謝 彬 喻西崇 韓旭亮 李 焱

(中海油研究總院 北京 100028)

FLNG研究現狀及在中國南海深遠海氣田開發(fā)中的應用前景*

謝 彬 喻西崇 韓旭亮 李 焱

(中海油研究總院 北京 100028)

謝彬,喻西崇,韓旭亮，等.FLNG研究現狀及在中國南海深遠海氣田開發(fā)中的應用前景[J].中國海上油氣，2017,29(2)：127-134.

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大型浮式液化天然氣生產裝置FLNG是一種用于深水氣田的新型開發(fā)模式。本文詳細闡述了FLNG應用背景及其國內外研究現狀，深入剖析了FLNG裝置的相關技術特點及所涉及的關鍵技術，分析了中國南海深遠海氣田開發(fā)過程中FLNG裝置的應用前景。研究結果對我國FLNG研究具有指導意義。研究結論認為，只有形成FLNG關鍵技術和設備的本土化，形成不同規(guī)模FLNG裝置系列化設計能力，打破國外關鍵技術和設備的專利壟斷，帶動國內深水工程技術和設備產業(yè)發(fā)展，才能實現FLNG裝置在中國南海深遠海氣田開發(fā)中的實際工程應用。

FLNG；深水氣田開發(fā)；發(fā)展現狀；關鍵技術；中國南海；應用前景

我國南海海域面積約350×104km2，水深大于300 m的海域占75%。南海海域蘊藏著豐富的油氣資源，且以氣為主，天然氣資源占整個南海海域油氣資源的83%，其中70%的天然氣資源蘊藏于深水區(qū)域，開發(fā)利用迫在眉睫。對南海深遠海氣田開發(fā)而言，離岸距離遠，缺乏海底管網，周邊海域沒有可依托開發(fā)設施，如果采用傳統(tǒng)的開發(fā)模式“深水浮式平臺+長距離海底管道”或者“水下生產系統(tǒng)+長距離海底管道”，投資成本昂貴，經濟性差，且流動安全無法保障，技術實施風險大、難度高。因此，未來我國的大型南海深遠海氣田開發(fā)方案急需一套技術可行、經濟有效的工程方案[1-3]。

近年國際上深遠海氣田的一個主要研究方向是發(fā)展浮式液化天然氣生產裝置(FLNG)?？疾霧LNG裝置的目標作業(yè)海域，目前主要是集中于印度洋與太平洋之間的海域，尤其以西澳大利亞海域為最熱點，這主要與在西澳大利亞海域發(fā)現了較大型氣田有關。我國南海天然氣資源豐富而且分散，廣泛分布于珠江口盆地、鶯歌海盆地、瓊東南盆地，且其中相當一部分為深海天然氣資源。采用FLNG技術，可以根據海上天然氣田的實際情況靈活配置FLNG，在海上液化天然氣，再運至目的地[4-5]，這對促進我國南海海域深海氣田開發(fā)，充分利用我國油氣資源具有重要意義。同時，我國工業(yè)和信息化部在2015年10月正式發(fā)布的《中國制造2025》十大重點領域的技術線路圖中也明確提出了將FLNG等新型海洋油氣資源開發(fā)裝備等列為重點產品。

本文闡述了FLNG的應用背景及國內外研究現狀，剖析了FLNG裝置所涉及的關鍵技術，并分析了未來南海深遠海氣田開發(fā)過程中FLNG的應用前景。

1 國內外FLNG發(fā)展現狀

隨著天然氣資源需求增長和相關應用技術逐步成熟，FLNG概念的工程化已被眾多能源公司所接受，已經從概念走向現實。目前，世界上尚無正式投入運營的FLNG項目，無可借鑒的經驗，已有多家船廠能夠設計建造FLNG裝置，但圍繞設計和建造FLNG，還有諸多技術需要眾多研發(fā)聯盟進一步研究。表1為目前國內外FLNG項目建設情況。

2011年5月荷蘭Shell公司與三星重工及Technip公司簽訂了全球第一艘FLNG建造合同，該Prelude FLNG年產360×104t LNG、130×104t LPG和40×104t 凝析油；作業(yè)水深約250 m，船長488 m，型寬74 m，型深100 m，排水量約60×104t；LNG和LPG貨艙圍護系統(tǒng)采用GTT公司的MARK Ⅲ薄膜型，通過內轉塔單點系泊系統(tǒng)定位于澳大利亞西北天然氣田，預計2017年投產。在Prelude FLNG走向工程實施不久，馬來西亞國家石油公司與法國Technip和大宇造船簽訂了PFLNG1建造合同，該裝置年產120×104t LNG；作業(yè)水深約80 m，船長364 m，型寬60 m，型深33 m；貨艙圍護系統(tǒng)采用GTT公司的No.96薄膜型，通過外轉塔單點系泊系統(tǒng)定位于馬來西亞沙撈越海域Kanowit氣田。2015年6月，馬來西亞國家石油公司又與三星重工簽訂了PFLNG2建造合同，計劃于2018年用于其Rotan氣田作業(yè)?？梢钥闯?，FLNG船的設計和建造處于迅猛發(fā)展的階段，具有廣闊的市場前景，而韓國造船各大企業(yè)在FLNG新建市場的建造能力均明顯處于國際領先地位。與此同時，國內南通惠生重工也正在為比利時船東Exmar建造年產50×104t駁船型的FLNG，該Carribean FLNG預計將成為全球首艘投入運營的FLNG生產裝置，將安置于哥倫比亞加勒比海岸，但由于目前能源市場表現不佳，該項目投產時間延遲；中國海洋石油總公司中海油研究總院牽頭與多家科研院所及高校合作，以中國南海某深水大型氣田為目標，從“十一五”到“十二五”期間率先對FLNG關鍵技術開展了系統(tǒng)研究，研究開發(fā)了具有自主知識產權的船型方案和液化新工藝，為中國南海深遠海氣田開發(fā)提供了新型的工程應用模式，引領和推動了國內FLNG技術的發(fā)展和進步，這對我國南海海域深海天然氣資源開發(fā)具有重要的意義。

表1 目前國內外FLNG項目建設情況Table 1 The current situation of domestic and foreign FLNG project summary

*EPCI(Engineering Procurement Construction Installation)表示總承包工程；**FEED(Front End Engineering and Design)表示前端工程設計(基本設計)；***Pre-FEED表示概念設計。

2 FLNG生產裝置關鍵技術

2.1 LNG液貨儲存技術

LNG液貨儲存系統(tǒng)的主要作用是將超低溫的LNG與船體結構隔離并實現保冷存儲的作用，通過絕熱材料保持所裝載的LNG貨物處于液態(tài)，避免并保護船體結構直接承受低溫貨物的影響。目前，世界范圍內LNG液貨儲存圍護系統(tǒng)的主要型式為：SPB棱柱型液艙、MOSS獨立球型液艙和GTT薄膜型液艙，LNG船不同圍護系統(tǒng)優(yōu)缺點如表2所示。FLNG裝置圍護系統(tǒng)除了要達到常規(guī)LNG運輸船的要求外，還應當具有以下特點：① FLNG裝置要求場地平整、寬闊，有大的甲板面積布置生產模塊、管系、設備等；②貨艙裝載率不受工況限制；③堅實可靠的長壽命設計，降低停產風險；④易于作業(yè)現場進行檢驗和維護。目前，對于LNG產能大于100×104t/a的FLNG裝置，滿足上述條件且技術成熟的貨物圍護系統(tǒng)主要有GTT薄膜型液艙和SPB棱柱型液艙[6]。不同于LNG運輸船，大型FLNG裝置不能自航，長期停泊在固定海域，無法避免惡劣海況作用，連續(xù)生產作業(yè)時內部液艙會經歷各種裝載情況，無法按照LNG運輸船的指導規(guī)定使艙內液體低于10%或者高于70%，FLNG裝置更容易發(fā)生液艙晃蕩，晃蕩沖擊載荷更大，容易對液艙造成破壞[7-12]?？梢姡贺泝Υ婕夹g是保障FLNG裝置正常安全生產運行的重要關鍵問題。

表2 LNG船不同圍護系統(tǒng)優(yōu)缺點[5-6]

Table 2 The advantages and disadvantages of LNG cargo system

2.2 LNG外輸裝卸技術

外輸裝卸為FLNG裝置技術鏈的最為關鍵的環(huán)節(jié)。在開闊海域進行2艘船之間的液化天然氣傳輸作業(yè)會面臨很大的挑戰(zhàn)，特別是在中國南海惡劣的海況條件下，作業(yè)將變得更加困難。通常情況下，FLNG裝置與LNG運輸船采用尾靠外輸或者旁靠外輸進行裝卸[13-18]。表3給出了FLNG裝置旁靠外輸和尾靠外輸的優(yōu)缺點，從表中可以看出，在尾靠外輸中，LNG運輸船的首部通過系船纜與FLNG裝置的尾部相連，液化天然氣通過低溫外輸軟管卸載至LNG運輸船，外輸系統(tǒng)布局緊湊，適用于小型FLNG船，對作業(yè)環(huán)境條件(一般要求Hs<5.5 m)適應性高，但是該技術尚不成熟，雖然Technip研制的低溫外輸軟管已經完成原型試驗，但尚未有工程應用。而在旁靠外輸中，LNG運輸船與FLNG裝置采用并排方式排列，兩船通過系船纜和防碰墊相連，旁靠外輸系統(tǒng)安裝于FLNG船中區(qū)域，液化天然氣通過卸載臂卸載至LNG運輸船，適用于中、大型FLNG裝置。由于在旁靠作業(yè)中，FLNG裝置與LNG運輸船距離較近，兩船之間的水動力干擾較大，對作業(yè)環(huán)境條件(一般要求Hs<2.5 m)要求較高。

表3 FLNG裝置旁靠外輸和尾靠外輸的優(yōu)缺點

Table 3 The advantages and disadvantages of near transmission and sterm transmission of the FLNG

2.3 系泊系統(tǒng)技術

FLNG裝置船體大，上部設施高，受環(huán)境載荷影響大，因此，對FLNG定位提出了更高的要求。FLNG的系泊方案與FPSO無本質差異，系泊鏈纜規(guī)格等級高。系泊方式主要包括內轉塔單點系泊系統(tǒng)和外轉塔單點系泊系統(tǒng)[19-20]。在單點系泊系統(tǒng)的約束下，FLNG可以實現在風、浪、流、內波等海洋環(huán)境的風向標效應，用最佳的首向來抵御環(huán)境的作用，減小錨纜的負荷和FLNG的偏移。表4給出了FLNG裝置內轉塔和外轉塔單點系泊系統(tǒng)的優(yōu)缺點，從表中可以看出，內轉塔單點系泊系統(tǒng)布置在FLNG裝置首部的船體內，通過若干對稱或不對稱的錨鏈或者組合纜，將FLNG裝置系泊定位于指定位置，錨端采用大抓力錨、錨樁或吸力錨固定于海底，海底到水面之間的管線、電纜、控制管線等采用柔性連接，再通過旋轉機構與FLNG連接。外轉塔單點系泊系統(tǒng)與內轉塔單點系泊系統(tǒng)最大的區(qū)別在于，將單點系泊系統(tǒng)設置在FLNG裝置首部的船體前方，該系統(tǒng)不占用船體空間，船體內的施工改造工作量小，建造上有一定的優(yōu)越性，由于該系統(tǒng)的系泊點設置于FLNG外部，FLNG首部運動激烈，而產生錨纜負荷比較大；對柔性立管將產生不利影響。惡劣海況環(huán)境的上浪問題也是該系統(tǒng)的主要影響因素，因此，外轉塔單點系泊系統(tǒng)常用于舊油輪改造或者環(huán)境條件溫和的海域。綜合考慮中國南海惡劣環(huán)境海況因素，以及內轉塔操作經驗豐富、便于維護等技術優(yōu)點，優(yōu)先采用內轉塔單點系泊系統(tǒng)進行FLNG裝置的系泊定位。

表4 FLNG裝置內轉塔和外轉塔單點系泊系統(tǒng)的優(yōu)缺點

Table 4 The advantages and disadvantages of the internal and external turret mooring system for FLNG system

2.4 天然氣液化工藝技術及其關鍵設備

FLNG裝置需要將水下生產系統(tǒng)收集來的天然氣進行預處理，并達到液化前原料氣的凈化指標，然而在深海氣田的LNG生產面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)[21-22]。海上液化工藝所處的環(huán)境特殊性，使得液化工藝選擇和工藝設備海上適應性成為制約FLNG實施的關鍵技術。浮式液化工藝具有更高的海上標準，需要考慮安全性、占地空間、晃動敏感程度、原料氣變化的適應能力、是否易于開停車、可靠性、能量效率以及工藝和設備的成熟度等。通過對不同規(guī)模的目標氣田的分析研究，初步篩選出適合于目標氣田FLNG裝置的3種浮式液化工藝：丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝[23]、混合冷劑預冷雙氮膨脹液化工藝和二氧化碳預冷雙氮膨脹液化工藝，并針對液化工藝技術對預處理單元的重烴回收工藝進行了優(yōu)化改進，最終提出了適合目標氣田的丙烷預冷雙氮膨脹液化工藝。該液化工藝將預處理單元與液化單元相結合，充分利用預處理單元的冷量，降低了整個系統(tǒng)的能耗和設備投資成本，實現了海上丙烷冷劑的制備，并加設壓縮機保障液化處理系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定性。為了實現浮式FLNG液化工藝的高效穩(wěn)定運行，需要對該液化工藝的動態(tài)適應性進行進一步的研究。在“十一五”期間基于該液化工藝建成了我國首套2 000 Nm3/d小型液化裝置，通過靜態(tài)工況實驗與晃蕩平臺的動態(tài)實驗[24]，對液化工藝的海上適應性和高效性進行驗證。在“十二五”期間，基于該液化工藝建成了處理量為20 000 Nm3/d的液化工藝中試實驗基地[25]，為FLNG液化工藝的工業(yè)化應用提供了全面詳細的實驗數據。在此實驗的基礎上，通過能耗、液化率、操作靈活性、海上適應性等方面對該液化工藝進行綜合性評價，從而為不同規(guī)模氣田的液化工藝優(yōu)選提供一種有效的評價方法。

液化工藝設備需要具備高效、緊湊的特性，預處理單元和液化工藝單元的布置是決定設備數量和空間要求的重要內容，而在海上晃動環(huán)境下關鍵設備的運行和性能會受到不同程度的影響[26]，甚至會造成停產等事故，引發(fā)安全問題[27]。目前，有關FLNG關鍵設備涉及到海上晃動環(huán)境影響的深層次研究極為匱乏，而這些設備能否正常、高效的運行，是決定FLNG船能否在深海環(huán)境正常投產運行的關鍵因素。表5給出了運動對關鍵設備的影響和應對措施。針對核心設備中存在氣液兩相流導致設備效率下降的問題，進行了核心設備的結構改進，對板翅式換熱器氣液兩相流適應性不強的問題采取了二次封頭[28]和氣液分配器[29-30]的措施，通過加強換熱器入口結構的氣液分配均勻性解決板翅式換熱器的換熱穩(wěn)定性；通過對繞管式換熱器中均流器的設計改造可以實現橫搖5°～10°的抗晃動能力，保證FLNG設備的正常有效運行；對于浮動塔器則推薦采用填料塔抵抗晃動對流場分布的影響，并控制塔器高徑比，改進液體分布器結構保證塔器的傳熱傳質效率，盡可能減少塔器高度，減小晃動的影響；減少再生熱負荷，實現冷劑壓縮機組燃氣透平余熱平衡[26]。浮式氣液分離器推薦采用良好分配性能的臥式分離器，并通過加設均布式擋板提高分離器的分離穩(wěn)定性。

表5 運動對關鍵設備的影響和應對措施Table 5 The effects of motion on the key equipment and measures

2.5 風險評估技術

FLNG裝置上部處理模塊工藝流程復雜，壓力容器、壓力管道等承壓設備較多，流經各設備通道的介質是液化天然氣、液化石油氣等易燃易爆物質，海上作業(yè)的特殊環(huán)境要求裝置的液化工藝設備布置相對緊湊，一旦設備發(fā)生故障導致介質泄漏，很可能引發(fā)火災、爆炸和中毒等事故，這不僅影響生產、破壞環(huán)境，甚至會造成人員傷亡。相對常規(guī)的浮式生產設施，FLNG的風險分析與評估有諸多不同，要求更為苛刻，主要包括對泄漏風險、低溫風險、上部工藝模塊火災爆炸風險、外輸系統(tǒng)風險等方面的后果分析[31-34]。在諸多風險辨識方法中，許多都要求辨識者對評估系統(tǒng)有較深刻的認識，但是對FLNG裝置而言，由于其前沿性而缺乏相關經驗與資料，為了避免認識不充分造成的辨識效果不佳，同時實現風險辨識的全面性，可選用基于作業(yè)的風險辨識方法WBS-RBS(Work Breakdown Structure-Risk Breakdown Structure)[35]，用來彌補經驗不足的缺點;同時，為了解決風險事件的分析程度問題，可選用成熟的AHP(Aanlytic Hierarchy Process)分析方法[36]。有必要建立全新的風險評估體系，辨識出FLNG裝置潛在的風險源，分析可能發(fā)生的風險事件及后果等級，并據此制定出完善的分析控制方案，才能更好地預防和控制，趨利避害，變被動為主動。

3 FLNG在中國南海深遠海氣田開發(fā)中的應用前景

走向深水是世界石油工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是我國能源可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。隨著中國南海海域荔灣3-1深水氣田的成功投產以及陵水17-2區(qū)域1 000×108m3儲量深水氣田的重大發(fā)現，拉開了中國南海海域深水氣田開發(fā)的序幕。如何經濟有效地開發(fā)中國南海豐富的天然氣資源已經逐漸成為海洋深水油氣開發(fā)的主題。中國南海深遠海氣田由于離岸距離遠，缺乏海底管網，周邊無依托設施，如果采用管線輸送的傳統(tǒng)開發(fā)模式，勢必會帶來高投資、高風險、高難度的問題，還面臨下游對天然氣需求市場的限制，因此，中國南海深水氣田開發(fā)迫切需要研究應用FLNG開發(fā)模式。

從國內外FLNG裝置發(fā)展現狀可以看出，隨著FLNG裝置研發(fā)與設計技術的不斷發(fā)展完善，2020年左右，世界上會有越來越多的海上氣田采用FLNG裝置進行全海式開發(fā)。國內FLNG裝置的技術研究起步較晚，關鍵技術研究和工程方案研究進展較快，技術研究和工程方案研究近乎同步，但FLNG裝置要真正在中國南海進行工程應用還會面臨諸多挑戰(zhàn)。

首先，中國南海海域環(huán)境條件相比國外在建FLNG裝置的工作海域(西澳大利亞或者東南亞)更加惡劣，且環(huán)境條件主方向不明顯，這樣就對FLNG裝置的船型設計、液化工藝設計、液艙設計、液化工藝設備、系泊定位能力等方面的要求更高；其次，中國南海海域環(huán)境條件惡劣，臺風頻繁發(fā)生，平均每年臺風發(fā)生次數約為5～7次，臺風期間的作業(yè)模式選擇對FLNG裝置的應用提出了極大的挑戰(zhàn)，在臺風期間對FLNG裝置是否解脫作業(yè)、人員是否撤離等方面，有待進一步探究；再次，FLNG裝置在南海惡劣海況作用下，船體運動幅度較大，惡劣海況下與LNG運輸船之間的外輸作業(yè)要求高、難度大，外輸作業(yè)氣候窗口時間較短，旁靠外輸技術相對成熟，但對中國南海惡劣海況的適應性較差，且外輸裝置被國外壟斷，造價昂貴，尾串靠外輸具有可行性，但尚未有工程實際應用；最后，FLNG裝置要真正在中國南海進行工程應用就必須實現設備國產化，不依賴國外技術和設備，打破國外對FLNG裝置關鍵設備和液化工藝的壟斷局面。只有我國形成FLNG關鍵技術和設備的本土化，形成不同規(guī)模FLNG裝置系列化設計能力，突破國外關鍵技術和設備的專利壟斷，帶動國內深水工程技術和設備產業(yè)發(fā)展，才能使FLNG裝置由投資巨大的“奢侈品”變?yōu)閷嵱眯詮姷摹巴ㄓ闷贰?，實現FLNG裝置在中國南海海域的實際工程應用的前景。

4 結束語

中國南海深遠海域蘊藏著豐富的油氣資源，FLNG裝置應用前景廣闊，深入開展FLNG工程應用技術研究，對我國走向深水意義重大。本文重點對FLNG裝置的研究現狀及未來中國南海FLNG的應用前景進行了闡述和分析。我國FLNG裝置的研發(fā)尚處于起步階段，其中涉及的關鍵技術是FLNG裝置發(fā)展過程中必須面對和解決的問題。隨著我國南海目標氣田FLNG裝置研發(fā)工作的技術攻關，未來預計可逐步完成具有完全自主知識產權的FLNG新型貨物圍護系統(tǒng)研制和大型FLNG系統(tǒng)集成設計，形成大型FLNG裝置設計能力，構建FLNG裝置工程技術體系，大大降低工程投資，加快推進我國FLNG裝置研發(fā)走向工程應用的步伐，并擇機將相關成果應用于實際工程，預期前景十分廣闊，經濟效益和社會效益非常顯著。

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(編輯：葉秋敏)

Research status of FLNG and its application prospect for deep water gas field development in South China Sea

XIE Bin YU Xichong HAN Xuliang LI Yan

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Large floating liquefied natural gas (FLNG) production system is a new development model for deep water gas fields. In this paper, the background of FLNG application and the research status at home and abroad are introduced in detail. The technical characteristics and key technologies involved in FLNG are described. And the application prospect of FLNG is analyzed for the deep water gas field development in South China Sea. The research results have guiding significance to the study of FLNG in China. In order to realize the application of FLNG for deep water gas fields development in South China Sea, it is very important to form the localization of FLNG key technologies, key equipment and the series design capabilities of different scale FLNG unit. Also it is necessary not only to break through the monopoly of foreign key technologies and equipment, but also to promote the development of domestic deep water engineering technology and equipment industry.

FLNG; deep water gas field development; development status; key technology; South China Sea; application prospect

謝彬，男，教授級高級工程師，1989年畢業(yè)于大連理工大學，獲碩士學位，現主要從事海洋油氣勘探開發(fā)裝備的設計和研究工作。地址：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院海油大廈B座(郵編：100028)。E-mail： xiebin@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)02-0127-08

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.018

TE835

A

2016-06-17 改回日期：2016-10-17

*“十二五”國家科技重大專項“大型FLNG/FLPG、FDPSO關鍵技術(編號：2011ZX05026-006)”部分研究成果。