LNG 浮式岸站終端設(shè)計難點(diǎn)分析與對策研究

宋 煒，袁紅良，段 斌，吳麗萍

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

我國是一個能源資源嚴(yán)重緊缺的國家，人均能源遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均水平。雖然煤炭資源較豐富，但石油和天然氣儲量卻捉襟見肘。長期以來我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展一直依賴的是煤炭資源，但由于煤炭熱值低且對大氣環(huán)境污染嚴(yán)重，使得我國開始對能源的消費(fèi)結(jié)構(gòu)實施調(diào)整，走可持續(xù)發(fā)展之路，城市燃?xì)夂桶l(fā)電將逐步以天然氣取代煤炭和石油，天然氣以其清潔、方便、高效的特性成為替代煤炭、石油最合適的優(yōu)質(zhì)新型能源[1]。

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，能源戰(zhàn)略政策的付諸實施，國內(nèi)對 LNG的需求快速增長。據(jù)中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會的《LNG船市場分析報告》預(yù)測，我國天然氣需求在未來5～10a將以15%左右的速度增長。天然氣在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占的比例越來越高，我國自產(chǎn)天然氣已無法滿足日益加快的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展對于新興能源的需求，只能通過從海外引進(jìn)天然氣資源，彌補(bǔ)能源短缺，這成為我國實施能源戰(zhàn)略的重要決策。

目前，大量進(jìn)口液化天然氣（LNG）主要通過海上運(yùn)輸方式，海上運(yùn)輸LNG需滿足兩個條件：可運(yùn)輸超低溫液化天然氣的 LNG運(yùn)輸船，以及可接收天然氣的浮式或陸地岸站終端，即天然氣在陸上終端生產(chǎn)后，經(jīng)LNG運(yùn)輸船送至浮式或陸地岸站終端，然后氣化處理再輸送至用戶（見圖1）。

圖1 LNG海上供應(yīng)鏈

1 LNG-FSRU的優(yōu)勢

對于接收天然氣的岸站終端，國家發(fā)改委于2004年6月制定了《關(guān)于我國液化天然氣進(jìn)口方案的建議》，提出在廣東、福建、山東、浙江、上海、江蘇、遼寧、河北、天津、廣西等沿海地區(qū)建設(shè)若干LNG岸站終端。我國當(dāng)前已經(jīng)規(guī)劃的LNG岸站終端一共有十余個，目前廣東、福建和上海LNG項目的陸地岸站終端均已建設(shè)完工并投入使用，其他岸站終端將陸續(xù)開始建設(shè)。

雖然已有數(shù)個LNG陸地岸站終端投入使用，但是LNG陸地岸站終端的選址需要滿足一定的條件，而建造更是需要投入大量的資金，具有一定的局限性。

首先，需要有適合大型LNG船停靠的港口，可是根據(jù)我國大陸沿岸自然地理條件，可以建造LNG岸站的港口較為有限；其次，LNG易燃易爆，為安全考慮，還要遵從距離居民密集區(qū)較遠(yuǎn)的原則；再次，建設(shè)LNG陸地岸站終端除了需要投入大量的資金外，還需占用大面積寶貴的土地資源。

LNG浮式岸站終端可避免上述約束和不足。LNG浮式岸站終端是一種具備LNG存儲及再氣化功能的海上浮式岸站終端，依靠有效的系泊固定后接收LNG運(yùn)輸船運(yùn)送的LNG，并對液化天然氣進(jìn)行再氣化處理，然后通過海底管道輸送上岸。LNG-FSRU可廣泛應(yīng)用于我國廣闊的沿海地區(qū)，同時建立 LNG-FSRU可有效地降低投資成本，并節(jié)約大量的土地資源。

LNG-FSRU在國外已有應(yīng)用實踐。自2005年首個LNG-FSRU在美國建成投入使用以來，已經(jīng)有數(shù)個LNG-FSRU在美洲和歐洲陸續(xù)建成并投入使用，其中我國天津市同樣有1艘LNG-FSRU也在使用，目前運(yùn)行情況良好。事實證明，LNG-FSRU設(shè)計和建造技術(shù)已十分成熟，與LNG陸地岸站終端相比，LNG-FSRU具有建造成本低、建設(shè)周期短、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)。

2 LNG-FSRU的設(shè)計難點(diǎn)與應(yīng)對方案

LNG-FSRU可以說是將陸基的再氣化工廠移植到船舶上。再氣化系統(tǒng)其本身就極為復(fù)雜，要求有極高的安全性、可靠性，而在船舶上相比陸地具有空間有限、船舶晃蕩等更為惡劣的工作環(huán)境以及諸多不可預(yù)見的因素，故LNG-FSRU具有更為錯綜復(fù)雜的設(shè)計要求。

2.1 液貨艙的晃蕩

LNG-FSRU作為連接陸地天然氣用戶和LNG運(yùn)輸船的中轉(zhuǎn)站，是長年漂浮在固定海域的海上存儲終端。由于LNG-FSRU長期漂浮在海上經(jīng)受波浪沖擊，使得液貨儲存艙內(nèi)的LNG不斷晃動，一旦其運(yùn)動的固有周期接近船體運(yùn)動固有周期時，將出現(xiàn)液貨艙晃蕩共振，對LNG儲存艙造成較大破壞，嚴(yán)重威脅LNG-FSRU的安全性和可靠性。因此必須對LNG-FSRU的液貨艙的晃蕩進(jìn)行專項分析研究，并通過液貨艙晃蕩試驗進(jìn)行驗證。

LNG-FSRU設(shè)計首先需要對應(yīng)用條件進(jìn)行系統(tǒng)研究，包括海況、水深、氣候因素等，量身設(shè)計確定船型尺度及線型，同時考慮穩(wěn)性及總體布置的要求，進(jìn)行多方案分析研究，設(shè)計選取最優(yōu)化的LNG-FSRU船型。

其次，LNG-FSRU還要對液貨艙晃蕩模擬分析進(jìn)行全面細(xì)致的研究。分析不同波浪載荷對液貨艙中不同液位LNG的晃蕩程度（見圖2），并進(jìn)一步分析LNG貨艙晃蕩對液貨艙維護(hù)系統(tǒng)的影響。當(dāng)液貨艙內(nèi)LNG液貨的運(yùn)動固有周期接近船體運(yùn)動固有周期時，將會出現(xiàn)液艙晃蕩共振風(fēng)險。

孫華山強(qiáng)調(diào)，要堅持以任務(wù)為牽引，統(tǒng)籌規(guī)劃航空救援力量布局，立足當(dāng)前、著眼長遠(yuǎn)，總體籌劃、突出重點(diǎn)。要加強(qiáng)與科研、生產(chǎn)單位合作，研究適應(yīng)新形勢下的空中救援裝備，滿足實戰(zhàn)需求。森林消防部門要加強(qiáng)業(yè)務(wù)訓(xùn)練，積極探索新課題，研究新戰(zhàn)法，開設(shè)新課目，提升實戰(zhàn)能力；要加強(qiáng)隊伍建設(shè)，提高凝聚力和吸引力，研究人才發(fā)展戰(zhàn)略，鍛造高素質(zhì)人才隊伍，肩負(fù)起空中應(yīng)急救援力量國家隊、主力軍的使命。

圖2 單貨艙不同液位的晃蕩模擬分析

單貨艙設(shè)計在裝載液位極高（大于70%）和極低（小于10%）時具有非常好的抗液貨晃蕩沖擊效果，但在這之間單貨艙是無法承受 LNG晃蕩生成的巨大沖擊力。為解決液貨艙的晃蕩問題，雙排液貨艙（簡稱“雙排艙”）的設(shè)計應(yīng)運(yùn)而生雙排艙設(shè)計是在貨艙中間增加結(jié)構(gòu)隔離，不僅極大地降低液貨艙中LNG晃蕩程度，不再有LNG裝載液位的限制（見圖3），同時還能作為上層甲板的中間支撐，防止上層甲板由于設(shè)置再氣化裝置而導(dǎo)致的凹陷變形，提高貨物維護(hù)系統(tǒng)的安全性和可靠性。

圖3 單貨艙和雙排艙的晃蕩比較

2.2 高壓LNG管路的泄漏

LNG-FSRU是通過LNG高壓泵組將-163℃LNG液貨增壓至10MPa的極高壓力，然后通過換熱器將高壓LNG進(jìn)行氣化后輸送到用戶（見圖4）。LNG的泄漏主要發(fā)生在再氣化裝置和LNG集管所在處所。泄漏的LNG會直接滲透過油漆而接觸甲板，使鋼材迅速脆化，直接導(dǎo)致管系、設(shè)備、結(jié)構(gòu)支架和甲板的斷裂，并可能引起二次破壞和船體結(jié)構(gòu)破壞。

由于FSRU的再氣化裝置長時間持續(xù)工作，且高壓泵組數(shù)量較多，這就極大增加了LNG泄漏的可能性；同時，F(xiàn)SRU需要長期穩(wěn)定輸出天然氣，一旦由于LNG泄漏導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)破壞，將帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，為避免高壓 LNG管路的泄漏以及泄漏后可能會發(fā)生的連鎖反應(yīng)事故，必須采取一系列必要的防護(hù)手段和措施加以應(yīng)對。

圖4 LNG加工流程

2.2.1 LNG高壓泵組采用不銹鋼圍池和封閉式設(shè)計

為防止高壓泵組區(qū)域的LNG泄漏，首要措施便是設(shè)置不銹鋼圍池。不銹鋼圍池能有效防止泄漏的LNG直接滴落到甲板上并進(jìn)行收集，還需要考慮安裝泄放閥對收集的LNG進(jìn)行泄放，不僅能夠就地手動控制，考慮到人員安全，還應(yīng)能進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，將泄漏的LNG引導(dǎo)回貨艙內(nèi)或直接排至船外。同時，考慮到高壓LNG泄漏可能會形成LNG的噴射現(xiàn)象，會對周圍設(shè)備和甲板造成極大的危害，因此需要在高壓泵組周圍設(shè)置保護(hù)墻，形成封閉式設(shè)計，并在圍池內(nèi)安裝溫度傳感器，以便盡早發(fā)現(xiàn)LNG泄漏。

為避免被泄漏的LNG破壞，在高壓泵和LNG集管區(qū)域的LNG管路上的管夾和支架應(yīng)考慮采用不銹鋼材料，這樣可以極大地降低因LNG泄漏而導(dǎo)致的對LNG管系的影響。

2.2.3 閥件采用焊接型及熱交換器選用免拆洗式

為盡可能降低LNG泄漏風(fēng)險，高壓LNG管路上的閥件應(yīng)盡可能避免用法蘭連接而采用焊接型，尤其是在高壓泵組出口到計量裝置之間的管路上。值得注意的是板冷器進(jìn)出口位置是可以做成焊接型的，但是計量裝置只能是法蘭連接，這樣該處將會成為泄漏源，必須考慮措施防止高壓LNG泄漏，如圍池和法蘭防濺射罩。同時，板冷器應(yīng)盡可能采用全焊接型式，無需進(jìn)行拆洗，能夠有效防止板冷器中各個板之間的LNG泄漏。

2.2.4 耐低溫油漆的應(yīng)用

為防止泄漏的 LNG直接滴落或濺射到船體甲板上，需要考慮在甲板上涂上一種特殊的耐低溫油漆。圖5顯示的是耐低溫油漆的結(jié)構(gòu)及性能曲線。耐低溫油漆通常具有比常規(guī)油漆更高的抗拉強(qiáng)度和延伸率，表現(xiàn)出極強(qiáng)的柔韌性，該特點(diǎn)使彎曲和振動中的結(jié)構(gòu)具有更強(qiáng)的抗裂性，使其能耐受更大的斷裂應(yīng)力，故能承受在低溫和爆炸波超壓的沖擊。作為甲板上的油漆，除了在低溫具有較好性能外，還必須具有防火耐高溫的特性。由于耐低溫油漆價格昂貴，故主要應(yīng)用在再氣化裝置和LNG集管所在處所等LNG泄漏的高發(fā)區(qū)。

圖5 典型耐低溫油漆結(jié)構(gòu)及性能曲線

2.3 再氣化系統(tǒng)的設(shè)計

再氣化系統(tǒng)作為LNG-FSRU上的再氣化工廠，是處理高壓、低溫LNG液貨的關(guān)鍵核心設(shè)備。再氣化裝置包括高壓泵、再冷器、氣化器和加熱器等主要部分。顧名思義，氣化器的目的主要是將液態(tài)的LNG氣化成氣態(tài)的天然氣，它利用丙烷作為中間媒質(zhì)將熱源（海水、蒸汽等）的熱量傳遞給LNG進(jìn)行氣化。加熱器是將剛剛氣化的天然氣加熱至0℃以上，加熱方式與氣化器類似。通常，氣化器能夠提供全部的70%～80%熱量，而剩余的20%～30%能量則由加熱器提供。

2.3.1 氣化加熱系統(tǒng)的防腐蝕設(shè)計

過去的再氣化系統(tǒng)采用的二級加熱設(shè)計，即由海水加熱丙烷，丙烷再將熱量傳遞給LNG。這種設(shè)計需要將海水通過專用的海水泵輸送到布置在幾十米高主甲板上的再氣化裝置里。由于再氣化裝置所用的海水需求量極大，數(shù)量級都是以萬噸計，因此，氣化加熱系統(tǒng)的海水管管徑大，長度長，設(shè)計安裝較為困難，且海水具有極強(qiáng)的腐蝕特性，使得海水管腐蝕泄露概率較高，維護(hù)檢修難度大，對LNG-FSRU具有很高的危險性。同時，氣化加熱系統(tǒng)的海水泵排量大、設(shè)計壓力非常高，目前只有極少數(shù)廠家能做到。

面對氣化加熱系統(tǒng)的海水管腐蝕問題，采用三級加熱的設(shè)計能夠很好解決該問題（見圖6）。三級加熱設(shè)計是在原有的二級加熱設(shè)計基礎(chǔ)上增加一級乙二醇水加熱過程，即海水加熱乙二醇水、乙二醇水加熱丙烷、丙烷再加熱LNG。乙二醇水性質(zhì)穩(wěn)定，無腐蝕性，極易維護(hù)。由于增設(shè)一級乙二醇水加熱，需要增配海水/乙二醇水換熱器和乙二醇水泵，可以布置在一個專用的貨物氣化加熱房間中。貨物氣化加熱室可以布置在低位，這樣可以極大地縮短海水管長度，降低維護(hù)檢修難度，且能夠減小海水泵設(shè)計壓力，有利于設(shè)備設(shè)計選型。

2.3.2 氣化加熱系統(tǒng)防止加熱失效的特殊考慮

由于氣化加熱系統(tǒng)中加熱過程紛繁復(fù)雜，涉及多個系統(tǒng)和設(shè)備聯(lián)動配合，一旦加熱失效，低溫高壓的LNG無法正常氣化，后果將非常嚴(yán)重的。因此，必須對氣化加熱系統(tǒng)發(fā)生加熱失效的情況給予設(shè)計上的特殊考慮。

首先需要在重要管路上設(shè)置壓力和溫度傳感器，還要在再氣化裝置上安裝紅外氣體探測器，并在氣化器和加熱器的 LNG和丙烷管路上設(shè)置應(yīng)急切斷閥。同時，考慮到傳感器感應(yīng)和閥件應(yīng)急切斷的滯后性，還應(yīng)在氣化器下游管路在一定長度內(nèi)采用不銹鋼材料的耐低溫設(shè)計。

3 LNG-FSRU設(shè)計方案

滬東中華造船（集團(tuán)）公司在成功設(shè)計建造LNG運(yùn)輸船的基礎(chǔ)上，開始致力于LNG產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)裝備的研發(fā)。滬東中華通過與美國船級社ABS、法國船級社BV、挪威船級社DNV、中國船級社CCS等知名船級社，以及業(yè)內(nèi)資深咨詢公司展開密切合作，成功自主研發(fā)了20萬立方米級別的LNG-FSRU（見圖7）。

圖6 三級加熱設(shè)計原理

滬東中華LNG-FSRU采用雙排艙設(shè)計，具有極佳的抗晃蕩效果，不再有LNG裝載液位限制；安裝4臺再氣化裝置，最大氣化量達(dá)到近1000t/h；裝卸貨管路系統(tǒng)設(shè)計更加靈活，能夠同時實現(xiàn)對碼頭輸氣管路、大型LNG運(yùn)輸船、小型LNG加注船以及LNG槽車等終端的輸送或是裝置；采用三級加熱設(shè)計，增設(shè)海水/乙二醇水換熱器和乙二醇水泵，并布置在專用的貨物氣化加熱房間；配置5臺雙燃料發(fā)電機(jī)組，為全船提供動力能源[2]；同時為了提高能效，還為主要的海水泵、乙二醇水泵等配置了變頻系統(tǒng)。

滬東中華LNG-FSRU采用了很多最新的設(shè)計理念，尤其是在貨物圍護(hù)系統(tǒng)、貨物再氣化加熱系統(tǒng)等系統(tǒng)設(shè)計中進(jìn)行了優(yōu)化，使之成為新一代LNG-FSRU的典型設(shè)計。

圖7 滬東中華LNG-FSRU

4 結(jié) 語

當(dāng)前，全球環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排的推行使得LNG產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展迅速。LNG-FSRU的自主研發(fā)是滬東中華立足于豐富的LNG船設(shè)計和建造經(jīng)驗基礎(chǔ)上，緊跟市場需求和發(fā)展節(jié)奏，依托“國家能源LNG海上儲運(yùn)裝備重點(diǎn)實驗室”，積極研發(fā)高新技術(shù)LNG海工產(chǎn)品，并重點(diǎn)在關(guān)鍵裝備國產(chǎn)化及產(chǎn)業(yè)延伸化方面開展工作，繼續(xù)鞏固滬東中華在LNG裝備產(chǎn)業(yè)中的優(yōu)勢。

[1] 敬加強(qiáng)，等. 液化天然氣技術(shù)問答[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2] 蔣 瑋，等. 液化天然氣作為船用燃料的可行性研究[J]. 船舶與海洋工程，2013, (3): 74-76.