LNG-FSRU技術動向

李 源

作為清潔能源，LNG的市場需求量一直在穩定增長，截至2010年底，全球已建成LNG接收終端60多個。但值得注意的是，LNG接收終端與LNG需求間存在的缺口仍在不斷擴大。隨著人們越來越強的環保意識，在沿海建設陸上LNG接收終端受到的限制越來越多。在這樣的背景下，人們開始考慮將LNG接收終端建設在海上。

性價比

目前，工業界提出的海上浮式LNG接收終端概念主要有LNG-FSRU和LNG再氣化船兩種。其中，LNG再氣化船通常由LNG船改裝而成，船上裝備有再氣化設施。LNG再氣化船將運送LNG液貨至接收終端，并通過水下轉塔裝載浮筒（STL）系泊，隨后LNG再氣化船將LNG氣化為天然氣，再通過柔性立管將氣體輸送到海底氣體管路至最終市場。完成卸載工作后，LNG再氣化船與STL解除連接，離開接收終端再次運送LNG液貨。

而FSRU的操作模式則不同，首先在海上建造、安裝船型的浮式儲存再氣化裝置，LNG-FSRU每一次從LNG穿梭船上接收LNG，船上設置有儲存和再氣化LNG的設備，通常永久系泊于一個海上單點系泊（SPM）系統，該系統可抵抗極端海況。工作時，一艘LNG船與FSRU通過使用浮式船用護舷板和常規系泊線舷靠舷系泊。然后LNG船將LNG卸載至FSRU，根據LNG船尺度和氣體輸出率的不同，通常需20～30小時完成全部卸載工作。LNG儲存在FSRU船體內的儲存艙中。加溫后LNG將被氣化成氣體，然后通過柔性立管輸送到海底氣體管路，再送到最終市場。

Hoegh LNG公司曾對一艘18萬m3，再氣化能力為0.5～1.5 bscf/d（十億標準立方英尺/天）的LNG-FSRU進行過成本計算。

對LNG船陸上接收終端、LNG再氣化船和LNGFSRU三種方式進行成本比較，如圖3所示。從圖中可以看出，LNG再氣化船在中短程海運距離以及較低的氣體輸出能力的情況下較有競爭優勢，但LNGFSRU在LNG供應終端與最終市場相距較遠，以及擁有較高的氣體輸出能力時會明顯呈現出競爭優勢。且無論何種情況下，LNG-FSRU均比陸上接收終端的成本低很多。

圖1：LNG-FSRU作業流程圖

圖2：LNG-FSRU再氣化系統

圖3：三種方式的經濟性曲線

建造方式

LNG-FSRU的建造方式主要有3種：由LNG運輸船改裝、新造鋼質船殼以及新造混凝土結構。其核心技術主要包括系泊技術、卸載技術、船殼及貨物維護技術和再氣化技術。新建LNG-FSRU可有三種不同的儲罐形式：

（1）Moss型球體儲罐，其特點是甲板面積受限，船體空間利用率低；

（2）SPB方體儲罐，其特點是充足的甲板面積，可解決各種液位晃動載荷問題，制造工藝簡單，周期短，便于操作/維護；

（3）薄膜方體儲罐，需解決晃動載荷問題，有一定的制造工藝難度。

FSRU上部設施比常規的FPSO設施少，單點系泊系統也比FPSO簡單，船體結構沒有自航系統，儲罐結構和制造工藝與傳統造船相同，僅使用的材料不同。

建造FSRU之前，首先需對整個工程進行可行性評估，其中涉及到幾個關鍵的工程技術問題需要予以考慮。

相關工程技術問題

1、建立FSRU系統設計基礎

為了建立FSRU系統的設計基礎，首先需明確以下工程設計任務：

1）FSRU的技術指標，如LNG儲存能力、排水量、尺度、甲板布置等。

2）FSRU系泊系統詳細信息-提供FSRU單點系泊系統的技術特性。

3）LNG船技術特性-詳細的LNG船隊數量、尺度及其他特性。

4）LNG船/FSRU舷靠舷系泊布置-系泊模式，系泊線、海上護舷板和FSRU上系泊點的數量和特性。

5）拖船技術特性-包括拖船類型、尺度、波浪中的效率等。

6）海上操作場景-描述幾個關鍵的海上操作模式的作業過程（靠近、停泊、系泊、離開和使用拖船）。

另外，下列基本設計數據是確定船舶設計尺度所需的關鍵數據：

1）LNG設計生產能力和氣體的設計輸出率－通常由市場需求和項目的總體經濟指標來決定。

2）LNG設計儲存能力－通常由LNG設計生產能力以及LNG船隊的數量和尺度確定，該指標決定了LNG船的到訪頻率以及FSRU的最優LNG儲存能力。

3）LNG船隊的數量和尺度由LNG供應終端的位置、項目總體經濟指標決定。需要進行工程研究以確定最優的LNG船隊組成。

例如，一艘FSRU設計氣體輸出率為1.0bscf/d，相當于每天4.8萬m3的LNG。如使用貨物容量為25萬m3的LNG船供應液貨，LNG船的到訪頻率為每5天一次。但是，如果使用16.5萬m3的LNG船則需每3.5天到訪一次。FSRU的最小儲量應大于25萬m3，以便一次接收所有的LNG，最優的LNG儲量則應為30萬～35萬m3，或約6～7天的LNG供應量。

2、操作標準和極端標準

為評估FSRU系統的可操作性，需要使用兩套不同的Metocean標準：

1）操作環境條件（風、浪、流、可見度、溫度、水溫、冰等），用于LNG船停運期模擬的數據輸入，以及FSRU/LNG船舷靠舷動態系泊分析。

2）極端設計環境條件（含熱帶和強熱帶風暴），用于設計FSRU和系泊系統。

3、拖船在波浪中的性能效率

根據LNG船的尺度和當地的Metocean環境，在靠泊和離開的過程中，需要2～4艘系柱拉力約50～60噸的遠洋拖船協助LNG船。

LNG船靠泊和離開操作限制主要取決于拖船在波浪中的動態性能指標。根據船型和裝機功率的不同，波浪中拖船的動態操作效率總體來說隨著波高的增加而下降。當波高到達一個特定值時，拖船操作效率將從100%降至零。

圖4：典型的波浪中拖船動態操作曲線

通常需要進行模型試驗以確定拖船在波浪中的動態操作效率曲線。拖船通常在“推-拉”模式下操作。拖船在“推”模式下的操作效率一般比“拉”模式低。當海況條件不允許進行“推”模式時，拖船可以轉為傳統的“長線”拖曳。

4、實船操作模擬

為了建立LNG船在拖船協助下靠泊和離開FSRU作業時的操作環境限值，可進行船舶操縱模擬。另外，為了LNG船安全地靠近、系泊和離開FSRU，以及確定會限制這些操作的Metocean條件，必須對操作過程進行規劃和評估。為了評估總體靠泊有效性，還需要FSRU/LNG船停運模擬所需的Metocean限值。

實時船舶操作模擬須在有經驗的引水員指揮下，在有資質的全任務船舶模擬設施中進行。引水員根據在監視器中對LNG船、FSRU和拖船的觀察指揮船舶操縱，再由模擬器操作員在駕駛橋樓執行引水員的操作指令。

5、海上轉運技術

目前實現LNG在LNG船和FSRU之間轉運有兩種主要的方式：采用柔性軟管或采用全鋼的卸載臂。現在普遍認為LNG海上轉運率最小應為10000m3/h。為滿足該要求，需要使用直徑為16英寸或更大的大口徑柔性軟管或卸載臂。盡管柔性軟管和卸載臂在石油工業中已有應用，但對于海上LNG轉運來說仍然是一個相對較新的課題。

大口徑（16英寸或更大）柔性軟管在受保護水域的海上LNG轉運中應用的可行性只是剛剛被論證。目前，LNG在船對船轉運中，還未完全使用柔性軟管。當前石油工業界正在進行聯合研究項目，以提升分析方法，并確保柔性管疲勞壽命預報的精確度。考慮到每周的卸載次數和全球海況，柔性軟管的預期服務壽命為5～7年。為了確保柔性軟管結構疲勞完整性，應執行嚴格仔細的工程分析、原型操作試驗以及常規的操作和維護監控。

使用16英尺直徑或更大的全鋼卸載臂的可行性已經由FMC通過陸上比例模型進行過論證，但是仍未用于海上轉運實際操作。

6、LNG船和FSRU間的動態相對運動和系泊分析

由于在操作時，LNG船和FSRU距離很近，評估兩個大尺度浮體間的水動力交互作用十分重要。LNG船和FSRU間的動態相對運動和系泊載荷預報對于定義LNG船系泊至FSRU操作時的安全環境限值以及更好地定義金屬卸載臂的設計操作包絡線是至關重要的。

許多研究者已經對兩個舷靠舷系泊體間的三維水動力交互影響進行過報告。

動態運動分析將采用FSRU所在位置的Metocean氣候長期時間關系曲線圖。這些分析將產生LNG船-FSRU航向、相關的多種運動、系泊線張力和護舷板載荷等指標的長期時間關系曲線圖。

運動分析中需包括風浪流方向，風浪流方向通?？杀环殖扇N：

1）平行（±15度）

2）傾斜（15～ 45度）

3）交叉（45～ 90度）

圖5：典型的舷靠舷運動分析環境方向

為了確定LNG船和FSRU舷靠舷動態相對運動，將進行下列分析：

1）建造FSRU和LNG船模型，并使用不同的方式核查，包括試驗以及采用第三方軟件進行驗證。

2）對LNG船和FSRU單獨進行衍射和輻射分析，計算衍射波載荷和6自由度運動RAO。這些分析將用于驗證船模和數值結果。

3）舷靠舷衍射/輻射分析，該任務對相連兩船體進行水動力分析。

4）對FSRU單獨進行隨時間變化的運動分析。

5）對LNG船和FSRU舷靠舷系泊進行隨時間變化的運動分析。

7、LNG船停運期操作模擬

為了評估海上的可操作性以及靠泊可行性，需要從LNG供應終端開始直至FSRU的每個步驟進行完整的模擬。模擬過程中，在FSRU上的操作，以及LNG船的到達將使用不連續事件模擬進行建模，這些模擬包含了所有操作的過程，從LNG船離開供應終端開始，進行跨洋航行，到達FSRU附近的引水員登船站，最終靠近FSRU并靠泊，系泊至FSRU，進行LNG轉運作業，離開FSRU，以及引水員下船。

兩個典型的模擬模型如下圖所示：模型1包括了從LNG船從LNG供應終端開始，進行跨洋航行，到達FSRU，至LNG船離開FSRU，直至再次進行跨洋航行為止；模型2僅包括LNG船從引水員登船站至離開FSRU的操作過程。

圖6：典型的FSRU/LNG船操作模擬模型

一般來說，從LNG船到達FSRU至離開FSRU所需的全部周轉時間約為30～40小時，LNG船大小不同所需的時間也不同。另外，到達FSRU和離開FSRU的操作還會受到風、浪、流等環境因素的影響。

每個模擬事件都需以100年為期進行模擬運行，這是為了給統計分析提供足夠的結果。模擬中將記錄下列參數：

1）引水員時間：從引水員登船開始至LNG船離開引水員登船站。假設在整個作業過程中是同一個引水員停留在船上。

2）等候（或稱停運）時間：從LNG船到達引水員登船站開始，包括由于不良氣候條件所造成的等候靠泊時間。

3）交互到達時間：連續2艘LNG船抵達引水員登船站之間的時間。

4）兩次關閉間的時間：從引水員登船站的等候時間開始直到下一次等候時間的開始。

5）間隔時間：在一段等候期后，從首艘LNG船到達開始，至下一次等候期之前，最后一艘LNG船離開為止。

6）跨洋航行期間的延誤：如果模擬包括從LNG供應終端至FSRU間LNG船的跨洋航行，則還需記錄由于不良氣候條件所造成的延誤。

除了基礎事件模擬，還可執行敏感度模擬事件，以評估改變LNG儲存能力的影響，LNG船隊的組成（大小和數量），操作（靠泊、離開、系泊和卸載）環境限制、夜間時段和能見度限制。停運模擬結果也可用于評估LNG設計儲存能力是否合適，LNG船隊的最優數量和尺度大小，以及為FSRU預報操作停運期。

專家觀點

LNG-FSRU作為一種浮式LNG接收終端具備經濟性優勢，且技術可行，隨著清潔能源的大量應用，具有廣闊的發展前景。政策方面，2012年8月，工信部發布的《海洋工程裝備科研項目指南（2012年）》中確定了5種類型裝備作為研發中的重點。其中包括LNG-FSRU總體設計關鍵技術，以及LNG-FSRU再氣化模塊總體設計關鍵技術及相關設備作為關鍵系統和設備領域的研發重點。FSRU在建造上的難度并不大，但FSRU需要從LNG船上接收液貨再進行處理，這涉及到LNG的海上轉運、大型浮式結構間的水動力交互作用，以及操作中的諸多規劃問題，需要設計者從初步設計階段直至詳細工程設計階段均進行周密的考慮。