浮式儲存氣化裝置解脫分析

彭延建+畢曉星+周巍

摘 要：通過對貨物維護系統及氣化設施在較大的船舶晃動下是否能正常運行、高壓氣體外輸臂是否解脫、低溫和海冰的影響三個主要風險的辨識，分析得到FSRU存在中斷供氣的可能，并給出了解脫概率的估計。提出了極端環境條件下應急預案應包括的主要內容，如決策依據、作業流程等，以及可能存在的風險因素，為作業者和監管者制定行之有效的安全作業標準和應急預案提供參考。

關鍵詞：浮式存儲氣化裝置 LNG 緊急解脫 應急預案

浮式存儲氣化裝置（FSRU）方案靈活，船舶可在國際市場上租賃得到，相比陸上傳統LNG接收站，縮短了建設周期，可以實現向下游的快速供氣。然而，相比陸上常規LNG接收站，由于其自身的浮體屬性，在發生極端天氣工況時，FSRU必須緊急關停或解脫離港。

國外針對FSRU或LNG船舶的緊急解脫程序，主要還是由接收站制定，是操作手冊的重要內容之一。Yoneda S et al 對于發生海嘯時，操作手冊只針對在港系泊船舶的緊急離泊有規定的情況，通過仿真模擬，研究了考慮航行船舶的緊急撤離，研究結果顯示在海嘯發生時所有船只通過友島航道撤離大阪灣存在困難，建議可撤離至最近的錨地。Kobayashi et al 用定量計算方法研究了LNG船的緊急離泊，但是計算中沒有考慮在LNG船在緊急離泊過程中可能發生的不確定性，例如LNG船保持需要的航行速度可能面臨的困難。日本相關指南規定，船舶收到臺風預警時，必須緊急離港，但是并沒有對錨泊地點等作出具體的規定，缺少可執行程序，Pitana T & Kobayashi E針對大阪港水域船舶交通流密集、船舶緊急離泊時間必然受影響的情況，提出了適合該水域船舶緊急解脫的程序，并對該程序進行了評估，考慮了多個可能場景，用離散事件模擬手段，得到了多個場景的離泊時間預測。

由于浮式LNG項目在國內剛剛起步，尚無經驗積累，針對FSRU的作業規范和應急措施在國內仍處于空白階段。對于LNG運輸船，國內的研究一般采用航海模擬器手段，模擬實驗的過程基本只涵蓋靠離泊階段，研究的是靠離泊階段風、浪、流的限制條件，缺失與正常生產操作階段的統籌規劃。目前針對FSRU的作業標準和監管，基本還是視同LNG運輸船。FSRU長期靠系泊在碼頭，區別于LNG運輸船的短期系泊，并且由于FSRU承擔著LNG氣化和天然氣輸送、保障民生用氣的任務，作業者需要審慎確定FSRU的作業條件標準和應急關停、解脫程序，最大程度的減少FSRU應急解脫對生產和供氣的影響。同時，對監管部門來講，無論是LNG運輸船從進港、作業到出港的短線監管，還是FSRU長時間氣化外輸作業的長線監管，都迫切需要研究制定出一套行之有效的安全作業標準和應急預案。

工程概況

天津浮式LNG項目位于天津港南疆港區，其一期工程通過浮式存儲氣化裝置（FSRU）實現向天津市供氣，是國內首座浮式LNG接收終端項目。2013年底，“安海角”輪（GDF SUEZ CAPE ANN）靠泊天津港南疆南浮式LNG接收站碼頭。該FSRU 原為一條LNGRV，即具備自航及海上固定單點系泊能力的LNG船，由蒸汽透平推進，可通過船中部的高壓管匯或船首部連接海上浮筒的內轉塔裝置將氣化天然氣輸送上岸。

解脫風險辨識

FSRU關鍵工藝設備及實施采用冗余設計，系統控制方案可靠，因此，在正常的環境條件下，FSRU可實現連續供氣。但是，當出現惡劣的環境條件時，以下幾個因素可能會影響供氣的連續性：①FSRU上貨物維護系統及氣化設施等工藝設備在較大的船舶晃動情況下是否能照常運行；②為防止發生泄漏，高壓氣體外輸臂是否需緊急解脫。該連接設備類似于LNG運輸卸料臂，可將天然氣的外輸也看作LNG碼頭的裝卸作業；③低溫和海冰影響。

下面對以上因素進行辨別，以分析對作業條件要求最為苛刻的因素。

1、貨物維護系統及工藝設備作業條件分析

該FSRU原設計應用地點在外海，采用單點系泊進行氣化作業。在設計時FSRU貨物圍護系統均采用了加強型絕緣箱，可承受生存海況設計條件下的晃蕩載荷。與本項目目前海況條件相比，外海的海況要惡劣的多。盡管在航行條件下，LNG貨艙液位要求不能在10～70%之間，但是在實際的氣化作業條件下，如遇到惡劣海況，從工藝操作上可通過貨艙泵對LNG貨艙液位進行調整，以避開危險貨艙液位范圍。而FSRU的關鍵設備主要為泵、壓縮機和氣化器，泵和壓縮機屬于高速旋轉設備，受本體運動的影響小，而且在海上有許多應用業績，從海上應用情況看，船舶晃蕩對壓縮機和泵的性能影響不大。FSRU上氣化器有兩種形式，板式換熱器和管殼式換熱器，其中板式換熱器流道狹窄，受粘性作用大，對慣性運動的敏感性低，在海上應用影響較小。管殼式換熱器內是乙二醇水溶液與超臨界LNG換熱，沒有氣液兩相共存的情況，對晃蕩也并不敏感。因此， FSRU船上工藝設備對海況作業環境適應很強。故貨物維護系統及工藝設備對氣象和海況條件的要求在上述4個因素中最為寬松。

2、高壓氣體外輸臂作業條件分析

參考國際同類項目高壓氣體外輸臂運行經驗，其連接工況下的作業條件為風速≤22.5m/s（九級風），即風速>22.5m/s時高壓氣體外輸臂應斷開。

圖1 高壓氣體外輸臂

斷開連接的情況如下：在船側的閥和臂側的閥都關斷。然后臂被泄壓然后斷開。假如臂上的緊急釋放閥關閉，信號發送到FSRU，鄰近高壓法蘭的閥門關閉。一旦這個閥門關閉后緊急放空開始，壓力減小，釋放閥是安裝在臂上。一旦壓力被釋放后，耦合器自動打開，臂與船斷開連接。

但是該連接設備類似于LNG卸料臂，可將天然氣的外輸也看作LNG碼頭的裝卸作業；相對于LNG外輸的碼頭作業條件，高壓氣體外輸臂本身具有更高的耐波性。但是，當FSRU如果不能滿足系泊條件而須離泊時，高壓氣體外輸臂勢必要解脫。

工程位于渤海灣的西北側，渤海的氣象狀況具有季節分明、變化顯著的特征。造成本區的大風天氣過程主要是冬、春季的寒潮和夏、秋季的臺風（含熱帶風暴），寒潮大風較為頻繁，臺風（含熱帶風暴）大風出現頻率較小。歷史上曾出現過的最大風速（10min）為26.5m/s，風向為E向，出現于1971年6月26日，即意味著FSRU存在中斷對外供氣的可能。又根據1996～2005年每日24次風速、風向觀測資料進行統計，每年出現風速大于七級風的概率僅為0.7%，FSRU離泊及高壓氣體外輸臂解脫的可能性很小。

3、低溫和海冰影響

2010 年1 月，中國大部分地區受寒潮影響。渤海和黃海北部在冷空氣影響下，遭遇的近30年以來最為嚴重的冰凍災害，海面結冰面積達3.6 萬平方公里，遼東灣、渤海灣、萊州灣浮冰范圍25-30 海里。一些重要港口如濰坊港、東營港、秦皇島港等悉數被海冰包圍，最厚冰層達60 厘米，堆積高度可達2 米。沿海絕大部分近海捕撈業船只停航，存在部分船只被冰凍損壞的情況。

本項目FSRU作業碼頭吃水15m，水體交換量較大，極端低溫時碼頭水域發生冰凍的概率相對而言較低。如果FSRU處于相對平靜的港灣，即便發生冰封，自然形成的海冰對船體結構一般不會造成破壞。由于FSRU非航行船舶，固定系泊在碼頭，極端低溫對于船體結構的影響是有限的，主要需要關注的是極端低溫對于船用系統的影響。這些影響包括：①碼頭系泊用的絞車、鋼纜（或尼龍繩）上發生嚴重結冰；②受海冰堵塞海水門的影響，FSRU海水系統（包括壓載、海水冷卻、消防系統）不能正常工作；③受低溫影響的所有輪機設備、管線、閥件，如：露天甲板設備、LNG貨物系統、氣化系統、燃油系統、艙室通風系統、消防系統、疏排水系統等；④額外加裝的加熱/防凍裝置、露天電纜護套、除冰工具等；⑤船用電力負荷增加。

低溫對本FSRU船體的影響不大， "安海角"輪經常在較低的環境溫度下運行，有些地方比天津港還要冷。低環境溫度對船體的主要影響是裂縫的生長，但這種影響體現在FSRU的整個生命周期中，而不是在天津港這段時間；對于船舶系統，因為其在輪機艙內，有蒸汽系統加熱到正常工作溫度，不會受影響；氣化系統可在低至-15℃下運行；電力負荷會有略微增加，但增加的很小，可以忽略。

應急預案

極端環境條件下緊急解脫的措施應作為應急預案考慮，并充分評估以下工作：①緊急解脫決策依據。一般相對準確的臺風預警時間為24小時以內。24小時以上的臺風路線預報存在較大偏差，不宜作為FSRU緊急解脫決策的依據；②緊急解脫作業流程（包括：碼頭解纜、拖航、避風錨地拋錨）。

出現極端低溫和冰凍時，FSRU不能正常得到來自LNG船的加氣補充，而此時往往又是用氣量的高峰。同時，FSRU自身的船用系統將出現因冰凍而引發的系列問題，恢復正常使用狀態需要一定時間。必須對FSRU配備防冰裝置，主要防冰裝置包括：①全封閉駕駛室；②生活樓入口區域局部凹入并采用加熱措施；③左右集管區設置保護室；④甲板涂防滑漆；⑤系泊絞車設滑油加熱裝置；⑥露天甲板設置用于除冰的蒸汽加熱槍；⑦機艙進風口設加熱裝置。

作為更保守的預案，可在極端天氣條件下考慮守護船待命，如果發生極端低溫天氣，由拖輪繞FSRU航行，阻止周圍水體結冰。

FSRU 應布置逃生船。逃生船應為全封閉的自由脫離類型。逃生船的吊柱應放在FSRU 傳的船尾。吊船柱是一個可以容納12 人的救援船快速下水，救援船應該以柴油為動力，在承載12 人的條件下，最低航速為25 節。船上應為船上人員配備救生設備，例如救生衣、救生圈、救生繩索投擲器、救生彈等，所有救生身背都應放在專門的安全柜內。

如果FSRU或碼頭遇到有可能發展成危險事故的緊急情況時，最重要的一點是，FSRU上的全體船員和碼頭上的操作工人都能夠正確的知曉和熟練的執行事先演練的應急程序，以保證人身安全和資產不受損害。

結論與建議

影響FSRU正常供氣的主要因素是FSRU貨物維護系統及工藝設備可靠性、高壓外輸臂連接條件、低溫和海冰影響。

根據對FSRU貨物維護系統及工藝設備可靠性、高壓外輸臂連接條件、低溫和海冰影響的分析，高壓外輸臂的連接條件是控制因素，低溫的影響風險程度較低。

FSRU存在解脫的可能性，在發生臺風等極端環境條件時，FSRU應緊急解脫，以避免可能發生的風險。

但是緊急解脫作業本身也存在風險，如：臺風預警時間過短，FSRU移位操作時間緊張；拖航過程中與其他船只碰撞；拋錨不暢（FSRU平時沒有條件進行拋錨演習作業，船上自帶的錨泊系統長期不使用）；拋錨后發生走錨甚至沖向岸邊擱淺，進一步破壞主船體；FSRU拋錨階段船上駐留人員的安全性。因此，在特殊的極端環境條件下，相對于維持FSRU碼頭系泊狀態，FSRU移位作業的風險同樣存在。需進一步評估該極端條件下碼頭系泊加強措施和碰墊的有效性、港區臺風環境的概率，以確定移位作業的操作臨界條件。

參考文獻：

[1] Pitana T， Kobayashi E. Optimization of ship evacuation procedures as part of tsunami preparation[J]. Journal of Simulation， 2009， 3（4）： 235-247.

[2] Kobayashi E， Koshimura S， Yoneda S. Guideline for ship evacuation from a tsunami attack[C]//Proc 18th Int Offshore and Polar Engineering Conf. 2008， 3： 536-542.

[3] Yoneda S et al （2007）. A basic study of ship evacuation from tsunami attack （in Japanese）. J Jpn Soc Nav Archit Ocean Eng 5： 1-7.

[4] 趙志壘. 對 LNG 船舶船岸銜接及港內航行過程的安全評估 [D]. 大連： 大連海事大學， 2010.

[5] 黃志，翁躍宗，熊振南等.液化天然氣專用碼頭系泊安全操作仿真研究[J].中國航海，2006，（4）：66-69.

[6] 張顯庫，楊振州，郝紅乾等.LNG船液貨操作模擬器培訓評價系統[J].大連海事大學學報，2013，39（4）：13-16.

[7] 劉軼華，楊小軍，肖英杰等.Q-Max型LNG船舶靠離江蘇洋口港模擬[J].上海海事大學學報，2014，35（3）：1-6.

[8] 劉軼華，肖英杰.基于大型船舶操縱模擬器的洋口港 LNG船舶靠離泊風險評估[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2014，（2）：290-293.

[9] 梁川.液化天然氣船舶的通航環境的研究[D].大連海事大學，2007.

[10] 孔憲衛，任冀川，李華國等.天津港LNG碼頭工程通航安全研究[J].中國海事，2013，（11）：43-45.

（作者單位：中海石油氣電集團有限責任公司。 本文為基金項目：中海石油氣電集團科研項目，QDKY-2014-YFZX-03）