FLNG上部模块总体布置设计流程及案例分析

程　兵，喻西崇，谢　彬，王　清，徐敏航

(中海油研究总院，北京 100028)①



·开发应用·

FLNG上部模块总体布置设计流程及案例分析

程兵，喻西崇，谢彬，王清，徐敏航

(中海油研究总院，北京 100028)①

鉴于浮式液化天然气生产储卸装置(FLNG)在海上应用的灵活性，目前世界上很多国家都开展了对FLNG的研究，并已有多个项目进入了建造阶段。为了更好地开展FLNG的研究和设计工作，以南海某气田的FLNG设计实例，探索了FLNG上部模块总体布置的方法。介绍了采用FLNG方案进行某气田开发所制定的总体方案，对开展FLNG总体布置的设计流程进行了梳理，并总结了总体布置专业与其他上下游专业的界面和接口。分析了FLNG上部模块总体布置与传统FPSO的区别和注意事项。这些经验可以为今后开展FLNG研究和设计工作提供参考。

FLNG；上部模块；总体布置；设计流程；案例

浮式液化天然气生产储卸装置[1](FLNG)是一种集海上天然气/凝析油的液化、储存和装卸为一体的新型FPSO装置，具有开采周期短、开采灵活、可独立开发、可回收和可运移等特点，可显著减少新建海底管道的费用，并且可将气体产品液化运输到气源紧缺的地区，使天然气产生更大的经济效益。可适用于小型、中型和大型气田开发，并可适合于浅水和深水气田开发[2]。

目前，世界上处在工程实施阶段FLNG工程项目共有17个[3-4]，其中有4个FLNG装置处在建造阶段，分别是壳牌作为作业者的Prelude FLNG装置、马来西亚国家石油公司作为作业者的PFLNG1和PFLNG2及在惠生建造的Caribbean FLNG。2011年，壳牌确定投资建造世界上首艘大型FLNG—“Prelude FLNG”，并将在澳大利亚的Prelude气田投入使用，处理量为360万t/a，采用的是双混合制冷剂液化工艺。

中国海洋石油总公司2008年在国家科技重大专项“大型FLNG/FLPG、FDPSO关键技术”中启动对FLNG技术的攻关研究，并在2013年开始通过某东海气田和某南海气田的开发方案研究，分别开展了两艘FLNG的预可研和可研设计。本文在南海某气田的FLNG开发方案设计实例的基础上，介绍前期研究中FLNG装置上部模块总体设计的流程及设计案例，并对FLNG总体布置区别于FPSO的特点进行了分析。

1　气田总体开发方案

南海某气田水深约1 340 m，所在区域主风向为NE，该海域季风特征明显，冬季盛行偏NE风，夏季盛行偏S风，主浪向为ENE。该气田为小型气田，其开发方案之一为深水区采用水下生产系统回接到 FLNG的方式进行开发。1 340 m水深处的2口井生产的流体在管汇处汇合后，通过2.82 km的海底管道混输到FLNG上进行处理。FLNG将其处理为合格的凝析油和LNG后通过凝析油运输船和LNG运输船进行外输。该气田的总体开发方案如图1所示。

图1　南海某气田的总体开发方案示意

2　FLNG装置上部模块总体布置设计流程

在确定工程开发方案后，项目组开展了FLNG装置的设计。其中上部模块总体布置的设计流程分为3步。

1)根据环境特点和FLNG的功能定位，确定FLNG的总体布局。

在前期研究类项目中，FLNG上部模块总体布局的确定是最关键的一项内容。FLNG总体布局的选取方式可以参考FPSO，但选取时的影响因素更多，主要因素如图2所示。

图2　FLNG上部模块总体布局形式的选择

船型除了SEVAN的圆筒型方案外，一般考虑类似传统FPSO的船型。系泊方式的选取十分重要，对于半海、半陆式开发方案，有港口系泊的条件可采用港口系泊；对于全海式开发方案，应结合环境条件来确定采用多点系泊、外转塔单点系泊还是内转塔单点系泊。外输方式对整体布局有很大影响，应根据环境条件和船体的运动性能确定。旁靠外输方式技术更加成熟，但对环境条件要求较高，LNG艉靠外输方式目前已经取得突破，可以满足更恶劣的海况需求，保证外输作业天数。工艺方案中，是否带预处理功能，以及究竟采用何种液化方式也会对FLNG的尺寸规模和总体布局产生影响。

图3a所示为壳牌Prelude FLNG的总体布局形式，该FLNG采用了类似南海某些FPSO的布局方式，整体布局从艏到艉为“单点-火炬-预处理-液化-外输-电站/电气房间-生活楼”。这是因为Prelude所在的澳大利亚西北海域的海况良好，采用旁靠的方式即可满足作业要求。

图3b所示为惠生建造的Caribbean FLNG布局，该FLNG为典型的“靠岸式”FLNG，预处理在岸上进行，上部仅有液化设备，因此其尺度可以很小；其系泊方式也不同于远海的FLNG装置。这一布局形式的确定取决于业主对其功能的定位和需求。

图4所示案例为南海某前期研究项目所设计的FLNG布局示意图。由于南海海况相对恶劣，并且该FLNG为小型装置，采用旁靠方式无法满足可外输天数的要求，严重影响经济效益。因此，采用了艉靠的外输方式。该FLNG从艏到艉设计整体布局为“生活楼-卸货区-单点-电站/电气房间/公用模块-预处理-火炬-液化-艉靠外输”。这样的布局将生活楼布置在船艏，从而避免工作人员长期处于油气装置的下风向，整个上部按照从艏到艉按照安全区-危险区过渡。生活楼远离了外输装置、火炬、工艺处理设施，并且和单点之间有卸货区作为间隔，提高了安全性。火炬布置在船中部，避免了距离生活楼过近或者距离外输区域过近，有效分隔了预处理区域和液化区域，同时中部更有利于减少泄放管系的长度。

a　Prelude FLNG

b　Caribbean FLNG图3　部分FLNG总体布局形式

图4　南海某气田前期研究项目的FLNG总体布局示意

2)各专业提出初步设计参数和布置需求，总图专业开展上部模块总体布置，提交初步方案。

在确定图4的大致总体布局形式后，工艺、水处理、机电仪、浮体、结构、安全等各专业提交本专业设计参数及要求和建议给总图专业进行上部模块总体布置。FLNG上部模块涉及的机械设备众多，水处理、安全、外输、重控等方面比FPSO的要求更加复杂，液舱的尺寸和结构都会对上部模块有一定要求，总图专业应在与各专业充分沟通的基础上开展工作。相关的接口界面和要求如图5所示。

3)各专业针对布置方案进行分析，合理优化，修改优化总体布置方案。

初步的总体布置方案应经过各专业的分析：工艺专业需分析流程合理性，布置方案对工艺设备运行效率的影响；安全专业应开展布置方案的安全风险评估，提出合适的安全间距；结构专业进行结构分析，制定安装方案；重控专业应进行模块质量统计和重心分析等。对于总体布置中明显不符合本专业要求的，应适当调整布置方案；布置方案中需要对相关专业的参数进行修改的，该专业应合理论证是否经济、安全和可行，适当修改相关参数。例如，本阶段原始建议的船体尺寸进行了优化，船宽缩短了2 m，船长也有所减小；部分机械设备的尺寸为了便于布置，在不影响功能的前提下改变了长宽高；部分设备应布置在船体还是上甲板也应经过相关专业共同讨论后进行了调整。

图5　前期研究阶段FLNG上部模块总体布置的输入参数及界面

经过各专业优化和总图专业修改后，完成了新建FLNG的上部模块总体布置图(如图4)。新建FLNG年处理量为60万t，船总长255 m，型宽44 m。其上部模块的标高为EL.(+)6 m(总图专业关于FLNG的标高均为相对船体主甲板的标高)。根据从艏部到艉部按照安全区到危险区来排列的顺序，并考虑到整体工艺流程，上部模块按艏部到艉部、左舷到右舷的顺序依次布置了生活楼、卸货区、单点、AP/AS、BP/ BS、CP/ CS、DP/ DS、EP/ ES等模块和艉输系统(A/B/C/D/E按照从艏到艉排列，P代表左舷，S代表右舷)。其中AP/AS模块与BP/BS模块采用防火墙进行间隔，隔开了8 m的安全间距。危险区的各模块间采用了3 m的间隔。左右舷的两个模块之间的管廊带为5 m。

3　FLNG总体布置区别于FPSO的特点

国内对FPSO的设计建造已经积累了很多经验，对FPSO设计经验的积累有利于做好FLNG的设计。FLNG与FPSO有很多共性，但也有很大的不同。在设计过程中，对FLNG的总体布置区别于FPSO的一些特点进行了分析和总结。

1)多层布置。单个模块比FPSO层数多，质量大。由于FLNG装置涉及到天然气预处理、液化装置，以及一些原油/凝析油处理设施，加上FLNG和原油/凝析油的外输设施，因此其上部模块甲板面积并不宽松，单层布置很难满足需求。采用多层布置，对于一些塔器(如稳定塔、脱乙烷塔等)装置采用穿层布置，对于换热器等一些小型设备可以采用局部二层小甲板的方式来布置，布置时应合理利用高差势能。

2)质量/重心的考虑。上部模块进行总体布置时，既要保证模块的重心尽量低，左右舷不偏心，同时还要严格控制单一模块的质量。因此FLNG通常采用多层布置，模块质量较之FPSO模块大了很多，在前期研究时应合理规划，保证单一模块质量不超过其安装方式决定的最大安装能力，若采用蓝鲸号安装，大型FLNG的单一模块控制不超过4 000 t，采用其他资源安装，质量限制会更加严格。

3)船体晃动的影响。船体的晃动可以影响FLNG的天然气处理装置的工作效率，为了减小这一负面影响，在布置时通常考虑将大型塔器布置在靠近管廊带的位置。

4)吊装的考虑。采用多层布置时，由于安全上要求工艺设备上方不要进行大型吊装操作，同时部分塔器的高度过高也会影响吊机的操作，因此FLNG上部模块会通过电葫芦、滑道等方式来进行辅助吊装，弥补吊机所受到的这些限制，吊机数量也可以因此得到优化，从而减小上部模块的质量和成本。对于预留安装的模块和设备，也应保证其后期安装时无遮挡，并且不会影响到模块上的其他生产设施。

5)主甲板的高度和管廊带宽度。国内FPSO主甲板高度最小为3 m，一般为4.0、4.4、4.5 m，仅30万t的海洋石油117标高达到6 m。FLNG上部模块主甲板标高考虑因素和FPSO类似，通常是油泵维修提泵所需高度、空间甲板梁高、船舱呼吸孔所需高度、甲板下管线电缆托架所需高度等。由于FLNG上部模块较重需要更坚实的支撑，同时工艺配管的尺寸超过传统FPSO，国外某些设计公司对大型FLNG(300万t的LNG年产量)的主甲板高度设计取值可达8 m，此南海小型FLNG主甲板高度为6 m。同理，国内FPSO的管廊带宽度大都为3.0～3.4 m，大型FLNG的管廊带宽度可达8 m，此南海小型FLNG管廊带宽度取为5 m。

6)安全间距。国内FPSO上通常安全区和危险区间距最小为3 m，多的可达5 m或6 m，本方案选取了8 m的间距。此外，考虑到液化区域的低温泄露和爆炸风险，预处理和液化区域也要保持几米的间距。FLNG为减小爆炸和火灾对周边模块的影响，安全间距比FPSO会取得更高[5]。但安全间距的增大也会引起装置成本的显著增加。目前国际上对FLNG模块安全间距的选取和计算还没有成熟的结论，总体布置专业应与安全专业一起共同分析，确定合理的安全间距。

4　结论

1)通过南海某气田的FLNG开发方案前期研究设计实例，探索了FLNG上部模块总体布置的方法，对其总体布局方式选取所考虑的因素进行了分析，对总体布置的设计流程进行了总结，对总体布置和上下游专业的界面接口进行了梳理，并重点分析了FLNG上部模块总体布置与FPSO的区别。其中，结合具体的设计案例对FLNG上部模块的设计流程和界面的系统梳理属于国内首次。

2)目前国内结合具体气田开展的FLNG设计屈指可数，对设计技术的提炼和规范更是亟待加强。本文总结的设计流程和界面在今后开展FLNG相关的科研和生产设计时，可以提供很好的参考，布置方案和思路也可以用于将来的南海FLNG方案设计。

3)今后还需要不断攻克FLNG前沿技术，尤其是结合液化工艺方案开展上部设备布置优化，并开展三维建模设计来优化总图，早日让FLNG装置服务于中国海洋石油。

[1]谢彬，王世圣，喻西崇，等.FLNG_FLPG工程模式及其经济性评价[J].经济管理，2012，32(10)：99-102.

[2]薄玉宝.浮式液化天然气(FLNG)技术在中国海上开发应用探讨[J].中国海洋平台，2013，28(3)：1-5.

[3]Hans Kristain Ganielsen，Goran Andreassen，et al.The commercial advantages and limitations-Onshore versus Offshore LNG import facilities[C]//The 2009 Offshore Technology Conference.Houston，USA.OTC 19551.

[4]Wouter Pastoor，Kristine Lund，et al.The LNG producer-a generic design with great adaptability[C]//The 2009 Offshore Technology Conference.Houston，USA.OTC 19845.

[5]周建德，余建星，杨源，等.FLNG装置工艺模块安全间距研究[J].石油矿场机械，2012，41(12)：11-16.

Procedure and Example Analysis of FLNG Topside General Layout Design

CHENG Bing，YU Xichong，XIE Bin，WANG Qing，XU Minhang

(CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China)

Due to offshore application flexibility of Floating Liquefied Natural Gas System (FLNG)，intensive researches on FLNG are being made currently in many countries，some of which are even under construction.In order to conduct better research and design of FLNG，an exploration on FLNG topside general layout design are made，based on an actual example of a certain South China Sea FLNG feasibility design project：by introducing overall FLNG development plan of the gas field，analyzing the general layout design procedures，summarizing the interfaces between layout and upstream & downstream professions，finally comparing the differences between FLNG and traditional FPSO general layout.These experiences could be helpful for FLNG research and design in the future.

FLNG；topside；general layout；design procedure；example

1001-3482(2016)09-0041-05

2016-03-29

国家科技重大专项“大型FLNG/FLPG、FDPSO关键技术”(ZX201105026-06)

程兵(1983-)，男，安徽安庆人，高级工程师，硕士，2009年毕业于中国石油大学(北京)油气储运工程专业，现主要从事海上油气集输工艺研究，Email：chengbing@cnooc.com.cn。

TE951

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.009