一种新型海上运输天然气的穿梭船

方华灿

(中国石油大学(北京)， 北京 100101)



一种新型海上运输天然气的穿梭船

方华灿

(中国石油大学(北京)， 北京 100101)

摘要：该文讨论了海上气田的天然气输出方案，介绍了新型海上运输天然气穿梭船及船上的储气容器，提出了对我国海上气田应用穿梭船运输天然气以及穿梭船和船上储气容器建造的一些建议。

关键词：海上气田；天然气；海上运输；穿梭船；储存；容器

0引言

2014年海上的重大发现是陵水17-2气田，陵水17-2气田距海南岛的陵水150 km，平均作业水深1 500 m，为超深水气田。经测试，日产天然气5 650万立方英尺，相当于9 400桶油当量，是“海洋石油981”深水钻井平台投用以来，首次在深水领域获得的重要发现。此前，在我国南海水深1 480 m处，发现的荔湾LW-31气田，天然气资源超过1 000亿立方米，是我国目前海上最大的气田，已于2013年底投产，年产量100亿立方米。由此可见，我国海上的天然气蕴藏丰富，以南海为例，在南海面积约200万平方千米中的153.7万平方千米的深水海域，即有天然气总地质储量16万亿立方千米左右，约占我国总资源量的三分之一。

因此，对于我国海上天然气资源的开发，无论是已开发生产的气田，还是探明待开发的气田，均存在选择最佳海上气田天然气输出方案及其装备的问题，该文介绍了一种新型海上运输天然气的穿梭船，是适合于小运量、距岸中短距离的海上气田的天然气运输的新型装备。

1距岸中短距离的海上气田的天然气运输的最佳方案

目前，最常明智的海上气田天然气输送方案是海底管道输送。这种方案是将海上气田的天然气通过海底管道先输送到固定式中心平台或浮式生产储卸装置上，经初步处理后，再经过海底管道送至陆上终端进行处理。这种方案不仅海底管道及中心平台工程浩大、投资高、工期长，而且还不能进行早期生产及滚动开发，也不宜用于边际气田及深水。因而，这种方案多用于近海、浅水海域的高产量气田。

图1　FLNG多功能平台

当前，国外正在研发的FLNG(Floating Liquefied Natural Gas System)多功能平台是另一种海上气田的天然气输出方案所用的装备。这种方案是在FLNG多功能平台上，将来自气井的天然气冷凝抽提、气体提纯处理之后，进行液化，使其成为液化天然气(LNG)储存起来，再定期卸载，用LNG穿梭船运至岸上。FLNG多功能平台如图1所示，是在仅有岸上天然气液化工厂面积1/4的甲板上，安置一座工艺流程十分紧凑的天然气液化工厂，同时，还设有始终处在常压和-162℃左右的低温条件下的LNG储罐，可以卸载到LNG运输船上运走。

由此可见，它具有与FPSO相同的船型及定位方式，但由于天然气液化过程中体积骤缩600倍，因而有利于天然气的储存，与相同规模的岸上液化天然气工厂相比，FLNG投资可减少20%，建设工期减少25%，尤其是FLNG在深水可与水下生产系统组合，在浅海可与导管架井口平台或自升式钻采平台组合，机动性较好。由于FLNG的投资低、移动性好、可重复使用，且具有较大的抗风浪能力、大产量的油气水生产处理能力和LNG储存能力，因而特别适用于深水气田，较海底管道输送方案有较大的优越性。另外，由于FLNG的机动性强以及良好的经济性，还可促使边际油气田得到开发，也适合用于海上气田的早期开发及滚动开发。

图2　美国研发的首艘V800型CNG船

近几年，国外正在研发一种新方案与装备，这种方案是将天然气压缩到十几兆帕到二十几兆帕压力，在常温或低温下，储存在船上的容器内，直接通过穿梭船将天然气运走，故将其称为FCNG(Floating Compressed Natural Gas)方案。这种方案的核心装备是运输CNG的穿梭船，这种穿梭船的运量虽然仅为同样LNG运输船的1/3，但因FCNG方案不需要海上的天然气液化装备，以及LNG运至陆上终端后的气化设施，而且，在运输过程中也不需要保持LNG的超低温，故其对离岸中短距离和低储量气田的开发具有独特的优势。国外评估表明：当气体容量为5.664×106m3～14.16×106m3、距离海岸1 100 km～4 500 km时，用 CNG船比LNG船和管道运输都经济。例如，相同运输量而且同为1 500 km输送距离时， CNG船的总体运输费用仅为LNG船运输的40%～50%,并且运载CNG的穿梭船，还可以重新改装使用，利用率很高。因此，采用CNG的穿梭船直接运输方案是距岸中短距离的海上气田的天然气输出的最佳方案。采用CNG的穿梭船运输与海底管道输气方案相比具有机动性强，经济性好的优势。图2为美国研发的全球首艘V800型CNG穿梭船及其装备。

2运输CNG的穿梭船上储存天然气的专用容器

图3　一个模块的框架及其中的纤维强化塑料的CNG专用容器

运输CNG的穿梭船上的储存天然气的容器是影响穿梭船及运输CNG经济效益的最关键因素。这种容器不能用传统高压气罐，因为高压气罐的费用太高。例如，一艘容量为9.344×106m3的船，储气容器若采用加拿大的新产品Coselle容器，则整个CNG船的费用约为11 000万美元，而采用传统高压气罐作为容器，则一个同等容量的CNG船的费用至少要30 000万美元，比使用新研发的CNG的专用容器高三倍左右，明显影响经济效益。

运输CNG的船上储存被压缩的天然气的专用容器均采用一般高压容器用的钢材，但近年出现了两种新材料。一种是高性能复合材料，这种高性能复合材料抗腐蚀性强、强度高，因而容器质量轻、承压高、安全性高、可在常温下操作，在同等容积和壁厚的条件下，比全钢容器轻35%，因而容器经济效益高；另一种新材料是纤维强化塑料，这种纤维强化塑料的CNG专用容器，目前已由加拿大Trans Ocean Gas公司研发成功，它可在-40℃及24 MPa工况下储气，船的储气系统由多个模块化的框架焊接而成，以便于安装连接，且可避免船体晃动的影响。每个模块是一个框架，框架中直立安装多个专用气瓶，气瓶由位于框架顶部和底部的阀组和管道连接成一体，如图3所示。

从穿梭船上储存被压缩天然气的专用容器的型式来看，主要有以下几种：

2.1卧式圆盘型

这种新型式是加拿大研发出的产品Coselle，每个园盘直径为15 m～20 m，高2.5 m～4.5 m，重约550 t，长16 km，装载置8.495×104m3。 图4为这种卧式圆盘型CNG专用容器及装载这种容器管长16 km的船。

图4　卧式园盘型CNG专用容器及其装载用船

这种卧式圆盘型CNG专用容器的主要优点有：

(1) 运量多变。单艘船上的Coselle数量不同时，运量差异较大，因此，通过改变船只数量即可改变运量。此外还可采用改变气体压力来改变单船运量。

(2) 建造方便。用Coselle储气容器的CNG运输船，基本上都是由标准的散货船改建而成，普通造船厂即可建造，因而成本可大大降低。

(3) 装卸简便。大直径管盘减少了装卸接头的数量，从而使船的装卸非常简便。

2.2立式长柱型

立式长柱型是由美国研发出的VOTRANS(Volume Optimization Marine Transport and Storage System)产品。该专用容器在-29℃低温及10 MPa～13 MPa压力下储藏CNG ，由24个36 m长的柱式气罐组成一组，100组可以装载2×107m3。图5为由24个立式长柱气罐组成的一组，图6为安装设立式长柱型CNG容器的穿梭船。

图5　24个36 m长的立式长柱型CNG气罐

图6　装设立式长柱型CNG容器的穿梭船

这种穿梭船的装卸过程是利用低温液体置换原理来完成的。卸载时将恒温恒压的低温液体泵入储罐内，从而将气体置换出来；装载时则采用相反的过程，经过加压降温的气体将储罐中的低温液体换出，最终装满储罐。装设立式长柱型CNG容器的穿梭船的主要优点有：

(1) 低温储存容器壁厚减小。低温储存压力只是常温储存的一半，因而减小了容器壁厚，降低了船体自重。

(2) 低压储存气体残量减少。储气压力低时，天然气卸载后的残留气量将远低于高压储存，因而提高了船的体积利用率。

(3) 便于改造缩短建造周期。用现有的单壳体油轮即可改造成运输8.5×104m3～34×104m3的CNG穿梭船，从而缩短建造周期，降低成本。

2.3六面体柱型

六面体柱型是由美国密歇根大学研发出的产品CDTS，CDTS每个单元由12根圆柱形容器交叉构成一个六面体，如图7所示。研究表明，CDTS的单元边长为10 m时，在壁厚、装置重量等方面达到了最优化，因此，单元最佳边长尺寸取10 m。

图7　六面体柱型的CNG储存容器的单元

这种六面体柱型CNG储存容器及CNG穿梭船的主要优点有：

(1) 容器体积利用率高。运输同量的CNG船，体积更小，从而可以降低推进装置的固定投资和燃料费用，经济性上占优势。

(2) 容器的容积效率高。其容积效率高达0.33(立式长柱型储气容器VOTRANS为0.18，卧式圆盘型储气容器Coselle为0.14)，从而减小了容器的表面积，减缓了CNG的换热，避免了因温度升高而导致的超压。

(3) 船舶的容积效率高。装载六面体柱型CNG储气容器的穿梭船的容积效率可达0.14，(立式长柱型储气容器VOTRANS及使用卧式圆盘型储气容器Coselle的穿梭船的容积效率均为0.09)。由于装载六面体柱型CNG储存容器提高了船舶的容积效率，因而减小了船或海洋平台的长度。

(4) 船舶的载重系数高。由于装载六面体柱型CNG容器的穿梭船，减少了连接储气容器的管道数量，因而提高了船的载重系数，从而降低了船舶的吨位。

3海上运输CNG的穿梭船的建造方式与组合方式

海上运输CNG的穿梭船通常配备自身动力定位系统，可以与停泊在海面上的FPSO或其它浮式生产平台相连接，接收处理后的天然气，也可以与固定式、自升式等生产平台相连，接收天然气，还可以直接连接到与深水水下采气系统相连的水面浮体上装载进气，待船装载完毕后又可与浮体解除连接，然后航行至陆地终端或其它海上设施。目前，国外几家研发运输CNG技术及其装备的公司，在运输CNG的穿梭船的设计与建造方面相同，下面进行简要介绍。

3.1运输CNG的穿梭船的建造方式

从建造方式来看，可以有新建与改建之分。如加拿大采用的卧式圆盘型CNG容器的穿梭运输船都是由标准的散货船改建而成。但是，美国研发出的运输CNG的穿梭船则是采取全新设计与建造，图4给出的V800型穿梭船即是由EnerSea公司负责天然气压缩存储舱和天然气流程系统设计，由现代重工负责船体、动力系统和相关功能系统的设计，然后进行新建造的。

3.2运输CNG的穿梭船的组合方式

目前，国外采用的有下列两种组合方式：

(1)储气系统与船体分立组合

这种方式是将一个CNG储存系统和一个传统的穿梭运输船分别建造，然后将两者在船体的甲板上组合在一起。穿梭船的甲板上设有分离/结合系统，可以方便地装拆，从而增加了船体建造的灵活性。图8为挪威建造的这种组合方式的穿梭船，图9为该船上可装拆的储存CNG系统。

图8　挪威推出的储气系统与船体分立组合方式的穿梭船　　　　　　图9　穿梭船上的可装拆的储存CNG系统

(2)储气系统与船体做成一体

这种穿梭船是在船的主甲板上建造一个完全封闭的货舱。货舱内放置储气容器，这种穿梭船在设计上根据储罐放置方式的不同，有两种可供选择的方案，一种是横式储罐船，另一种是竖式储罐船。其中，横罐的容积要比竖罐大些。容量大的船舶装载的产品多，因此其经济效益较高，故目前多采用横式CNG储罐的穿梭船。

目前，国外对于运输CNG的穿梭船的设计也趋向于多功能化。除了单纯作为CNG穿梭运输船之外，有的穿梭船还具有多种用途，不仅可以从生产平台或FPSO上接收处理过的气体，还可以在穿梭船的甲板上对气体进行初步处理，此外，穿梭船上储存的气体也可以通过一个装载/卸载系统，装载到其它船上。这种多功能穿梭船进一步设计了专门的连接机构，可以不借助生产平台，直接连接到与深水水下采气系统相连的水面浮体上，装载进气，待船装载完毕后与浮体解除连接，然后航行至陆地终端或其它海上设施。这种多功能穿梭船，不仅可以用于运输天然气，也可用于运输石油，因而可用于海上油田及其伴生气的开发。

4对我国应用运输CNG的穿梭船的几点建议

(1) 运输CNG的穿梭船与FPSO配合应用于我国已发现的深水气田

我国深水气田主要在南海，已发现的荔湾LW-31气田离岸335 km，水深1 480 m，2014年开始投产。2014年新发现的陵水17-2气田，距海南岛的陵水150 km，平均作业水深1 500 m，均位于深水，且已经达超深水海域，虽然离岸均不远，可以采用海底管道输出天然气，但鉴于海底管道在深水海域施工的复杂性，还是以采用FPSO 与CNG的穿梭船配合来输送天然气为宜。

(2) 运输CNG的穿梭船与FPSO配合应用于我国离岸远的待探气田

我国南海的远海油气资源丰富，以南沙群岛为例，据专家估计，蕴藏石油及天然气约230亿吨至300亿吨，其中，石油140亿吨左右，其余为天然气。南沙群岛的曾母暗沙盆地油气地质储量高达126亿吨至137亿吨，它将是未来勘探开发的首选。但是，曾母暗沙岛离岸较远，不能采用海底管道输气。然而，其处于CNG最佳适用距离1 100 km～4 500 km之间，故而应用CNG的穿梭船与FPSO配合是最合适的。

(3) 运输CNG的穿梭船与生产平台配合应用于我国各海域的边际气田

海上边际气田是指那些储量小、较分散的小气田，其开发处于可获利润与不可获利润的边界。我国边际油气田较多，据油气资源评价报道，中国边际油气田的油气资源量约占全国油气总资源量的50%，边际气田的开发，主要取决于创新驱动，采用先进的工艺技术与装备。因此，边际气田的天然气输出，采用生产平台与CNG的穿梭船配合，是边际油田得以开发的首选。

(4) 我国设计建造CNG的穿梭船时采用先进技术

首先，我国的首艘CNG的穿梭船，以由标准的散货船改建为宜。其次，船上的储气容器宜采用复合材料或采用纤维强化塑料，以减轻重量；储气容器的型式宜采用六面体柱型，以提高容器的体积利用率及容器和穿梭船的容积效率，以及穿梭船的载重系数；初建造CNG的穿梭船时，宜采用在常温状态下储存被压缩的天然气，以节省冷却设施的投资。运输CNG的穿梭船宜采用储气系统与船体分立组合的方式，以便于装拆储气容器，尽量使改建的CNG穿梭船具有天然气初步处理以及装载和卸载等多项功能。

5结语

随着我国海上气田的不断发现与逐步开发，海上气田的天然气输出方案及其装备的研发已提到重要议事日程，采用CNG穿梭船输气是国外近年新提出的先进技术与装备，值得我国借鉴。该文对其所作的介绍，可供我国研发时参考，我国不同海域的特点千差万别，需视具体情况区别对待。

参考文献

[1]方华灿. 海洋石油工程(上、下册)[M]. 北京：石油工业出版社.2010.

[2]David S, John F, Mark T. Floating CNG: a simpler way to monetize offshore gas[C]. Paper23615, OTC，2012.

[3]Thomas L. An Economic Study of CNG Floating Processing and Storage Platform and the Supporting CNG Carriers [C]. Paper21775, OTC，2011.

One Kind of New Type of Shuttle Ship for Marine Natural

Gas Transportation

FANG Hua-can

(China University of Petroleum(Beijing)， Beijing 100101， China)

Abstract：In the paper the export scheme of natural gas of offshore gas field is discussed， the shuttle ship of new type and the storage tank of natural gas on the shuttle ship for marine natural gas transportation are introduced，some proposals for application of the shuttle ship to transport natural gas in China offshore gas field，also the construction of the shuttle ship and the storage tank of natural gas on the shuttle ship are provided.

Keywords：offshore gas field； natural gas； marine transportation；shuttle vessel；storage； vessel

基金项目：国家重大科技专项研究课题“半潜式钻井平台关键系统设计技术研究”(2011ZX05027001)。

中图分类号:U65

文献标识码：A

文章编号：1001-4500(2015)06-0001-06

作者简介：方华灿(1930-)，男，教授。

收稿日期：2014-11-28 2014-11-22