56卷第2期（总第214期）中国造船V ol.56 No.2 （Serial No. 214）2015年6月SHIPBUILDING OF CHINA Jun. 2015
文章编号：1000-4882（2015）02-0081-06
FLNG总体设计关键技术研究
宋吉卫
（中国船舶及海洋工程设计研究院，上海200011）
摘要
阐述了集天然气预处理、液化、储存、外输为一体的新型海上浮式装置FLNG总体设计中的几项关键技术。提出控制船体运动性能的重要性，从主尺度选择、线型设计和典型配载工况等方面入手进行分析，确定250,000m3 FLNG船体主尺度，以确保上部生产系统高效率的正常作业。针对LNG货物围护系统，提出薄膜型（双排舱）和SPB独立舱型两种货物围护系统方案，并从上部模块支墩设置和隔离舱加热等方面对这两个方案进行比较。论述FLNG冷却海水供应系统的特点及其与常规海底门取水方法的不同之处，提出舷外海水提升泵取水的可行方案。 寡核苷酸探针
关键词：FLNG；船体运动；主尺度；货物围护系统；舷外取水方式
中图分类号：U674.38文献标识码：A
0 引言
FLNG（floating LNG production unit[1]，FLNG），也有称之为LNG FPSO（floating production storage and offloading），是集海上天然气的预处理、液化、储存、外输为一体的新型浮式装置，主要用于深远海气田的开发。LNG产品通过穿梭船被输送至陆上终端或近海的FSRU（floating storage and regasification unit）。
我国近海天然气资源丰富，总地质资源量约为5.9万亿m3，但分布分散，且其中相当一部分为深海气田、边际小气田和伴生气田。这些气田若全部采用传统的管道运输上岸的开发模式，将因施工困难或成本限制而无法投入开采。若采用FLNG技术，不仅有不占用陆上空间、远离人居住地、安全环保等优点，而且还可以在气田开采结束后二次使用，经济性能较高。它对促进我国深海气田和边际气田开发具有重要意义。
目前还没有实际的FLNG装置营运，但FLNG作为新兴的海上天然气田浮式生产装置已被众多能源机构和油气公司所关注，并进行了开发和研究。在将FLNG作为气田开发设施时，要考虑气田产能、作业海域环境条件、使用寿命、操作和经济性能等因素。其浮体形式主要有船型和圆筒形，目前已有4个建造中的工程项目选择船型作为浮体。本文将以船型浮体为研究对象，对FLNG总体设计关键技术进
行分析。
与FPSO相似，可将FLNG分为船舶系统、上部生产系统和系泊系统这三个组成部分[2]。船舶系统作为浮体，为上部生产系统提供足够的甲板布置空间，还设有货舱存储LNG、LPG和凝析油等产品，
收稿日期：2015-04-10；修改稿收稿日期：2015-06-04
基金项目：国家科技重大专项——大型FLNG/FLPG、FDPSO关键技术（2011ZX05026-006）
82 中国造船学术论文
以及配置确保FLNG正常运行的所有系统。上部生产系统的功能是实现从原料气到LNG、LPG和凝析油等产品的处理和生产。系泊系统则将FLNG定位于既定海域，使其能长期进行海上作业。
（1）LNG产能为240万t/a，LNG货舱容积为250,000m3；
本文研讨的FLNG装置基于如下设计条件：
（2）作业水深1500m；（3）生存海况条件中，有义波高为15.0m，谱峰周期15.1s，风速57.1m/s（3秒钟平均值），表层流速1.95m/s；（4）作业海况条件中，有义波高为6.2m，谱峰周期11.1s，风速21.3m/s （3秒钟平均值），表层流速1.05m/s [3]。
1 FLNG总体设计的关键技术
1.1选择合适的船体主尺度满足上部模块的作业要求
FLNG上部生产系统复杂，船体的运动幅值和加速度越大，其作业效率越低，甚至会导致无法正常工作。如天然气预处理工艺中的部分塔器较高，其作业效率和能耗与船体的运动性能相关。因此，必须合理控制FLNG作业工况时船体的横摇、纵摇和升沉等运动参数。船体的运动性能主要与环境条件以及船体的主尺度、线型、分舱和配载等相关。
环境条件是设计依据之一，也是水动力计算分析的输入数据，它对包括上部生产设施和系泊系统在内的整个FLNG装置的强度和稳性有着重大的影响。与目前正在建造中的Prolude等FLNG项目相比，本文的FLNG其作业海域的环境条件更为恶劣。主尺度要素是决定船体运动性能的最主要的因素。船体的主尺度不同，它对既定环境条件的运动响应也不同。即使是规模相似的船体，主尺度的选择空间也很大，可在长宽比和宽度吃水比合理范围内设计不同的船长、型宽和型深，从而船体的运动性能可能差别很大。目前，关于FLNG装置在作业海况条件下的运动性能水平，行业内尚无统一的要求或标准。由于选择的处理工艺不同，上部生产系统对船体运动响应的适应性存在着差异。根据上部生产系统的设计要求和能耗指标，要求本FLNG在作业海况条件和各种装载工况下船体横摇角不大于3°。充分考虑上部生产系统的布置、货舱的存储能力、单点舱、机舱和生活楼的设置以及稳性等方面的要求，
能够适合上述运动性能要求的FLNG船体主尺度要素如表1所示[4]。同时还应考虑船体线型对运动性能的影响。针对不同的首部形状，即方案1和方案2这两个线型（如图1所示），应用Hydrostar 软件进行了计算和比较。满载工况时两个线型的升沉幅值相差约2%，纵摇幅值相差约9%，显示方案2优于方案1。但压载工况下升沉和纵摇的运动幅值变化不大。最终首部线型采用方案2。在满载、压载和装载率为75%的部分装载等典型工况下的参数列于如表2，相应的运动性能计算结果列于表3。
表1 250,000m3 FLNG主要参数
项目数据
总长L oa/m ~340.0
型宽B/m 61.0
垂直母排
型深D/m 37.0
结构吃水T/m 18.5
LNG货舱容积/ m3~250,000
56卷 第 2 期 （总第214期） 宋吉卫，等：FLNG 总体设计关键技术研究 83
（a ）方案1 (b) 方案2
图1 首部线型轮廓
表2 FLNG 典型装载工况
项 目
www.dd13
压载工况 满载工况 75%装载工况 吃水/m
15.735 17.897 16.803 排水量/t
环氧树脂涂层281121 324391 302238 横摇固有周期/s
24.9 27.2 23.1 纵摇固有周期/s
11.2 11.4 11.2 升沉固有周期/s 11.7 12.0 11.9
表3 FLNG 典型装载工况的运动性能（单幅最大值）
项 目
压载工况 满载工况 75%装载工况 横摇/(°)
0.337 0.538 0.445 纵摇/(°)
1.813 1.745 1.746 升沉/m 1.255 1.214 1.233
1.2 选择安全可靠的LNG 货物围护系统
LNG 货物围护系统的主要作用是将超低温的LNG 与船体结构隔离和实现保温存储。目前在LNG 船上得到广泛应用的主要有独立舱型货物围护系统和薄膜型货物围护系统。对于FLNG 装置来讲，其LNG 舱的围护系统除须达到常规LNG 运输船的要求外，还应当具有如下一些特点：
（1）FLNG 装置需要平整、宽阔、大的甲板面积。 FLNG 的生产模块布置在货物区上部的模块甲板上，要求主甲板宽阔、平整，能为各种生产模块、管系、设备的摆放提供足够的空间，还要充分考虑每组模块支墩的数量、支撑位置、船体变形量与结构加强等[5]。因此，LNG 的围护系统舱要完全布置在主甲板以下。
（2）货舱装载率不受限制。FLNG 在作业过程中不断地将生产的LNG 注入货舱，并且每间隔一定的周期会有LNG 穿梭船将货舱中的LNG 驳运走。因此，只要上部生产设施不停止作业，货舱的液位将一直处于变化中。这样的存储特点与LNG 运输船的或满载或空载的营运方式完全不同。为此，要求FLNG 的LNG 货物围护系统在液位装载高度不受限制的工况下，能抵御恶劣海况条件下的液舱晃荡冲击载荷。
（3）坚实可靠的长寿命设计。FLNG 船体设计寿命一般不小于20年。货舱要持续承受装载与卸载交变载荷的作用，要重点考虑疲劳强度。因此，坚固的、可靠性高的货物围护系统是降低FLNG 停产风险的一个重要因素。
（4）易于检验和维护。FLNG
装置投产后不进坞，围护系统的检验和维护须在作业现场进行。一
84 中国造船学术论文
旦发生故障，可现场维修并尽快恢复使用。安全、易于操作的检验和维护以及最低的维修风险，这些是围护系统选型必须考虑的。
目前，对于LNG产能大于100万t/a的FLNG装置，能满足上述条件且技术成熟的货物围护系统主要有薄膜型围护系统和SPB （self-supporting prismatic shape IMO type B）独立舱型围护系统。为了使货舱液位装载高度不受限制并能降低围护系统受到的晃荡冲击载荷，薄膜型货舱采用双排舱设计。对本文的FLNG设计了NO96和SPB两种类型的围护系统舱方案，横剖面如图2所示。
（a）NO96围护系统（b）SPB围护系统
图2 NO96薄膜型和SPB型围护系统舱横剖面
如图2所示，NO96薄膜型货舱设有中纵双层隔离舱壁，而且设有双层横向隔离舱壁，船体总纵强度相对较好，在垂向弯矩和水平弯矩的联合作用下，整个船体的变形值不大。NO96薄膜型围护系统对船体内底板和内甲板的纵向弯曲应力值有一定的设计要求，因此，上甲板和外底板的剖面模数裕度较大，约为120%。NO96薄膜型货舱的中纵隔离舱壁可为上部模块支墩提供较好的支撑，每个模块可以设置8个支撑点，或者将模块左右分开，每个模块提供4个支撑点。SPB型货舱中间无纵舱壁，横舱壁采用单层板型式，船体总纵强度和横向强度偏弱。上甲板和外底板的剖面模数裕度约为108%，船体变形值较大，尤其是上甲板中间区域。上部模块仅考虑在靠近舷侧部位设置4个支撑点，每个支撑点处的载荷较大。这种设置形式使得上部模块的支撑点跨距较大，模块自身的设计强度要求较高。NO96薄膜型围护系统和SPB型围护系统两种方案的上部模块支撑如图3所示。
阶梯教室为了保证船体结构在低温条件下的安全性，根据温度场计算分析，对于NO96薄膜型围护系统方案需要在纵向隔离舱和横向隔离舱内设计有加热系统[6]，而SPB型围护系统方案则不需要。根据IGC 规则，在主屏壁破损的极端条件下，NO96薄膜型围护系统方案船体内壳部分区域的结构钢级可能会采用低温钢。
从设计和使用角度来讲，NO96薄膜型围护系统和SPB型围护系统这两种方案都满足FLNG的要求并各有优缺点。如果从建造成本和国内自主建造等方面考虑，NO96薄膜型围护系统具有明显的优势。
图3 上部模块支撑示意图
56卷第2 期（总第214期）宋吉卫，等：FLNG总体设计关键技术研究85
1.3设计合理的海水取用系统
海水冷却系统是FLNG正常生产不可或缺的组成部分。来自于自然界的海水是FLNG上所有系统和设备最主要的冷却介质。与常规远洋运输船和其它海工装置相比，FLNG的上部生产系统对冷却海水的需求量非常大，并且取水量与海水温度之间有一定的关系，在一定的范围内，取水越深，需求量越小。FLNG要连续作业15~20年甚至更长时间，而且不进坞维修，这样，常规海水门、通海阀及海水总管等
的水下检查和维修将难以实现。此外，在FLNG的生命周期内，由于工艺流程的改变或开采量增加等因素可能导致海水量大幅增加，传统的机舱或泵舱海水取用系统难以作相应调整，机舱内大量的管路、阀门附件以及空间大小等将成为取水系统升级的限制因素。常规的取水系统，包括海水门、通海阀、滤器、海水总管和海水支管等，将无法满足FLNG取水系统提出的大流量、低水温、简单可靠、维护方便、易于升级的特殊要求。
在设计的FLNG装置中采用海水提升泵系统来获取低温海水。海水提升泵系统由潜没式电动离心泵、舷侧立管、取水软管等组成。各台提升泵既可相互独立，又可相互关联，且互为备用，增加了系统的灵活性与可靠性。根据热平衡计算，上部生产系统所需冷却海水总量约为19080 m3/h（32°C时）。在该FLNG装置中设置6台舷侧安装的浸没式中压电动海水提升泵，单台泵的排量约为5000 m3/h，取水深度为100m，正常工作时四用二备[7]。取水系统布置如图4所示。
图4 取水系统
2 结语
diypda
FLNG是新兴的海上天然气田浮式生产装置，需要重点关注的技术问题很多。由于篇幅限制，本文针对FLNG的船体主尺度参数、货物围护系统和上部生产系统冷却海水的取水方式等几个方面进行分析，希望抛砖引玉，得到业内同行的共识。
随着我国“走向深蓝”国家战略的逐步实施，海洋深水油气田开发是必然的。FLNG是集天然气的预处理、液化、储存、外输为一体的海上重大装备，它不占用陆上空间，远离人居住地，安全环保而且经济性高，在保障国家能源安全、缓解资源和环境的瓶颈制约等方面具有重要的战略意义。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议