FLNG液貨處理系統(tǒng)初步研究

吳軍 王繼鳴 邵孟飛 方鈺奇

摘 要：FLNG是LNG海上產(chǎn)業(yè)鏈中重要一環(huán)，開(kāi)展該類研發(fā)可完善我國(guó)在LNG海上產(chǎn)業(yè)鏈重大裝備方面的自主設(shè)計(jì)及建造能力，對(duì)未來(lái)海上油氣能源深度開(kāi)發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義。本文以小型FLNG船為切入點(diǎn)，對(duì)小型FLNG船的液貨系統(tǒng)進(jìn)行初步研究，旨在提升我國(guó)FLNG自主設(shè)計(jì)和建造能力，提高LNG領(lǐng)域全產(chǎn)業(yè)鏈領(lǐng)域的技術(shù)能力。

關(guān)鍵詞：FLNG;液貨處理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U491? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）12-0060-03

FLNG具有高技術(shù)含量、高經(jīng)濟(jì)附加值、高建造難度等特點(diǎn)。液貨處理系統(tǒng)的研究是FLNG設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的一環(huán)。

1液貨處理系統(tǒng)組成

液貨處理系統(tǒng)可分為功用系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。液貨輸送系統(tǒng)用于將產(chǎn)品輸送到貨艙存儲(chǔ)或外輸至卸貨模塊。卸載系統(tǒng)將儲(chǔ)存的LNG輸送到穿梭LNG船。氮?dú)庀到y(tǒng)為FLNG的火炬系統(tǒng)、液貨設(shè)備及管路、液貨圍護(hù)系統(tǒng)等提供吹掃氣和密封氣。惰氣系統(tǒng)是為了降低艙內(nèi)和管路內(nèi)氣體中的含氧量，以避免可燃?xì)怏w發(fā)生爆炸的可能。蒸汽加熱系統(tǒng)主要以乙二醇水溶液為熱媒，保護(hù)貨艙周圍鋼結(jié)構(gòu)不受低溫影響。

2 LNG和LPG液貨操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1液貨輸送系統(tǒng)及揮發(fā)氣處理

2.1.1液貨系統(tǒng)操作工況

液貨系統(tǒng)操作工況與LNG運(yùn)輸船類似，為了安全生產(chǎn)與操作，主要分為船舶試航或檢修保養(yǎng)時(shí)貨艙的干燥、惰化、氣體置換、冷卻、裝載、貨艙間貨品的駁運(yùn)、液貨卸貨和進(jìn)塢前的掃艙、暖艙，惰化和通風(fēng)。相較于LNG運(yùn)輸船的使用維護(hù)工況，F(xiàn)LNG最大的不同點(diǎn)在于其船只是無(wú)自航能力，在海況惡劣時(shí)需要圍繞單點(diǎn)系泊系統(tǒng)調(diào)整船艏方向。同時(shí)運(yùn)行時(shí)考慮成本因素，上部模塊很少停車，故此大多數(shù)卸貨時(shí)，仍有產(chǎn)品從上部模塊排入貨艙。這些工況都對(duì)輸送管路、貨艙及相關(guān)設(shè)備提出了更高的要求。

2.1.2船體貨艙布置

FLNG液貨操作系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品的不同分為兩類，LNG液貨操作系統(tǒng)與LPG液貨操作系統(tǒng)。其中LNG液貨操作系統(tǒng)與LNG運(yùn)輸船的液貨操作系統(tǒng)類似。為擴(kuò)大銷售渠道，故將LPG中的兩大主要組分丙烷和丁烷分開(kāi)儲(chǔ)存。同時(shí)丙烷和丁烷的基礎(chǔ)物性不同，兩者的維護(hù)條件也有所不同，保證所有產(chǎn)品均以液態(tài)形式保存在薄膜艙中。LPG作為FLNG上部模塊生產(chǎn)的副產(chǎn)品，產(chǎn)量不是很大，且丙烷摩爾質(zhì)量小于丁烷。將丙烷與丁烷艙先后放置于船艏部。考慮到FLNG為無(wú)動(dòng)力裝置型船舶，為保證作業(yè)時(shí)船只穩(wěn)定，減少晃動(dòng)對(duì)液貨艙內(nèi)貨物的影響，F(xiàn)LNG所有液貨系統(tǒng)的貨艙均采用雙排并列布置設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）。

2.1.3液貨輸送及揮發(fā)氣處理系統(tǒng)

從海底采集上來(lái)的天然氣經(jīng)過(guò)脫酸、脫水、脫汞及分餾等處理后，從上部模塊經(jīng)液貨總管排入相應(yīng)貨艙之中儲(chǔ)存。卸貨泵位于貨艙底部，負(fù)責(zé)將液貨產(chǎn)品從艙底泵出，經(jīng)卸貨總管流向卸貨區(qū)。同時(shí)設(shè)置噴淋泵，通過(guò)噴淋總管負(fù)責(zé)對(duì)貨艙和液貨管進(jìn)行冷卻等操作。氣體穹頂上連接揮發(fā)氣總管，負(fù)責(zé)將揮發(fā)氣輸送至上部模塊中的公用模塊，作為發(fā)電設(shè)備的燃料氣。在氣穹上設(shè)置艙壓應(yīng)急處理部分，如遇揮發(fā)氣量太大，艙壓過(guò)高，可以通過(guò)應(yīng)急處理系統(tǒng)輸送天然氣至船艏部的火炬塔，將其燃燒消耗。總管部分設(shè)置上部維護(hù)總管與下部維護(hù)總管，以及連接各艙氣液穹作為設(shè)備維護(hù)處理使用時(shí)的備用總管。

FLNG裝置的揮發(fā)氣（BOG）主要來(lái)源于LNG船艙受熱和LNG裝載時(shí)產(chǎn)生的揮發(fā)氣。BOG的處理主要是及時(shí)排出BOG，維持和控制LNG液艙處于合適壓力。產(chǎn)生的BOG處理方式有兩種，經(jīng)過(guò)壓縮到液化系統(tǒng)再液化，或送到燃料系統(tǒng)，作為FLNG裝置的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)的燃料。

2.2液貨卸載技術(shù)

船對(duì)船輸送系統(tǒng)（FLNG ship to ship transfer system）是保證LNG貨物在FLNG與LNG船之間安全駁運(yùn)的一種液貨輸送系統(tǒng)，通常需要滿足OCIMF、EN1473-3、SIGTTO等相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)要求。同常規(guī)LNG船不同，F(xiàn)LNG作業(yè)一直在海上進(jìn)行，F(xiàn)LNG必須將生產(chǎn)的LNG及時(shí)輸出以維持正常運(yùn)行。

目前FLNG外輸方式主要有兩類，分別為剛性裝載臂式和柔性軟管式（見(jiàn)圖3）[4]。兩種方式都經(jīng)過(guò)多個(gè)實(shí)際項(xiàng)目的檢驗(yàn)，具備可靠性。

3 LNG和LPG液貨輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 FLNG氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)用于液貨艙主絕緣層和次絕緣的保壓、液貨系統(tǒng)壓縮機(jī)的密封、液貨管和透氣桅的吹洗、到鍋爐的揮發(fā)氣供給管路的吹洗和液貨裝卸集管的連接前后的吹洗。

氮?dú)庀到y(tǒng)包含兩套完全相同的制氮設(shè)備，互為備用。制氮用的空氣來(lái)自日用空氣和儀表空氣系統(tǒng)，制出的氮?dú)鈨?chǔ)存于儲(chǔ)存柜內(nèi)。氮?dú)夤苈酚啥房偣芙M成，一路是供給絕緣層，另一路吹洗用。

3.2 FLNG惰氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FLNG船上的惰氣系統(tǒng)主要目的是用于惰化貨艙和管系，驅(qū)氣和清掃管路。置換出的氣體通過(guò)揮發(fā)氣總管到火炬塔;應(yīng)急操作時(shí)，可為管弄、隔離空艙、壓載艙提供干空氣通風(fēng)。惰氣系統(tǒng)一般由以下單元組成：風(fēng)機(jī)，燃油供給單元，燃燒室，帶海水冷卻洗滌塔，惰氣冷卻單元，惰氣干燥，監(jiān)測(cè)氧氣含量與露點(diǎn)的控制單元等。

3.3 FLNG加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)條件是，空氣溫度-18℃、海水溫度為0℃時(shí)，并在考慮到單艙主絕緣層泄露，能將貨艙壁溫度維持在5℃以上。蒸汽加熱系統(tǒng)使用乙二醇水混合物（45%比率）為換熱介質(zhì)，乙二醇水凝固點(diǎn)低于-30℃。

乙二醇系統(tǒng)有主用和備用兩套管路。

4 液貨系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備選型

FLNG裝置液貨操作系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中，除常規(guī)工藝設(shè)備外，還涉及大型壓縮機(jī)、換熱器、泵等復(fù)雜設(shè)備的選型問(wèn)題。

4.1換熱器的選型

天然氣的液化和處理過(guò)程常使用熱交換器，主要產(chǎn)品為管殼式換熱器和繞管式換熱器等。管殼式換熱器由于結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，在低溫流程中應(yīng)用也很廣。這兩種換熱器均可用于液化天然氣的處理，管殼式換熱器更加適用于小型FLNG船舶，具有更高的效率。相比較而言，繞管式換熱器更加結(jié)實(shí)耐用，但其費(fèi)用較高，且占地面積大，適用于大型FLNG船舶。

4.2壓縮機(jī)的選型

壓縮機(jī)主要作用是對(duì)氣體增壓以便對(duì)其輸送。主要形式有離心式壓縮機(jī)、往復(fù)式壓縮機(jī)、旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)和螺桿式壓縮機(jī)。電子設(shè)施和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)可根據(jù)設(shè)備布置環(huán)境選擇防爆式或常規(guī)式。輸送深冷氣體的壓縮機(jī)，還應(yīng)考慮低溫對(duì)壓縮機(jī)構(gòu)件材料的影響。另外，如果壓縮機(jī)進(jìn)氣溫度很低，潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能會(huì)受到影響，此時(shí)應(yīng)選擇無(wú)油潤(rùn)滑的壓縮機(jī)或多級(jí)壓縮機(jī)。

4.3泵的選型

每個(gè)液貨艙一般都會(huì)配兩個(gè)液貨泵、一個(gè)掃艙噴淋泵以及一個(gè)應(yīng)急泵。三類泵的示意圖見(jiàn)圖4

泵的型選應(yīng)遵循以下原則：①使所選泵的形式和性能應(yīng)符合裝置流量、揚(yáng)程、壓力、溫度等工藝參數(shù)的要求;②應(yīng)滿足工質(zhì)特性的要求;③機(jī)械方面可靠性高;④經(jīng)濟(jì)上要綜合考慮到設(shè)備費(fèi)用、運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)、維修費(fèi)和管理費(fèi)的總成本最低。

5 結(jié)語(yǔ)

全世界對(duì)LNG的需求量正不斷逐年走高，國(guó)外各大能源企業(yè)與造船企業(yè)紛紛聯(lián)合，投入對(duì)海上浮式LNG儲(chǔ)存裝置的研發(fā)與更新。相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)FLNG方面的研究起步較晚。對(duì)FLNG液貨系統(tǒng)的研究有助于強(qiáng)化我國(guó)的能源戰(zhàn)略，提高我國(guó)造船水平，打破國(guó)外對(duì)我們的技術(shù)壟斷，對(duì)其研究分析將大步推進(jìn)我國(guó)FLNG船舶的國(guó)產(chǎn)自主化進(jìn)程。

參考文獻(xiàn)：

[1] 液化天然氣浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置研究進(jìn)展[J]，馬華偉，劉春楊，徐志誠(chéng).

[2] FLNG液化工藝的關(guān)鍵技術(shù)[J]，李玉星，朱建魯，王武昌.

[3] 浮式液化天然氣液化工藝綜述[J]，王春節(jié)，魏林瑞，張磊.

[4] 浮式液化天然氣技術(shù)綜述 [J]，夏丹，鄭云萍，李劍鋒.