南海FLNG外輸系統研究

趙會軍 徐業峻

（中海油能源發展股份有限公司采油服務公司天津300457）

南海FLNG外輸系統研究

趙會軍 徐業峻

（中海油能源發展股份有限公司采油服務公司天津300457）

依托FLNG（LNG-FPSO）開發南海深水氣田已經是我國的必然趨勢，南海惡劣的環境條件嚴重制約了FLNG產業的發展，尤其是LNG外輸已經成為制約FLNG開發南海氣田的關鍵技術因素，本文陵水FLNG外輸系統的進行研究，從使用環境限制、設備性能、外輸周期要求等綜合因素進行外輸系統比選研究，最終提出適用于南海FLNG的外輸方式，解決了南海FLNG的外輸難題，為后續的FLNG開發奠定技術基礎。

陵水FLNG；天然氣；外輸；串靠；ATOL

隨著陸上可采天然氣資源越來越少，開發海上天然氣田特別是深海天然氣田已成為天然氣資源勘探和開發的必然趨勢，我國南海存在豐富的深海天然氣資源，若采用傳統的開采方式，很多氣田將無法投入開采。

浮式液化天然氣生產儲卸裝置（FLNG，又稱LNG-FPSO）是一種用于海上天然氣田開發的浮式生產裝置，通過系泊系統定位于海上，具有開采、處理、液化、儲存和裝卸LNG的功能，并通過與液化天然氣運輸船（LNG Carrier）搭配使用，實現海上天然氣田的開采和運輸[1]。利用FLNG進行海上氣田開發結束了海上氣田只能采用管道運輸上岸的單一模式，節約了運輸成本，且不占用陸上空間，而且，該裝置可以安裝在遠離人群居住的地方，安全環保[2]。

外輸系統是整個FLNG裝置的關鍵技術之一，FLNG通過外輸系統把液化天然氣輸送給LNGC。我國南海環境條件惡劣，外輸作業必須在FLNG和LNGC處于運動的狀態下進行，靠泊、系泊、裝載和離泊都是高危復雜作業，如果LNG外輸系統出了故障，可能會產生LNG泄露甚至造成整個海上油氣田的停產，產生巨大的危險和經濟損失。因此選用適應南海復雜惡劣海況的LNG外輸系統對FLNG來說是極其重要的[3][4][5][6]。

FLNG主要的外輸方式有旁靠外輸和串靠外輸兩種，本文通過研究南海陵水22-1氣田惡劣的海洋環境條件，分析船體相對和絕對運動，對串靠和旁靠兩種外輸方式進行了深入的研究，最終提出適用于陵水FLNG的外輸方式。

1 陵水FLNG方案

1.1 陵水氣田的海洋環境

陵水氣田水深約1336m，主風向為NE，季風特征明顯，冬季盛行偏NE風，夏季盛行偏S風；主浪向為ENE；主流向為W~E。波浪具體環境參數見表1。

表1 陵水氣田波浪環境參數

1.2 陵水FLNG主參數和總體布置

FLNG可承受100年一遇的臺風海況條件，采用單點系統定位于目標海域。設計壽命為30年，船體結構采用雙甲板、雙底、雙舷側的結構型式。

船體設計主要參數如表2所示。

表2 陵水FLNG船體主要參數

FLNG船體部分自首向尾被水密橫艙壁劃分為首尖艙、單點艙、貨艙區、機艙和尾尖艙。貨艙區被劃分為1對凝析油貨艙、4對LNG貨艙和1對污油水艙，各貨艙之間設有隔離空艙。LNG和凝析油貨艙均為完全的雙甲板、雙層底、雙舷側、雙層橫艙壁結構。

貨艙區雙底雙舷側區域為壓載水艙。貨艙區上部設有工藝模塊甲板，面積約10,000m2（包括電站和熱站），距離主甲板高度為6.0m，從艉部到艏部依次布置了生活樓、電氣房間模塊、卸貨區1、電站模塊、卸貨區2、液化工藝/熱介質模塊、凝析油計量模塊、舷側取水模塊、低溫預冷模塊、海水冷卻/熱介質模塊、原料氣預處理模塊、原料氣增壓模塊（預留）、MEG再生模塊、入口分離/生產水處理/燃氣處理模塊、化學試劑注入撬、單點系泊區域、卸貨區3、火炬。生活樓頂部設有直升機起降平臺。火炬塔向船首方向傾斜，高度約80m。

FLNG總體布置圖如圖1所示。

圖1 FLNG總體布置圖

每個艙布置一個LNG潛沒泵，經由外輸泵將艙內LNG輸入到甲板上管線匯總到外輸裝置，再經由外輸裝置輸送至LNGC，外輸系統布置，參見圖2。

圖2 LNG外輸系統布置圖

2 外輸方式比選研究

2.1 外輸方式介紹

LNG主要的外輸方式有旁靠外輸和串靠外輸兩種，目前在建的FLNG均采用旁靠剛性臂外輸，串靠外輸尚無實際應用先例。旁靠外輸系統具有技術成熟，相對投資成本較低，無需對標準LNGC進行改造等優點，但也存在著兩船距離較近、船舶運動補償能力較弱、能夠適應波高較低等不足。串靠外輸則有兩船間安全距離較大，能夠適應較大波高等優點，但也存在技術不成熟，無實際應用，設備費用高昂，需要對LNGC進行改造等缺點。

LNG外輸管道分為軟管或剛性臂輸兩種，剛性臂一直作為LNG終端對LNGC的輸送上，技術成熟；LNG外輸軟管沒有工程實用經驗，技術尚未成熟。現階段只能選擇剛性臂作為LNG的外輸通道。

考慮到作業條件限制、技術成熟及可靠性、造價成本及LNG運輸船改造難易程度等多方面因素，選擇適于FLNG的外輸系統技術，可以有效的降低船體和系泊的設計要求，節約建造成本，更好的推動FLNG工程項目的實施和整個相關產業的發展。

2.1.1 旁靠剛性臂外輸

旁靠剛性臂卸料系統是目前最常用的LNG傳輸系統。兩船間旁靠剛性臂卸料系統主要由系泊系統和剛性臂卸料系統組成。系泊系統由首部、中部和尾部的系纜絞車組成。剛性臂卸料系統由卸料臂、液壓動力單元及控制系統組成[7][8]。

針對陵水氣田海況，進行分析計算，最終確定旁靠剛性臂設計方案如下：（1）液相臂3套，管線為16英寸3，設計流量為3000m3/h。（2）氣相臂1套，管線為16英寸。（3）16根纜繩連接，尼龍纜直徑96mm，破斷載荷為1859kN。（4）4個碰墊，10.5m× Φ4.5m的長圓柱，最大強度為5690kN。

LNGC與FLNG之間的連接示意圖如圖3所示。

圖3 LNGC與FLNG間輸送示意圖

采用旁靠剛性臂外輸系統與LNGC連接時需要滿足的海況如下：

——有義波高≤1.2m

與LNGC進行裝卸時：

——有義波高≤2.5m

水平最大運動幅值：縱蕩+/-3m,橫蕩+1.5m/-3m

垂直最大運動幅值：+/-3m

旁靠剛性臂外輸受海況影響嚴重，適用于有義波高≤2.5m的海況下。且經過兩船系泊運動分析，系泊時需要16根纜繩。

2.1.2 串靠剛性臂外輸

根據旁靠剛性臂外輸的特點，將其移植到串靠的外輸方式上，就是串靠剛性臂外輸。其中最具有代表性的是ATOL系統（鉸接式尾輸系統），由一固定支架、傳輸鋼臂、旋轉接頭、ERS緊急脫離裝置、ESD和QC/DC快速連接器、控制和監控系統、系泊系統等組成。使用三根外輸管線，一根氣相，兩根液相。如圖4所示。（1）液相臂2套，管線尺寸為20英寸，5000m3/h。（2）氣相臂1套，管線尺寸為20英寸。（3）ATOL鋼架尺寸：總長80.72m，高度34.884m，寬度22m，總重1185t。

圖4 ATOL系統示意圖

采用ATOL外輸系統與LNGC連接時需要滿足的海況如下：

——有義波高≤3.5m（纜繩連接方式）

——有義波高≤4.5m（動力定位連接方式）

與LNGC進行裝卸時：

——有義波高≤4.5m（纜繩連接方式）

——有義波高≤5.5m（動力定位連接方式）

水平方向最大運動幅值，橫蕩30m,縱蕩19m

垂直方向最大運動幅值：16m

旁靠剛性臂外輸對海況的適應性大幅度提升，尤其實在LNGC具備動力定位功能時，能夠滿足南海惡劣海況下的FLNG外輸要求。

2.2 串靠和旁靠比較

經對目標海域的有義波高進行統計，如表3所示，在每年10月到次年的2月期間有義波高大于2.5m以上的天數非常多，每月最少10天最多達到20天。考慮到LNGC與FLNG在有義波高高于2.5m海況時，難以實現旁靠外輸和旁靠系泊作業。另外，在此條件下，旁靠外輸設備需要較高運動補償和適應能力，對設備要求也很高。綜上所述，對于目標氣田海況，若采用旁靠外輸系統將無法滿足FLNG的外輸周期的要求，極大限制氣田生產，降低了FLNG收益率。

旁靠和串靠外輸系統性能比較參見表4，得出串靠外輸系統的總體性能優于旁靠。

表3 目標海域有義波高天數統計表

表4 旁靠和串靠外輸系統性能比較

3 結語

本文以南海陵水22-1氣田的FLNG外輸系統設計作為研究對象，通過對環境條件的適應性、外輸系統的實用性等方面進行研究，并對串靠和旁靠外輸系統進行深入分析比較，最終提出采用串靠剛性臂外輸系統方案，并對ATOL系統進行了深入的分析，確定其能夠滿足陵水氣田的要求，解決了使用FLNG開發南海氣田的外輸難題。但目前世界上FLNG的串靠外輸系統還沒有應用實例，筆者建議在以后FLNG工程開發中進行更細致深入論證串靠外輸的可靠性，以降低應用風險。

[1]趙晶瑞,謝彬,王世圣,喻西崇.南海FLNG尾輸作業可行性研究[J].中國造船,2016-01-12.

[2]趙文華,楊建民,胡志強,李欣.FLNG系統進行旁靠卸載作業時的水動力性能研究[J].船舶力學,2012-11-15.

[3]劉元丹,蘇金波,王華.FLNG系統卸載方式概述[J].廣東造船, 2014-08-25.

[4]俞華,陳觀豪,汪建平,徐業峻.FLNG開發中國南海邊際氣田的機遇[J].資源節約與環保,2015(06).

[5]趙文華,楊建民,胡志強,李欣.FLNG系統進行旁靠卸載作業時的水動力性能研究[J].船舶力學,2012(11).

[6]Yan Gu,YonglinJu.LNG-FPSO:Offshore LNG solutionJ].Frontiers of Energy and Power Engineering in China.2008(3).

[7]POLDERVAART L,QUEAU JP,Wan WYNGAARDEN V.Tandem mooring LNG offloading system.OTC 14099.2002.

[8]Bureau Veritas.HYDROSTAR for experts usemanual.2011.

趙會軍（1988—），男，漢族，河北邢臺人，2012年畢業于中國石油大學（華東），學士，工程師，從事海上油田設施科技研發工作。