體總布置

FLNG 船舶總布置應(yīng)能滿足LNG 存儲(chǔ)、凝析油存儲(chǔ)、人員生活、發(fā)電、系泊等功能需要?？偛贾弥苯雨P(guān)系到FLNG 船舶功能的發(fā)揮，總體布置應(yīng)著重考慮以下幾方面的因素。

3.6.1 安全性

凡劃分為危險(xiǎn)區(qū)的區(qū)域，如油氣處理模塊、液化模塊、外輸模塊等應(yīng)有足夠的安全距離，遠(yuǎn)離含有引火源、引爆源的區(qū)域。如安全距離不可行，應(yīng)采用防護(hù)墻或防火墻進(jìn)行隔離。同時(shí)模塊布置還應(yīng)考慮主風(fēng)向，避免危險(xiǎn)區(qū)逸出的可燃?xì)怏w進(jìn)入含有引爆源的區(qū)域，火炬燃燒的廢氣以及冷放空的可燃?xì)怏w應(yīng)遠(yuǎn)離船體，火災(zāi)爆炸時(shí)不應(yīng)使煙氣流入居住區(qū)、避難所和撤離區(qū)。

3.6.2 可操作性

FLNG 將油氣處理、氣體壓縮、液化、電站、外輸?shù)裙δ苋跒橐惑w，總布置應(yīng)考慮工藝流程是否順暢，設(shè)備操作、維修空間是否足夠，外輸接駁是否方便，以便最大限度提高船舶效率，發(fā)揮船舶功能。

3.6.3 居住環(huán)境。

良好的生活環(huán)境能使船員心情愉快、身體健康，也是安全生產(chǎn)的重要保證。生活區(qū)內(nèi)應(yīng)盡量降低噪聲和振動(dòng)的影響，住艙、服務(wù)艙室應(yīng)舒適、方便。生活樓應(yīng)盡量遠(yuǎn)離電站、泵站、壓縮機(jī)等大功率動(dòng)設(shè)備。

FLNG 各模塊的布置原則是把低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的設(shè)備布置在上風(fēng)側(cè)，高危險(xiǎn)區(qū)的設(shè)備及模塊布置在下風(fēng)側(cè)，避免可燃?xì)怏w或有毒煙氣在風(fēng)的作用下從危險(xiǎn)區(qū)擴(kuò)散到非危險(xiǎn)區(qū)。生活區(qū)和主要的集合點(diǎn)位于FLNG 前部，相對(duì)危險(xiǎn)的區(qū)域（液化系統(tǒng)和火炬系統(tǒng)） 位于FLNG 的尾部；為了避免點(diǎn)火爆炸的可能，發(fā)電機(jī)組也應(yīng)位于工藝模塊的上風(fēng)側(cè)；將內(nèi)轉(zhuǎn)塔設(shè)置在上部模塊的上風(fēng)側(cè)，生活樓的下風(fēng)側(cè)，船舶布置和風(fēng)向標(biāo)效應(yīng)均可取得較好結(jié)果；LNG 采用旁靠外輸?shù)姆绞?，裝卸臂接近船中區(qū)域，便于系泊及接卸操作；火炬塔位于工藝設(shè)施的下風(fēng)側(cè)，火炬應(yīng)有足夠的高度，并遠(yuǎn)離船體左舷，避免成為可燃?xì)庠频狞c(diǎn)火源。船舶各區(qū)域布置從首部至尾部的順序依次是：生活樓、直升機(jī)坪、救生集合區(qū)、轉(zhuǎn)塔、發(fā)電機(jī)組模塊、工藝模塊（預(yù)處理區(qū)）、LNG裝卸區(qū)域、工藝模塊（液化區(qū)）、火炬區(qū)域。

3.7 船舶主尺度

根據(jù)上部模塊最小橫向尺寸24 m 的情況，如圖5 所示設(shè)計(jì)了兩個(gè)船寬方案。船寬58 m 方案，模塊外緣與船舷齊平，逃生通道設(shè)置于模塊立柱內(nèi)側(cè)；船寬62 m 方案，模塊外緣位于甲板內(nèi)，外側(cè)設(shè)置逃生通道。

綜合考慮艙容、工藝模塊布置、系泊類型、結(jié)構(gòu)形式等，初步確定了4 個(gè)船舶主尺度方案（見(jiàn)表5）。LNG 的密度較小，裝載質(zhì)量相對(duì)較低，經(jīng)計(jì)算本船的穩(wěn)性及干舷有較大余量。為了獲取良好的主尺度效應(yīng)，同時(shí)考慮工藝模塊的空間需求，在滿足穩(wěn)性及干舷的前提下，應(yīng)盡量減少船寬。采用MOSES 軟件建立了船體模型（如圖6 所示），通過(guò)計(jì)算分析可知船舶長(zhǎng)寬比為6.5 時(shí)，具有較好的耐波性，因此推薦方案4。在此基礎(chǔ)上對(duì)船舶進(jìn)行了總布置優(yōu)化、船舶總體性能分析、系泊分析等，表6 為最終的船體方案及主要參數(shù)，圖7 為船舶總布置方案。

圖5 船寬方案示意

表5 船舶主尺度方案

圖6 船體MOSES 模型

表6 FLNG 船體方案及參數(shù)

圖7 FLNG 總布置

4 結(jié)束語(yǔ)

FLNG 船體由不同功能的系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)之間相互依存、相互影響。船舶總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)處理好主要矛盾和次要矛盾的關(guān)系，既要充分發(fā)揮各系統(tǒng)的功能，又使得各系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合。船體設(shè)計(jì)是一個(gè)多參數(shù)、多目標(biāo)的優(yōu)化過(guò)程，隨著設(shè)計(jì)深入應(yīng)由粗倒細(xì)，多次迭代，不斷修正，逐步完善。在初步確定的船體主尺度及方案基礎(chǔ)上，開(kāi)展工藝、結(jié)構(gòu)、輪機(jī)、電氣、舾裝、系泊等設(shè)計(jì)，根據(jù)各專業(yè)的設(shè)計(jì)結(jié)果優(yōu)化完善船舶總體設(shè)計(jì)方案，多次迭代優(yōu)化后可獲得較好的船體設(shè)計(jì)方案。