10 000 m3小型LNG FSRU總體設計分析

羅文忠，鄭 坤，李 萌，雷 坤

（1.中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司，天津 300452；2.天海融合防務裝備技術股份有限公司，上海 201612）

0 引言

近年，我國南海島礁開發不斷推進，三沙市的旅游開發也在不斷深入，但是南海生態環境脆弱，如何在環境保護的同時開發南海資源，降低人力活動對于南海環境的影響成為南海開發亟待解決的問題。

天然氣是當前公認的綠色能源，是解決當前城市大氣污染最為經濟有效的措施，在新興城市發展規劃中，LNG能源的布局和利用得到了充分的重視，并已逐漸取代傳統石化能源，在經濟發展中發揮重要作用。

LNG浮式儲存再氣化終端（FSRU）具有占地面積小、應用靈活等特點，在陸地面積受限的島礁應用，與傳統占地面積比較大的LNG接收站相比具有明顯優勢，全球已有超過30個FSRU項目投產，在東南亞、南亞等地具有廣闊市場。因此，根據三沙島礁的地理位置、島嶼分布狀態、碼頭條件、水文氣象、能源需求等情況，開發其適用的小型LNGFSRU，為三沙市及島礁規劃建設提供一種綠色環保的能源供應解決方案，具有重要意義[1－3]。

區別于大型LNG FSRU，小型LNG FSRU總體設計受成本控制、船體空間限制等方面因素的影響，在液貨艙選型、主尺度設計、主要設備選型等方面有其自有特點。

1 液貨艙選型及尺寸確定

對小型液化氣體運輸船或FSRU實船案例分析可知，其絕大部分采用C型獨立液貨艙。C型獨立液貨艙通常為球形或圓筒型壓力容器罐，其中圓筒型又可分為單圓筒型、雙圓筒型以及三葉型等。中小型LNG船通常采用單圓筒型液貨罐或者雙圓筒型液貨罐。

對比艙容10 000 m3以內的小型液化氣船，貨艙形式基本上采用單圓筒型，如表1所示，這是由于單圓筒液貨罐具有結構形式簡單、設計施工方便、節約材料、設備維護成本和造價較低的優點[4]。因此，本10 000 m3小型FSRU采用的貨艙形式為獨立C型單圓筒液貨罐。

表1 部分10 000 m3以內的小型液化氣體船C型液貨罐應用統計

從設計建造和成本方面考慮，2個貨罐的尺寸宜相同，因此確定每個罐的凈艙容為5 000 m3。

在艙容一定的情況下，當罐體為一個球體時其表面積是最小的，此時的貨罐半徑為最大，船舶的寬度也要增加，因此需要平衡各種因素，確定一個合適的罐體半徑[4－6]。

根據IGC CODE的相關要求，罐體距離船殼板的距離要在B/5范圍以內（B為船寬），距離船底板要在B/15范圍以內，否則按照假定破損計算的時候，罐體就需要參與破損進水，這種情況破損穩性很難滿足。因此船寬B至少要滿足如下關系：

式中：R為罐體的半徑。

貨艙區內殼的寬度b應該能保證罐體放置，并有一定的間隙空間，該預留空間要滿足IACS UI GC6的要求，本方案間隙取1 m，則：

船體貨艙區分為2個部分，貨罐和艙壁的間距考慮構件和通道的要求，則貨艙區的長度Lh要滿足如下關系：

式中：Lc為貨罐長度；lt為貨罐距內殼的距離。

罐頂上甲板高度H根據貨罐距離船底板距離和頂部距離ht可以確定，應考慮構件和通道的要求，則甲板的高度H至少要滿足如下關系：

采用球形封頭，單罐艙容5 000 m3，貨罐半徑與貨罐長度、表面積關系如圖1所示；貨罐半徑與船寬、凸型甲板高、貨艙區長度關系如圖2所示。

圖1 貨罐半徑與貨罐長度、表面積關系

圖2 貨罐半徑與船寬、凸型甲板高、貨艙區長度關系

對貨罐尺寸的確定，應該從如下方面考慮。

（1）FSRU的再氣化裝置，壓縮機室和貨罐匯管等需要布置在甲板面，因此，貨罐的半徑不易取得過小。根據調研，壓縮機室需不超過12.5 m×16.5 m的面積；本方案再氣化裝置的所需面積約26.6 m×7.0 m。

（2）罐體半徑不易過大，太大將導致甲板太高，視線受到阻擋，生活區前端光線不好，船舶的重心過高等不利結果。

綜合考慮上述因素，本方案的罐體半徑取6.7 m，罐體長度取40.4 m。

2 FSRU主尺度確定

罐體的尺寸確定以后，則船舶的寬度根據上面所述關系，取船寬為22.4 m。考慮貨罐絕緣和結構通道，貨艙區船體長度約86 m。

本船甲板面需要堆裝數個約12.19 m的LNG罐箱，這些罐箱按照堆碼1層布置，因此需要一定甲板面積，為了綜合利用首部空間，在首部系泊區域架設LNG罐箱平臺?？紤]四周走道和系固空間，首部區域長度約15.4 m。根據尾部生活區和系泊區域的布置要求，尾部區域長度約26.6 m，船長約128 m。

根據結構設計的標準肋骨間距s＝0.001 6×L＋0.5＝0.698 4 m，取肋距700 mm，最終全船取183檔肋位，船長確定為128.1 m。

考慮構件尺寸和結構通道，罐頂的甲板高度取16.5 m，根據甲板上的設備布置，從最小化鋼料重量的角度，本船貨艙區設置凸型甲板，高度即為16.5 m，凸型甲板的寬度為15.4 m。

船舶的型深主要根據性能和碼頭確定。根據分析，型深取8.2 m可以滿足各方面的要求。因此，船舶的主尺度如表2所示。

表2 10 000 m3FSRU主尺度

3 FSRU總布置特點

根據三沙島礁FSRU的使用場景，本船采用非動力駁船形式，凸型甲板。全船共設2個貨艙，貨艙區為雙舷側單底結構，并設有邊艙。每個貨艙內設置一個獨立C型LNG液貨艙。

主甲板以下由4道橫艙壁，將主船體分隔成5個水密分區，從首至尾主要分為首部空艙、貨艙、機艙3大區域。

貨艙區域設置凸型甲板，布置裝卸集管和輸氣集管、壓縮機室和再氣化設備，凸型甲板前面和駁船首部為罐箱堆裝區域，具體布置如圖3所示。

圖3 FSRU總體布置

4 FSRU主要性能要求

4.1 完整穩性

本船（包括船體、輪機、電氣及特殊設備等）按中國船級社（CCS）的現行規范和規則進行設計，根據CCS相關規范，FSRU的完整穩性按《海上浮式裝置入級規范》第三篇穩性要求校核。評估的工況：（1）空船工況；（2）進塢工況；（3）壓載工況，油水100%和10%；（4）滿載工況，油水100%和10%；（5）貨艙滿工況，油水100%和10%；（6）任一貨艙空工況，油水100%和10%。

4.2 破損穩性

根據規范，本船采用確定性破損評估破損穩性，假定在其船長范圍內的任何部位均能經受破損，但不包括船尾部的機器處所的后艙壁及前艙壁位置（即兩艙破損，機艙區域單獨破損）。

殘存要求：不對稱浸水引起的最大橫傾角應不超過25°，若甲板邊緣無浸沒，則為30°；復原力臂曲線在其超過平衡位置以外應有一個20°的最小范圍；此范圍內最大剩余復原力臂大于或等于0.1 m；此范圍內復原力臂曲線下的面積應大于或等于0.017 5 m·rad；最終水線應在任何風雨密開口的下緣之下。

同時，還需要考慮風速影響情況下的破損要求，具體如下。

（1）最大破損范圍：垂直范圍3 m；水平貫入1.5 m；垂直范圍為自底板向上無限制。

（2）殘存要求：在來自任何方向風速為25.8 m/s（50 kn）的風傾力矩作用下，最終水線應低于可能發生繼續浸水的任何開口的下緣。

4.3 系泊

本船采用纜繩系泊固定在碼頭，便于靈活調度或一旦發生強烈臺風時可以進行調離。本船共布置纜繩12根，沿船長方向對稱分布，其中首尾纜各2根，橫纜4根，倒纜4根[7－10]。

根據《海上浮式裝置入級規范》，系泊索的張力安全系數對于風暴自存工況，動力載荷安全系數取1.67。系泊索選取8股聚酰胺錦綸復絲纜繩（尼龍復絲），這種纜繩具有手感好、輕度高、伸長率大，對于紫外線、腐蝕、沖擊的耐性均較好等優點。

5 FSRU主要設備

本船采用獨立C型單圓液貨罐，設計溫度為－164℃，設計壓力約為0.35 MPa。貨物系統的設計允許在正常大氣壓下儲運LNG。

液貨罐中的LNG先通過LNG輸送泵送到甲板罐，然后通過LNG供液泵送到水/乙二醇循環水加熱器進行氣化后，變成常溫的天然氣，最后通過過濾計量撬塊并加臭后直接供給岸上用戶。LNG的蒸發氣（BOG）用作主發電機和雙燃料鍋爐的燃料。BOG壓縮機用燃氣壓縮機來升高蒸發氣壓力以達到主發電機和雙燃料鍋爐燃燒所需的壓力。在低艙壓情況下，燃氣由LNG燃料泵將液態天然氣輸送至蒸發器而產生。由于液貨在艙內會膨脹，因此必須遵守規范對充裝率的限制。

液貨系統與裝置設計應滿足IGC規則、IGF規則和船級社的最新要求，并參照SIGTTO和OCIMF等行業標準。

FSRU的另一個關鍵設備是氣化系統，其中氣化能力和氣化形式要根據實際需要進行選擇。根據三沙能源統計數據，當前三沙島礁的LNG能源需求約5 t/h，考慮到政府的長遠規劃及開發，未來島能源需求將會持續增長，要保證FSRU的未來也能滿足當地的能源需求，因此氣化能力按20 t/h設計。

氣化器主要有溫控式氣化器、空溫式氣化器、開架式氣化器、浸沒燃燒式氣化器和中間介質式氣化器等幾種類型，以水/乙二醇為中間介質的氣化器可以采用海水或蒸汽作為熱源，具有運行可靠性高、體積較小、綜合成本適中的特點，而且其他如開架式，溫控式和空溫式等類型的氣化器體積通常較大，對于小型FSRU而言，布置較為困難，不合適[11－12]。

因此，本FSRU采用以水/乙二醇為中間介質的氣化器，主要由下列設備及附件組成：（1）3個水/乙二醇循環水氣化器，兩用一備，氣化能力20 t/h；（2）1個甲板罐；（3）6個LNG供液泵，四用兩備；（4）1個循環水增壓氣化器；（5）1個輸出氣體穩壓罐；（6）1個輸出氣體處理撬塊（包括過濾、計量、加臭等）。

另外，本FSRU設有LNG罐式集裝箱充裝設施。LNG罐式集裝箱作為LNG相對靈活的分銷載體，如果其他島礁設有小型加氣站或者發電站，可以采用轉運船舶將LNG罐式集裝箱運輸過去，實現對外加注業務空間上的無限制拓展，相當于在FSRU與其他島礁之間架設了一條虛擬的LNG運輸管道，加強了FSRU的對外供給能力。

6 結束語

本文針對適用于島礁的10 000 m3小型LNG FSRU總體設計進行分析，包括液貨艙尺度確定、主尺度確定、總布置特點、主要性能要求、主要設備等方面，形成設計要點如下，可為相似船型設計提供有效參考。

（1）小型LNG FSRU的液貨罐布置和類型與常規LNG運輸船類似，需重點考慮貨艙容積、布置特點以及對船舶主尺度的影響。

（2）船舶主尺度首先受到貨罐的尺寸影響，應該考慮布置需求、碼頭系泊、艙容限制、建造預算等方面因素綜合論證。

（3）FSRU的性能要求需符合《海上浮式裝置入級規范》，相對IGC CODE更為嚴格。

（4）LNG再氣化系統應該根據需求確定經濟可行的氣化能力和氣化器形式。