南海 FLNG 上部模塊總體布局方案研究

程 兵，謝 彬，郭朋皞，姚海元，喻西崇，徐敏航

(1. 中海油研究總院，北京 100028；2. 中國海洋石油總公司，北京 100010)

南海 FLNG 上部模塊總體布局方案研究

程 兵1，謝 彬1，郭朋皞2，姚海元1，喻西崇1，徐敏航1

(1. 中海油研究總院，北京 100028；2. 中國海洋石油總公司，北京 100010)

FLNG 在南海深水氣田開發中應用前景廣闊，應加強對其設計技術的研究。本文結合調研和項目經驗，總結 FLNG 上部模塊總體布置原則和規范，研究布局影響因素，并提出南海 FLNG 布局建議。FLNG 上部模塊設計時，應符合安全、經濟、合理的原則，并遵守船級社和本行業在總體、工藝、安全等方面的規范；在選擇布局方案時，應重點考慮系泊、外輸、解脫、工藝方案等 4 個因素的影響；對于南海 FLNG 總體布局方案，采用旁靠時建議按從船首到船尾“單點-火炬-預處理-液化-外輸-電站/公用-生活樓”布局，采用尾靠時建議按“生活樓-單點-電站/公用-預處理-火炬-液化-外輸”布局。本研究成果可以為今后開展南海 FLNG 上部模塊設計提供參考。

FLNG；上部模塊；總體布局；設計原則；南海

0 引 言

盡管還沒有投產應用的案例，但浮式液化天然氣生產儲卸裝置（FLNG）的技術研究已有 40 年歷史[1]。對于海況條件適宜和氣田 LNG 產品市場適合海運，或遠海、深海的天然氣開發利用項目，FLNG 技術方案具有顯著的技術經濟優勢[2]。近十年來已經有 17 個項目處于設計或建造階段，海上潛在應用區域包括非洲沿海、澳大利亞北部、中國南海及南美北部和阿拉斯加沿海地區[3-5]。FLNG 已成為開發深水天然氣的重要技術手段。對于 FLNG 設計時要遵循的原則、規范和布局方案的選擇，目前國內鮮有公開報道，有必要加以研究。本文在中國海洋石油總公司開展的國家科技重大專項“大型 FLNG/FLPG、FDPSO 關鍵技術”基礎上，結合所開展的南海小型 FLNG 可行性研究項目的經驗，總結了 FLNG 上部模塊總體布置的原則和參考規范，對 FLNG 上部模塊設計階段總體布局的選擇方法開展了研究，并對南海的 FLNG 布局形式提出了建議。

1 FLNG 上部模塊總體布置設計原則

在開展 FLNG 上部模塊總體布置之前，應明確其設計原則，參考國際上 FLNG 在建項目的經驗，結合中海油對 FPSO 等海上裝置的要求，制定了 FLNG 上部模塊總體布置原則，其設計應符合安全、經濟、合理的要求[6]，具體如下：

嚴格遵守《浮式生產儲油裝置（FPSO）安全規則》等設計規范，符合其要求與規定；

危險區的區域和模塊應盡量與含有引火源和引爆源的區域和模塊遠離；

應使危險區逸出的可燃氣體，進入含有引爆源的區域的可能性減至最低；

應滿足工藝流程的最佳需要，操作安全可靠、經濟合理；

布置設備時，考慮了逃生路線及所有設備的操作和維修空間，考慮上部模塊總體重心平衡，救生設備放置在安全且能順利到達的位置，使得工作人員能盡快安全脫離危險區域[7]。

應盡量減少船體運動對旋轉設備的影響；

應盡量減少關鍵設施在LNG泄露時，遇低溫脆化的風險。

2 FLNG 上部模塊總體布置參考規范

由于 FLNG 是一種新型裝置，對于該裝置的設計、建造、安裝和運行所需要遵循的規范，目前國際上并沒有標準的做法和建議。FLNG 作為海上浮式裝置，類似 FPSO 需要遵守海上浮式裝置的規范；作為油氣生產加工設施，需要遵守生產設施的規范；作為生產和儲卸 LNG 這一低溫產品的裝置，也應滿足 LNG 的相關規范要求。FLNG 的上部模塊布置涉及了總體、安全、工藝等多個領域，應滿足各專業的需求[7]。在調研國外 FLNG 裝置設計和開展國內 FLNG 前期研究的基礎上，對開展 FLNG 上部模塊布置所需參考的主要規范進行總結，如表 1 所示。在進行 FLNG 上部模塊布置時，可以參考這些規范，來開展設計工作。

3 FLNG 上部模塊總體布局的影響因素

在確定了設計原則和規范以后，FLNG 上部模塊的總體布置就有了更好的依據。在開展上部模塊布置時，其總體布局方案的確定是最關鍵的一項內容。總體布局方案指的是 FLNG 的工藝處理系統、公用系統、外輸系統、生活樓、系泊系統、火炬等各功能區塊以何種方式和順序排列和布置。FLNG 總體布局的選取方式可以參考 FPSO，但選取時的影響因素更多。

表 1 FLNG 上部模塊總體布置參考規范Tab. 1 Rules and regulations for FLNG topside general layout

1）系泊方式

不同的系泊方案需要用到不同的系泊設施，不同的設施在 FLNG 布局上所占的位置不同，空間也會有所差異，甚至會對其他相鄰系統有影響。對于依托岸上進行 LNG 加工的靠岸型 FLNG，其一般位于終端附近的港口，可以直接采用港口系泊，這種系泊方式占用的上部模塊空間很小；對于全海式開發的 FLNG，當環境條件良好時，采用多點系泊可有效降低成本。而采用外轉塔單點系泊時，可以有效節約船體的尺寸，縮短船長，充分利用上部甲板空間。內轉塔系泊方案會占用甲板空間，要求布局更緊湊，會讓 FLNG的成本更高，但可以適應更惡劣的海況。不同系泊方式對 FLNG 總體布局的影響如圖 1所示。

2）外輸方式

FLNG 外輸方式通常可以分為旁靠和尾靠，它由環境條件和船體的運動性能確定。FLNG 旁靠外輸方式技術更加成熟，但對環境條件要求較高[8]。若采用旁靠，外輸裝置一般安裝于 FLNG 船舯區域，一般需單獨占據 1～2 個模塊。旁靠外輸作業對于海況要求較高（波高 Hs ＜ 2.5 m），在南海氣候條件惡劣、外輸作業氣候窗較窄的前提下，若船的整體運動性能不佳，會有較多的時間因天氣影響而無法進行外輸。采用尾靠方式，其外輸效率有所降低，但外輸系統布局更為緊湊，其作業對海況的適應性大幅提高（Hs ＜ 5.5 m），更有利于保證外輸作業天數，作業時兩船靠泊難度低，作業時距離遠，安全性高，在南海的適應性很好。

3）解脫方式

由于海上環境的變化和惡劣天氣出現的可能性，FLNG 裝置需要考慮好是否解脫的問題。解脫方式的選擇對其布局的選擇影響非常大[9]。若設計要求 FLNG具備解脫能力，則一般會要求 FLNG 具備自航功能，這就需要滿足航行船規范，生活樓必須設置在船首，而不解脫的情況下生活樓布置在船首或船尾均可；其主尺度一般要加長幾十米，主電站設在尾部機艙內，配備尾部推進器；舷外取水管系設計考慮在解脫之后自航之前回收，甲板上應留有堆場來擺放取水管，這樣上部模塊設施需要的空間就更大；單點設計應滿足快速解脫。

4）工藝方案

FLNG 的預處理和液化等工藝方案會決定其上部模塊所需裝置的復雜程度，從而影響其整體布局[10]。如 Caribbean 等靠岸型 FLNG，通常都是在陸上提前進行預處理，到 FLNG 上直接液化，因此 FLNG 上的工藝設施數量就相對較少，整個的布局十分緊湊，船體的尺度較小；通常采用單混方案的 FLNG 處理規模較小，船體尺度也較小；采用雙混或者雙氮液化方案對尺寸的適應性更強，采用級聯方案的 FLNG 通常尺寸較大。此外，FLNG 上是否采用乙二醇回收裝置對FLNG 的整體布局也有影響，因為該裝置尺寸大設備多，往往需要占據整個模塊。

4 南海典型 FLNG 總體布局方案建議

FLNG 作為一種潛在的開發方案，在天然氣資源豐富的南海具有廣闊的應用前景。根據前文介紹的總體布局影響因素，在符合總體布置設計原則和遵守規范要求的前提下，對南海的典型 FLNG 總體布局方案提出了建議。

由于南海環境條件相對惡劣，通常采用內轉塔單點系泊；由于要求 FLNG 具備臺風期間解脫的能力會大幅提高該裝置的投資，并且根據模擬在臺風期間可以保證液艙的安全，因此不考慮進行解脫；天然氣來自深海而非陸上，不考慮靠岸式的 FLNG 開發模式，而采用全海式開發方案。在確定以上幾點影響因素后，FLNG 總體布局方案的選擇就主要取決于外輸方式。不同處理規模的 FLNG，其運動性能會有所不同，再結合考慮所在海域的環境條件，即可判斷出旁靠是否可以滿足外輸作業天數的要求，如果不能，則需要考慮尾靠的方案。因此，對于環境條件相對溫和、FLNG 尺度較大，且旁靠可以滿足要求的，推薦旁靠方案。對環境條件惡劣的小型的 FLNG，建議采用尾靠方案。

旁靠方案的總體布局建議方案見圖 2。采用旁靠方案時，外輸系統位于船中，從船首到船尾依次布置了單點-火炬-預處理-液化-旁靠外輸裝置-電站/公用模塊-生活樓，整體的布置趨勢是從“危險”到“安全”。首部布置了單點、火炬等危險設施，首部到船尾依次按照油氣接收、預處理、液化、外輸的流程來排列；生活樓布置在尾部，公用系統、電氣房間等位于生活樓和危險區之間。這一布置方案中各模塊按照危險程度依次過渡排列，生活樓在尾部受風浪影響較小，目前國際上披露的環境條件較好地區的 FLNG 項目設計時大都采用此布置方案，如殼牌公司的 Prelude。

尾靠方案的總體布局建議方案見圖 3。采用尾靠方案時，外輸系統位于船尾，從船首到船尾生活樓-卸貨區-單點-電站/公用模塊-預處理-火炬-液化-尾靠外輸裝置，整體的布置趨勢是從“安全”到“危險”。生活樓布置在首部，由于風向標效應其舒適度略差于將其布置在尾部，但其處于上風向，安全性更佳；火炬遠離安全區域，布置于船中部，有效分隔了預處理區域和液化區域，同時中部更有利于減少泄放管系的長度。

5 結 語

我國南海天然氣資源豐富，而華南沿海地區的天然氣供給充足，在這樣的背景下，FLNG 裝置很可能會對我國南海氣田開發發揮重要作用，因此對 FLNG設計的關鍵技術也應該加以重點攻關。FLNG 上部模塊設計時，應遵守類似本文提出的總體布置原則，以滿足安全生產的要求和 LNG 相關裝置的需要；開展總體布置時應參考的規范包括 DNV 等船級社和國內石油行業的相關規范，且涉及的規范應包括總體、工藝、消防、安全等多個專業；在進行布局方案選擇時，應重點考慮系泊方式、外輸方式、解脫方式、工藝方案等 4 個因素以確定方案；對于南海典型 FLNG 總體布局方案，從船首到船尾采用旁靠時建議考慮“單點-火炬-預處理-液化-旁靠外輸裝置-電站/公用模塊-生活樓”的布局，采用尾靠時建議考慮“生活樓-卸貨區-單點-電站/公用模塊-預處理-火炬-液化-尾靠外輸裝置”的布局。以上經驗可以為今后開展 FLNG 的研究和設計工作提供參考。

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Research of FLNG topside general layout scheme in South China Sea

CHENG Bing1, XIE Bin1, GUO Peng-hao2, YAO Hai-yuan1, YU Xi-chong1, XU Min-hang1
(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China; 2. China National Offshore Oil Corporation, Beijing 100010, China)

Research on FLNG design technology should be strengthened due to its bright future in in South China Sea deepwater gas field development. Based on investigation and project experience, FLNG topside general layout principles and regulations are concluded, layout influence factors are studied, and suggestions on South China Sea FLNG layout are made. During FLNG topside design, principles of being safety, economy and reasonable should be accorded, regulations of general layout, process and safety of classification society and the business should be followed. Anchoring, offloading, disconnecting and process should be considered when selecting the general layout scheme. As far as South China Sea FLNG layout is concerned, from bow to aft, it’s suggested as single point -flare -pretreating -liquefaction -offloading-power/utility- living quarter for side-by-side offloading, and as living quarter- single point- power/utility- pretreating- flare- liquefaction- offloading for tandem offloading. The results can provide references for future FLNG design in South China Sea.

FLNG；topside；general layout scheme；design principle；South China Sea

PT51

A

1672 - 7619(2017)02 - 0075 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.015

2016 - 04 - 18；

2016 - 07 - 25

國家科技重大專項資助項目（2011ZX05026-06）

程兵(1983 - )，男，碩士，高級工程師，主要從事海上油氣集輸工藝研究。