(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司,天津 300452)

多邊形FLNG(LNG Floating Production Storage and Offloading Units)方案確立是以滿足全海式滾動(dòng)開發(fā)東海天然氣(產(chǎn)能規(guī)模在80 萬方/天邊小氣田)為目標(biāo)，本文從浮體型式、海況適用性、液化工藝、外輸方式、液貨艙選型等方面論證裝置在東海海域作業(yè)的技術(shù)可行性。

1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1 環(huán)境條件

生產(chǎn)裝置按滿足東海海域100 a一遇環(huán)境條件設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)水深150 m，設(shè)計(jì)壽命是25 a。

參考東海海域水文氣象環(huán)境，風(fēng)、波浪和海流極值見表1。

表1 環(huán)境條件極值

1.2 設(shè)計(jì)規(guī)范

本浮式生產(chǎn)裝置用于國內(nèi)海域，入CCS級(jí)。參考設(shè)計(jì)規(guī)范包括國內(nèi)法律法規(guī)、IMO公約、船級(jí)社規(guī)范及其他國際標(biāo)準(zhǔn)。

為實(shí)現(xiàn)東海邊際氣田的有效滾動(dòng)開發(fā)，借鑒目前國內(nèi)外海上浮式生產(chǎn)裝置全海式開發(fā)項(xiàng)目案例。經(jīng)綜合分析，選擇“水下井口+多邊形FLNG+LNG運(yùn)輸船”的開發(fā)模式，見圖1。

圖1 多邊形FLNG開發(fā)示意

2 LNG罐艙選型

4種典型LNG儲(chǔ)罐艙型見圖2。

圖2 LNG儲(chǔ)罐艙型

在布置空間足夠的前提下，綜合各因素，從降低造價(jià)、縮短建造周期、應(yīng)對避臺(tái)期間控制艙壓的角度考慮，確定采用Type C型艙方案。

3 結(jié)構(gòu)型式選擇

海上石油氣的液化及儲(chǔ)存是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對浮式裝置有特殊的要求[1]。

目前FPSO工程上應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)型式有船形和圓筒形。在中國南海、英國北海以及巴西等海域，使用船形浮式裝置需采用造價(jià)和維護(hù)成本高昂的單點(diǎn)系統(tǒng)，圓筒形浮式裝置環(huán)境方向性不敏感，整體運(yùn)動(dòng)性能更優(yōu)，良好的耐波性使惡劣海況生存能力更強(qiáng)，可降低單點(diǎn)系統(tǒng)帶來的高昂造價(jià)和維護(hù)成本。

多邊形近似圓形，多邊形浮式生產(chǎn)裝置目前還處于研究階段。綜合考慮，本方案采用多邊形筒體的結(jié)構(gòu)型式。

4 工藝處理模塊

多邊形FLNG工藝處理模塊應(yīng)滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范、規(guī)則的要求，適合在海上高鹽霧、高濕度、日溫差大的環(huán)境里生產(chǎn)。滿足橫搖不大于8°，縱搖小于2°，工作環(huán)境溫度-6 ℃～35 ℃，最大相對濕度95±3%(20 ℃)的正常生產(chǎn)需要；具有抵抗100 a一遇臺(tái)風(fēng)能力。具有小型化、模塊化、分散化的特性，適合在FLNG有限空間內(nèi)布置。

FLNG工藝的選擇主要從液化裝置的規(guī)模和安全性兩方面進(jìn)行分析和決策。對于小型液化工藝，常采用單混合制冷劑流程和膨脹流程[2]。

凈化工藝采用應(yīng)用于LNG領(lǐng)域成熟的工藝，選擇MDEA吸收法脫除酸性氣體、分子篩脫水、浸硫活性炭脫汞、及洗滌法脫重?zé)N，見圖3。液化工藝選擇比較節(jié)能的混合冷劑液化流程，見圖4。

圖3 天然氣凈化流程示意

5 主尺度及總布置

5.1 主尺度

多邊形FLNG主尺度主要控制因素包括：液貨儲(chǔ)量、工藝模塊甲板面積、耐波性、穩(wěn)性、系泊系統(tǒng)、排水量等。為貼合C型液罐形狀，盡量減少C型液罐占據(jù)的主體空間，以十邊形FPSO作為母型參考，確定本FLNG采用10邊形筒體。

圖4 天然氣液化流程示意

通過定性和計(jì)算分析，隨著主尺度降低，垂蕩固有周期減小，考慮多邊形方案為永久性系泊裝置，為保障作業(yè)安全性，降低垂蕩共振和甲板上浪風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)使其固有周期避開波浪能量集中范圍。本方案主尺度取值見表2。

表2 主尺度 m

5.2 總布置

多邊形FLNG是一個(gè)帶電站和油氣水處理系統(tǒng)的浮式生產(chǎn)系統(tǒng)，帶有30人生活樓，具有發(fā)電、生產(chǎn)和生活支持、油氣處理、LNG存儲(chǔ)和外輸功能，可為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供電力和控制。基于運(yùn)動(dòng)性能和甲板面積的需求，采用底部阻尼板和上部外飄結(jié)構(gòu)的形式?？傮w布置見圖5。

圖5 多邊形FLNG總布置

主甲板與工藝甲板之間的區(qū)域，主要用于錨泊定位設(shè)備、管纜、應(yīng)急發(fā)電機(jī)室、無須自然采光的公共生活設(shè)施處所的布置。采用3組錨泊定位系統(tǒng)，并且在主甲板外圍和工藝甲板之間設(shè)計(jì)有向外延伸的防浪墻，在主甲板接近防浪墻附近還有擋板，有效保護(hù)區(qū)域內(nèi)的設(shè)備及管纜等不受到海水的侵蝕。

工藝甲板位于主甲板之上4 m，滿足規(guī)范至少3 m的安全設(shè)計(jì)范圍，在控制重心高度的前提下提供了較為寬裕的空間以保證主甲板上設(shè)備的維修吊裝及其工藝甲板下管纜的布置。在對應(yīng)下方C型液罐氣室的位置開設(shè)有平式艙口蓋，便于吊裝維修液貨泵。

生活樓、直升機(jī)甲板、卸貨設(shè)備、火炬塔、氮?dú)庀到y(tǒng)和工藝處理設(shè)備位于上甲板上方的工藝甲板上?；鹁嫠蛳贤鈨A斜延伸于舷側(cè)之外和生活樓相對布置，盡量減少火炬熱輻射區(qū)對生產(chǎn)區(qū)和生活區(qū)的影響。

左右舷各布置一臺(tái)輸送軟管絞車，絞車位于吊車覆蓋范圍內(nèi)，用于向海面釋放低溫漂浮軟管用于外輸LNG作業(yè)。左右兩舷主體設(shè)置2 m寬的雙殼結(jié)構(gòu)和2.5 m高的雙層底結(jié)構(gòu)，雙殼空間根據(jù)調(diào)載和破艙要求劃分成若干個(gè)邊壓載水艙，雙層底空間根據(jù)調(diào)載要求劃分成若干個(gè)底壓載水艙和艙底水艙、污油艙等液艙。主體中心部位設(shè)置垂向的圓柱形海底立管連接通道和平臺(tái)。主體其他空間在水平方向上前后左右共劃分成4個(gè)類扇形空間，左右2個(gè)類扇形空間用于安放Type C型LNG儲(chǔ)罐(總艙容12 600 m3)。

6 穩(wěn)性及耐波性分析

6.1 穩(wěn)性分析

對于風(fēng)傾力矩計(jì)算，主要考慮主船體、吊車、生活樓、工作模塊、火炬等的風(fēng)載荷，不考慮構(gòu)件的遮蔽效應(yīng)。計(jì)算風(fēng)模型采用三維面積模型，計(jì)算0°、45°、90°方位不同吃水下的風(fēng)傾力矩。

按照船級(jí)社規(guī)范關(guān)于穩(wěn)性衡準(zhǔn)的要求,經(jīng)計(jì)算，完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性均能滿足規(guī)范要求。

6.2 耐波性分析

多邊形FLNG浮式結(jié)構(gòu)物的耐波性計(jì)算采用三維頻域勢流理論求解，橫搖和垂蕩粘性阻尼采用CFD方法計(jì)算得到。通過分別模擬平臺(tái)的橫搖和垂蕩靜水自由衰減運(yùn)動(dòng)，根據(jù)衰減曲線計(jì)算得到相應(yīng)的阻尼系數(shù)?？v搖粘性阻尼系數(shù)采用與橫搖相同的數(shù)值。通過計(jì)算獲得FLNG 6自由度運(yùn)動(dòng)RAO曲線，以及指定4個(gè)位置P1～P4三向加速度RAO曲線，指定位置見圖6。

圖6 指定計(jì)算加速度的位置

不規(guī)則波波浪譜采用Jonswap譜，譜峰因子γ采用DNV規(guī)范方法計(jì)算。計(jì)算浪向?yàn)?°～180°，間隔30°。

計(jì)算結(jié)果表明，在100 a一遇的海況下，有義波高為13.4 m，對應(yīng)的橫/縱搖單幅有義值最大為1.953°，均滿足工藝處理設(shè)備要求幅度。各考察點(diǎn)的各向運(yùn)動(dòng)加速度均小于0.2g，處于正常范圍內(nèi)。

7 系泊定位分析

系泊系統(tǒng)采用常規(guī)的多點(diǎn)系泊設(shè)計(jì)，包括3套錨鏈傳動(dòng)裝置、錨泊鏈以及必要的導(dǎo)鏈輪及導(dǎo)纜器。錨泊鏈共9根，3根為一組，采用3×3的形式布置，每組相鄰錨泊鏈水平內(nèi)夾角為3°，由錨鏈+鋼絲繩+錨鏈組合而成，布置形式見圖7，主要參數(shù)見表3。

立管區(qū)域布置在主體中心，由剛性管道組成導(dǎo)向立管，從主船體最下端延伸到主甲板，柔性立管自下而上貫穿在剛性立管中，在主甲板立管區(qū)域與工藝模塊的進(jìn)口管匯系統(tǒng)相連。

采用CFD方法計(jì)算不同風(fēng)向下的風(fēng)力系數(shù)和不同流向下的流力系數(shù)。根據(jù)BV規(guī)范要求，對于風(fēng)、浪和流環(huán)境的重現(xiàn)期采用3種組合方式，見表4。

圖7 系泊纜布置示意

表3 系泊系統(tǒng)主要參數(shù)

表4 生存工況環(huán)境條件重現(xiàn)期組合 a

每種環(huán)境組合類型從0～360方向內(nèi)選擇9個(gè)主浪向，分別為0、45、60、90、135、180、225、270、和315。風(fēng)、流及浪的方向夾角組合見表5。

表5 風(fēng)和流向與浪向組合 (°)

系泊計(jì)算結(jié)果表明，采用GR3有檔錨鏈，鏈徑180 mm，破斷負(fù)荷18 076 kN的180 mm公稱直徑鋼絲繩可以滿足規(guī)范要求的纜繩安全系數(shù)。

8 LNG外輸方式

FLNG的作業(yè)方式和FPSO類似，目前可用的外輸方式都是基于FPSO的作業(yè)方式。經(jīng)過幾十年的經(jīng)驗(yàn)積累，F(xiàn)PSO外輸方式有串靠卸油、旁靠卸油、串旁靠聯(lián)合卸油、懸鏈?zhǔn)礁⊥矄吸c(diǎn)系泊系統(tǒng)和HiLoad等多種方式。并靠卸料系統(tǒng)適用于允許最大有義波高≤2.5 m的相對溫和海況。串靠卸料系統(tǒng)允許最大有義波高達(dá)4.5 m[3]。

根據(jù)作業(yè)海域風(fēng)浪流的方向特征，主要方向集中在南北兩個(gè)方向，為了便于利用風(fēng)標(biāo)效應(yīng)使提LNG運(yùn)輸船位于安全船位，考慮在兩個(gè)方向都具有外輸能力，多邊型FLNG外輸設(shè)備在兩舷各配置1套LNG外輸系統(tǒng)，每套系統(tǒng)由軟管絞車、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成，具有軟管收放、排管、靜態(tài)制動(dòng)、管系吹掃、安全保護(hù)(應(yīng)急釋放等)等功能，在絕大多數(shù)的情況下，下風(fēng)側(cè)安全外輸。

多邊型FLNG外輸方案采用雙外輸點(diǎn)方案，使用動(dòng)力定位LNG運(yùn)輸船或者常規(guī)LNG運(yùn)輸船增加艏側(cè)推及增加拖輪輔助靠泊和在泊。

9 LNG艙壓控制

方案中LNG儲(chǔ)罐產(chǎn)生的BOG蒸發(fā)氣可以經(jīng)BOG回收作為再生氣被凈化單元利用，從凈化單元出來的再生氣進(jìn)入燃料氣收集系統(tǒng)用于雙燃料發(fā)電機(jī)組。但在避臺(tái)風(fēng)期間，LNG生產(chǎn)裝置需要停止運(yùn)行，所有人員撤離平臺(tái)?？紤]外輸限制和后續(xù)恢復(fù)生產(chǎn)的需要，LNG儲(chǔ)罐需要保持在裝貨狀態(tài)，因此在該期間，LNG儲(chǔ)罐產(chǎn)生的BOG蒸發(fā)氣的處理需要有適當(dāng)?shù)目紤]和對應(yīng)方案。在此條件下，為使液貨艙的壓力和溫度保持在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，采用壓力積聚(蓄壓)的方法。

Type C型艙IGC最小設(shè)計(jì)壓力0.36 MPa(g)。經(jīng)計(jì)算，一個(gè)設(shè)計(jì)釋放壓力為0.4 MPa(g)、蒸發(fā)率為0.3%的6 000 m3的LNG儲(chǔ)罐，在97%的裝載率下，可以維持約7 d，在此期間內(nèi)艙壓大概上升30～35 kPa(g)。Type C型艙的承壓能力完全可以承受1周的蓄壓要求。因此只要避免液艙的裝載水平過高，采用壓力積聚(蓄壓)的方法在抗臺(tái)期間實(shí)現(xiàn)對液貨艙的壓力和溫度的安全控制是完全可行的。