摘要：基于近年各種液化天然氣浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置（FLNG）概念設(shè)計(jì)，分析了 FLNG 在船體、LNG 儲(chǔ)艙、液化工藝、低溫?fù)Q熱器和產(chǎn)品裝卸等技術(shù)的研究歷史和最新進(jìn)展。有關(guān) FLNG 的研究不斷完善，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬和實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方式驗(yàn)證了FLNG 關(guān)鍵技術(shù)的可行性和可靠性；FLNG 概念設(shè)計(jì)一般采用雙殼式船體，SPB 型 LNG 儲(chǔ)艙，簡(jiǎn)單液化工藝（如混合制冷劑或膨脹制冷工藝）以及并排卸貨方式。通過(guò)分析 FLNG 裝置的建設(shè)投資和運(yùn)營(yíng)收益，指出使用二手 LNG 貨輪改造為 FLNG以及采用簡(jiǎn)單液化工藝可以使 FLNG裝置獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：液化天然氣浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置；液化天然氣；液化工藝；低溫?fù)Q熱器；并排卸貨

近年來(lái)，越來(lái)越多的深海氣田、邊際小氣田、伴生氣田被發(fā)現(xiàn)，其數(shù)量較多，儲(chǔ)量可觀；但若采用傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式，建設(shè)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)設(shè)施投資大、現(xiàn)金回收慢，許多資源將因?yàn)闆](méi)有經(jīng)濟(jì)效益而無(wú)法投入開(kāi)采。為此，世界許多大型石油公司正加緊研究液化天然氣浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置，利用 LNG 易于運(yùn)輸與儲(chǔ)存的特點(diǎn)，降低邊際小氣田、深海天然氣及伴生氣資源的開(kāi)采成本，實(shí)現(xiàn)邊際效益資源的開(kāi)發(fā)。

液化天然氣浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置即 LNG FPSO，通常稱(chēng)為 Floating LNG，簡(jiǎn)寫(xiě)為 FLNG。FLNG 可采用駁船或 LNG 貨輪改裝，直接停泊在氣田上方進(jìn)行作業(yè)，能夠避免陸上液化工廠建設(shè)可能對(duì)環(huán)境造成的污染問(wèn)題。此外，該裝置便于遷移，可重復(fù)使用，當(dāng)開(kāi)采的氣田衰竭后，可以遷移到新的氣田使用，尤其適合于邊際氣田的開(kāi)發(fā)。FLNG 的開(kāi)發(fā)研究最早始于20世紀(jì)70年代早期，90年代之后，隨著天然氣工業(yè)的不斷發(fā)展，天然氣需求量的不斷增加，天然氣價(jià)格的不斷上升和海洋石油工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，海上邊際氣田日益受到重視，國(guó)際各大石油公司和造船公司均投入到 FLNG 的開(kāi)發(fā)中來(lái)，提出多種概念設(shè)計(jì)，并在FLNG 船體與產(chǎn)品儲(chǔ)存方式、液化工藝、換熱器形式、裝卸方式等方面取得一定進(jìn)展，使其開(kāi)發(fā)成為可能。

1 船體和LNG儲(chǔ)艙

最初，FLNG 概念設(shè)計(jì)采用混凝土制造船體，在其上放置球形、圓柱形或薄膜型 LNG 儲(chǔ)艙。混凝土殼體吃水深，承載能力大，具有低溫性能好、不易老化的優(yōu)點(diǎn)，但是這種結(jié)構(gòu)的船身笨重，遷移和錨泊將是巨大的挑戰(zhàn)。代表性的 FLNG 概念設(shè)計(jì)有：Mobil 公司的 Floating LNG 和 Bouygues Offshore 公司的 Azure項(xiàng)目（圖1）。

隨著 LNG 貨輪技術(shù)的不斷進(jìn)步，最近幾年提出的 FLNG 概念設(shè)計(jì)均采用鋼質(zhì)船體，配以不同形式的LNG 儲(chǔ)艙（圖2）。如 Shell 公司投資建造了一艘巨型 FLNG，采用雙殼式船身，SPB 型儲(chǔ)艙，長(zhǎng)488m，寬74m；空載質(zhì)量達(dá)26×10⁴t，相當(dāng)于6艘航空母艦，滿載質(zhì)量達(dá)60×10⁴t。該 FLNG 投資估計(jì)超過(guò)30×108美元，每年至少生產(chǎn)530×10⁴t 液態(tài)產(chǎn)品，包括360×10⁴t LNG、130×10⁴t 凝析油和40×10⁴t LPG。

目前，全球營(yíng)運(yùn)的大約140艘 LNG 貨輪，主要有球形（MOSS）、薄膜型（Membrane）和自立棱柱型（Self-supporting Prismatic shape IMO type B，SPB）型3種儲(chǔ)艙形式。其中球形儲(chǔ)艙在早期的 LNG 貨輪中占有較大優(yōu)勢(shì)，但是球形儲(chǔ)艙占用巨大的甲板空間，而且甲板下的部分船體空間也被浪費(fèi)，屬于逐步淘汰的儲(chǔ)艙技術(shù)，不適用于 FLNG。在新的 LNG貨輪訂單中，薄膜型超過(guò)三分之二，是儲(chǔ)艙技術(shù)的發(fā)展方向。薄膜型和自立棱柱型儲(chǔ)艙完全位于甲板以下，不占用甲板上的空間，比較有利于 FLNG 的設(shè)計(jì)制造。但是由于FLNG工作環(huán)境與 LNG 貨輪不同，船體經(jīng)常晃動(dòng)，薄膜型儲(chǔ)艙中液體的晃動(dòng)幅度較大，容易對(duì)儲(chǔ)艙上部的轉(zhuǎn)角造成沖擊而使焊縫失效（圖3），需要進(jìn)行適應(yīng)性改造。

近幾年提出的 FLNG 概念設(shè)計(jì)通常選用 SPB 型儲(chǔ)艙儲(chǔ)存 LNG、LPG 和凝析油等液化產(chǎn)品（表1）。SPB 型儲(chǔ)艙（自立方型儲(chǔ)艙）技術(shù)由日本石川島播磨重工獨(dú)立開(kāi)發(fā)，其甲板平整，上部空間大，便于安裝各種設(shè)備，用于 FLNG 的最大優(yōu)點(diǎn)是液艙中部設(shè)有防止液體流動(dòng)的隔壁，不存在晃動(dòng)問(wèn)題，且在設(shè)計(jì)時(shí)可以通過(guò)準(zhǔn)確的有限元分析和實(shí)驗(yàn)確認(rèn)安全性。

2 液化工藝

　　隨著 LNG 工業(yè)的不斷發(fā)展，世界上許多公司開(kāi)發(fā)出多種天然氣液化工藝和設(shè)備^[1-2]。依據(jù)基本的制冷原理，主要有3種液化工藝：級(jí)聯(lián)式液化工藝；混合制冷劑液化工藝，包括閉式、開(kāi)式、丙烷預(yù)冷及 CII等；膨脹制冷液化工藝，包括天然氣膨脹、氮?dú)馀蛎洝⒌?/span>-甲烷膨脹等。在實(shí)際的 LNG 液化工程中，通常組合使用上述各種液化工藝^[3]。

陸上液化天然氣項(xiàng)目通過(guò)增大工藝設(shè)備規(guī)模、提高液化效率來(lái)降低單位投資和項(xiàng)目運(yùn)行成本，因此，陸上天然氣液化工藝的發(fā)展趨勢(shì)是級(jí)聯(lián)式制冷工藝及設(shè)備的大型化。如 APCI 公司開(kāi)發(fā)的 AP-X®液化工藝、ConocoPhillips 公司開(kāi)發(fā)的 Cascade®液化工藝、Linde 公司開(kāi)發(fā)的 MFC®（Mixed Fluid Cascade）液化工藝等。

由于海上作業(yè)環(huán)境特殊，FLNG 液化工藝的選擇主要從處理能力、船體甲板空間和負(fù)荷能力以及船體的穩(wěn)定性等方面考慮，應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：①流程簡(jiǎn)單、設(shè)備緊湊、占地少、滿足海上浮船的安裝需要；②液化工藝對(duì)不同產(chǎn)地的天然氣適應(yīng)性強(qiáng)，熱效率高；③安全可靠，船體的晃動(dòng)不會(huì)明顯地影響其性能；④能夠快速啟動(dòng)與停止運(yùn)行；⑤生產(chǎn)自動(dòng)化程度高，裝置運(yùn)行可靠性強(qiáng)。因而 FLNG 一般選取比較簡(jiǎn)單的液化工藝，如單級(jí)或多級(jí)混合制冷劑液化工藝、單級(jí)或多級(jí)氮?dú)馀蛎浿评涔に嚕ū?/span>1）。

David Franklin等^[4]對(duì) FLNG 采用簡(jiǎn)單液化工藝和復(fù)雜液化工藝的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)采用簡(jiǎn)單液化工藝效益更好（表3），液化能力同為100×10⁴t·a^-1的浮式天然氣液化裝置項(xiàng)目，采用簡(jiǎn)單液化工藝的凈現(xiàn)值是采用復(fù)雜液化工藝凈現(xiàn)值的1.69倍，內(nèi)部收益率高出3.2%?？梢?jiàn)，與陸上 LNG工廠不同，FLNG 對(duì)初始投資更敏感。簡(jiǎn)單液化工藝具有占用甲板面積小、設(shè)備少、檢修時(shí)間短、可在有限甲板空間上獲得較高產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)，更適用于 FLNG。

3換熱器

FLNG 設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面是液化工藝低溫?fù)Q熱器的選擇。近年提出的各種 FLNG 概念設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)其選用的液化工藝，而選用不同的換熱器。

混合制冷劑液化工藝一般選擇纏繞管式換熱器（圖4a）作為主低溫?fù)Q熱器。纏繞管式換熱器本質(zhì)上屬于管殼式換熱器的一種，但由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使之具有強(qiáng)制湍流換熱系數(shù)高、溫度壓力限制小、安全性高、結(jié)構(gòu)小隊(duì)緊湊、承壓能力高、熱脹冷縮自補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)?；旌现评鋭┮夯に囍刑烊粴夂椭评鋭┒紩?huì)產(chǎn)生相變，纏繞管式換熱器的換熱效果受兩相流動(dòng)的影響較小，Linde 公司通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)船身晃動(dòng)對(duì)換熱效果影響也很小。因而纏繞管式換熱器十分適用于采用混合制冷劑液化工藝的 FLNG概念設(shè)計(jì)。

膨脹制冷液化工藝一般選擇板翅式換熱器（圖4b）作為主低溫?fù)Q熱器。板翅式換熱器具有體積小、重量輕、換熱效率高、堅(jiān)固耐用、適應(yīng)性強(qiáng)、可設(shè)計(jì)成多股流體同時(shí)換熱等優(yōu)點(diǎn)，其單位體積換熱面積比管殼式換熱器高十倍以上。但是許多文獻(xiàn)指出：當(dāng)換熱器中出現(xiàn)兩相流動(dòng)時(shí)，氣液兩相的分布對(duì)換熱效果影響較大。膨脹制冷液化工藝一般使用氮?dú)庾髦评鋭?，氮?dú)獾囊夯瘻囟葹椋?/span>195.8 ℃，低于天然氣的液化溫度-162 ℃，液化過(guò)程中氮?dú)獠粫?huì)出現(xiàn)相變，對(duì)板翅式換熱器的換熱效果影響很小。李玉星^[5]通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)研究了使用板翅式換熱器的氮?dú)馀蛎浿评湟夯に?，發(fā)現(xiàn)船體的晃動(dòng)對(duì)液化工藝的影響很小。因此，板翅式換熱器適用于采用膨脹制冷液化工藝的 FLNG概念設(shè)計(jì)。

4 FLNG的產(chǎn)品裝卸

產(chǎn)品卸貨是 FLNG 的重點(diǎn)和難點(diǎn)技術(shù)之一。通常有 LNG、LPG 和凝析油等多種產(chǎn)品需要從 FLNG 向貨輪卸貨。FLNG 和貨輪均漂浮于水上，在波浪的作用下不斷晃動(dòng)，兩者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)卸貨影響很大；LNG 為低溫液體，整個(gè)卸貨系統(tǒng)均需要滿足低溫的嚴(yán)苛要求。因此，實(shí)現(xiàn) LNG 在海洋環(huán)境下的安全、高效傳輸非常復(fù)雜，目前 FLNG概念設(shè)計(jì)中主要有兩種卸貨方法。

4.1并排卸貨

FLNG 和 LNG 貨輪并排?？浚▓D1，Shell 公司概念設(shè)計(jì)），兩船體之間通過(guò)強(qiáng)度很高的裝置連接在一起，防止相對(duì)運(yùn)動(dòng)幅度過(guò)大。并排卸貨方式由陸上 LNG 碼頭向 LNG 貨輪卸貨發(fā)展而來(lái)，可以直接使用陸地的硬管輸送臂，同時(shí)提供水幕等防火措施。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、節(jié)約投資、LNG 輸送與控制快速方便。但是，FLNG 和 LNG 貨輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)可能導(dǎo)致硬管輸送臂連接處泄漏，造成周邊環(huán)境溫度驟降及泄漏介質(zhì)遇到火源引發(fā)爆炸，不適用于波浪較大的海洋環(huán)境。隨著 LNG 專(zhuān)用低溫軟管的成功開(kāi)發(fā)并應(yīng)用于 FSRU（浮式 LNG 氣化和接收裝置）的卸貨，許多概念設(shè)計(jì)提出采用低溫軟管進(jìn)行 LNG 裝卸，從而減小 FLNG

和 LNG貨輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)卸貨安全性的影響。

4.2串聯(lián)卸貨

FLNG 和 LNG 貨輪采用首尾相接的串聯(lián)系泊方式，這是 FPSO 向油輪輸油的常用方式。串聯(lián)卸貨時(shí)兩船之間距離較大，一般在50～100 m，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)定位技術(shù)控制兩船距離在合理的范圍內(nèi)。因此，串聯(lián)卸貨能夠適應(yīng)較大的波浪，適于海洋環(huán)境較為惡劣的海域，但由于兩船之間距離較大，需要較長(zhǎng)的 LNG輸送臂，在技術(shù)上存在一定風(fēng)險(xiǎn)。AZURE 項(xiàng)目開(kāi)展了硬管輸送臂串聯(lián)卸貨的小型實(shí)驗(yàn)，但其堅(jiān)固性有待進(jìn)一步研究，而 LNG 專(zhuān)用低溫軟管用于長(zhǎng)距離 LNG 輸送的安全性和可靠性尚待確定。因此，串聯(lián)卸貨目前僅僅是作為 FLNG概念設(shè)計(jì)的一種可行性討論。

總體上，采用何種卸貨方式，需要根據(jù)具體海域的特點(diǎn)和環(huán)境參數(shù)（包括平均海平面、最大波高、最大波周期、溫度和濕度范圍、風(fēng)速和風(fēng)向等）而定。低溫輸送臂結(jié)構(gòu)則取決于輸送距離、輸送量、輸送速度、輸送時(shí)間等。采用串聯(lián)卸貨方式、使用低溫軟管輸送 LNG是發(fā)展趨勢(shì)。

5 LNG 貨輪改造為 FLNG

目前，許多20世紀(jì)末期服役的中小型 LNG 貨輪進(jìn)入運(yùn)輸合同后期，今后幾年這些貨輪將結(jié)束服役，作為二手船舶進(jìn)入買(mǎi)賣(mài)市場(chǎng)。與由大型油輪改造 FPSO類(lèi)似，由 LNG貨輪改造為 FLNG具有諸多優(yōu)點(diǎn)^[4]。

（1）降低項(xiàng)目投資：15×104m3陸上 LNG 儲(chǔ)存設(shè)施及管道建設(shè)投資約1～1.5×108美元，新建同樣儲(chǔ)量的 LNG 貨輪需要投資約2.2×108億美元（LNG World Shipping，Dec 2011），而最近市場(chǎng)12.5×104m3的二手 LNG 貨輪最新市場(chǎng)價(jià)格僅0.3～0.5×108美元，僅為新建 LNG 船體的13~23%。因新 LNG 船體約占項(xiàng)目總投資的25～40%，故可使浮式天然氣液化裝置的項(xiàng)目投資降低25%。

（2）加快項(xiàng)目進(jìn)度：LNG 儲(chǔ)罐和船體設(shè)計(jì)、建造完成時(shí)間通常需要3～4年，在液化天然氣項(xiàng)目周期中占很大比例，而二手 LNG貨輪可以立即進(jìn)行適應(yīng)性改造，從而使整個(gè)項(xiàng)目工期縮短1～2年。

（3）易取得運(yùn)營(yíng)許可。在運(yùn) LNG 貨輪均已被評(píng)級(jí)并進(jìn)行良好維護(hù)，使用 LNG 貨輪改造為 FLNG 的海上浮式天然氣液化項(xiàng)目比陸上液化天然氣項(xiàng)目取得許可更具優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)評(píng)析液化天然氣浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸裝置（FLNG）船體結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)艙形式、液化工藝、換熱器和產(chǎn)品裝卸等關(guān)鍵技術(shù)的開(kāi)發(fā)歷史和研究現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)目前對(duì) FLNG 的技術(shù)研究和概念設(shè)計(jì)已經(jīng)比較完善。FLNG 具有初始投資低、建造周期短、運(yùn)營(yíng)操作靈活、對(duì)環(huán)境危害小等諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性好，安全性和可靠性高，可以用于海上邊際氣田天然氣資源的開(kāi)發(fā)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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(本文作者：馬華偉¹ 劉春楊² 徐志誠(chéng)³ 1.中國(guó)石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院，北京 100032；2.中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司規(guī)劃計(jì)劃部，北京 100007；3.中國(guó)石油天然氣管道分公司，河北廊坊 065000)