LNG-FSRU再气化模块设备布置研究

朱 锋， 张 林， 王 俊， 顾晓波

(1.江苏科技大学， 江苏 镇江 212003; 2.南通太平洋海洋工程有限公司, 上海 200070)



LNG-FSRU再气化模块设备布置研究

朱 锋1， 张 林2， 王 俊1， 顾晓波1

(1.江苏科技大学， 江苏 镇江 212003; 2.南通太平洋海洋工程有限公司, 上海 200070)

陆上LNG接收终端受项目投资大、审批周期长、建设时间久、海岸线资源紧张等因素制约，使得海上浮式LNG接收站得到重视。LNG再气化模块是LNG-FSRU重要功能模块，在有限的空间内确定工艺流程、规划系统布置、划分子功能区域、协调结构设计，对设备进行合理布置是综合设计思路的体现，可提高LNG再气化装置的适应性和可靠性。

LNG-FSRU 再气化模块 设备布置研究

0 引言

目前液化天然气(LNG)市场在世界范围内前景广阔，地位日益凸显，我国也在不断加大对LNG的开发利用。我国LNG接收终端大部分是陆地式LNG接收终端，受项目投资巨大、审批周期长、建设时间久、海岸线资源紧张等因素制约，在沿海建设该类接收终端的阻力也越来越大。随着国外海上浮式LNG接收站(LNG-FSRU)工程应用的逐步发展，浮式LNG配套功能模块将成为未来海工的重要发展趋势之一。现在，国内船用LNG再气化功能模块设计制造刚刚起步，对船用LNG再气化功能模块的研究，是满足海上LNG接收站建设的关键要素之一。

1 LNG再气化模块说明

LNG整个产业链包括开采、预处理、液化、储存、运输、再气化等环节，是一个技术密集、投资庞大的完整链系。船用LNG再气化功能模块是LNG动力船和海上浮式LNG接收站的核心装备，在LNG产业链中起到关键作用。

目标LNG再气化功能模块工作时热源主要来源于外界海水，因LNG的存储温度低至-163℃，工程上通常用海水先加热冰点较低的中间介质，再由中间介质把热量传至给LNG进行气化，以此防止海水直接加热LNG而产生冰冻的危险。中间介质在工作过程中组成一个闭环循环系统，本目标LNG再气化模块采用丙烷作中间介质。图1为LNG再气化模块三维模型。

图1 LNG再气化模块三维模型

目标LNG再气化功能模块的工作流程(见图2)是：再气化模块工作时，LNG吸入罐从船体LNG液舱吸入部分LNG以备气化使用；丙烷在丙烷蒸发器进行与外界海水换热；气化中LNG增压泵从LNG吸入罐泵出部分LNG并增压输送至LNG蒸发器中，利用加热后的丙烷在LNG蒸发器中进行加热升温；加热后的LNG通过补偿加热器继续加热升温，最终得到温度在5℃的气体天然气，并通过管道向船舶LNG主机或城市管网供气；有效解决LNG动力船和海上LNG的接收站推广应用中如何对LNG进行高效气化的瓶颈问题[1]。

图2 LNG再气化模块工作流程图

2 LNG-FSRU再气化模块设备布置原则

LNG再气化模块设备布置是一个落实设备参数、确定工艺流程、规划系统布置、划分子功能区域、协调结构设计等综合设计思路的体现[2]。在模块总布置初始规划过程中，就需考虑船型、安装位置、空间重量、整体方案、技术形态等因素，同时结合船体稳性、模块吊装、拖航等性能计算，并最终确定方案。总布置应遵循以下基本原则：

(1) 系统性。从全局出发确保稳性、吊装、拖航等技术性能，这是模块安全运营的根本[3]；

(2) 功能性。以实现再气化模块功能为核心，合理布置模块设备，确保其工作流程的合理性；

(3) 可行性。选择合适的施工工艺，确保在资源、技术上可行并有效控制建造成本；

(4) 稳定性。妥善考虑模块的重心位置、控制模块重量，合理规划各区域的重量分布[4]；

(5) 安全性。全面考虑防火及防爆等因素，在总布置设计之初时即要避免或降低在由于危险区域中布置电气、机械等设备而可能引起的安全隐患[5]；

(6) 高效性。确保安全高效，尽可能保留足够操作空间，注意为设备维护和升级预留空间；

(7) 遵循相关设计标准和指南。

3 目标LNG再气化模块布置现状分析

根据设计任务书要求，船用LNG再气化装置具有3组功能相同、可独立运行的再气化单元。再气化单元既可单组或多组任意配置，也可独立运行，并利用海水热量加热液态天然气，既能改进效率、同时兼顾稳性和安全。目标LNG再气化模块工作具体技术性能指标和主要设备参数如表1～表3可知。

表1 LNG-FSRU再气化装置主要技术与性能指标

表2 设备参数

表3 主要设备空间占用尺寸

因3组LNG再气化模块中的设备布置方式与单组LNG再气化模块布置方式相同，故下文只针对单组LNG再气化模块中各个功能子系统具体设备布置情况进行分析。图3为单组LNG再气化模块设备布置总图。图4为LNG再气化模块设备空间向心关系图。

图3 单组LNG再气化模块设备布置总图

图4 LNG再气化模块设备空间向心关系图

(1) 海水净化加热子系统布置方式

海水净化加热模块主要涉及的设备为丙烷加热器和丙烷预加热器，主要被安放于模块右舷位置，两个设备高度均达2.78 m，因此整个再气化模块层高主要受这两个设备尺寸影响而决定，如图5所示。模块中海水管道管径大，可达40″，为降低模块重心和节省模块内部空间，将海水管道布置在底部集液盘下方。同时，为缩短加热后丙烷管道长度，将丙烷加热器放置于中部平台，将丙烷预加热器安放于底部集液盘。

图5 海水加热子系统布置图

(2) 丙烷循环子系统布置方式

丙烷循环模块作为一个以闭路循环参与模块工作，由图6可知丙烷管系布置主要根据丙烷加热器、LNG蒸发器和结构位置进行布管。丙烷子系统相关的设备和管道主要布置在模块右舷处，丙烷罐则根据LNG蒸发器的位置进行悬置安放。根据管道分析，丙烷流径LNG蒸发器和丙烷加热器之间管道时，首尾两端存在巨大的温差，由于本身管道内部液体流量、压力以及热膨胀会产生较大应力，为了防止管道应力对设备产生不必要的推力，管道均采用弯管形式进行压力释放。

图6 丙烷循环子系统布置图

(3) LNG气化子系统布置方式

LNG气化子系统主要是以LNG蒸发器为核心，结合重量重心等进行布置。如图7可知，LNG子系统管道主要布置于模块顶层平台左舷，将LNG管道集中于顶部平台的优势在于具有较大的空间，以方便工作人员对重点设备仪表以及管道进行检查。与LNG蒸发器相连的管道，也是通过设置弯管进行应力释放的方式布置。LNG增压泵平台设有便于工作人员进行检查修理的楼梯，设备底部贯穿底层集液盘平台，以适当的降低LNG增压泵的重心位置。

图7 LNG气化子系统布置图

(4) BOG子系统布置方式

BOG子系统主要是将LNG液舱中的BOG气体进行收集压缩并通过LNG进行冷凝液化，如图8所示。BOG管道主要是根据BOG气旋分离器和BOG冷凝器位置进行布置。由于BOG需利用LNG过冷进行液化，故BOG冷凝器会布置在模块左舷、LNG气化器的LNG上游管路处，以便BOG气体液化后直接进入LNG管道进行再气化。

图8 BOG子系统布置图

LNG再气化模块设备布置时，充分考虑了LNG增压泵、丙烷增压泵、以及丙烷加热器的空间形状和设备重量。由于在工作状态下，海水管道、丙烷管道将会充满大量液体，而模块右舷位置设备管系比较集中，故而会使模块整体重心偏于右舷，不利于模块工作的安全性。丙烷预加热器的位置，又限制了补偿加热器的安放，使NG管路的管线变长。因此，针对模块重心位置并考虑到操作的便捷性，须对设备布置进行调整。

4 设备布置调整

在进行一定的准备工作并得到相关基础资料后，根据外界环境及其它因素，确定模块各平台方位高度；然后考虑LNG泄露存在爆炸的危险性，并将平台分为若干功能区域, 进行设备布置。由于各个设备将有一定的工作空间范围，因此布置过程要充分考虑设备之间的配合交接、设备的工作范围半径等，确保设备之间不能发生干涉[6-7]。

由上分析可知，重量较大的设备和管系多集中在模块右舷，致使模块重心偏离模块中心线，且整体模型空间尺寸又受丙烷加热器和丙烷预加热器设备形状限制，因此可针对LNG蒸发器、BOG再冷凝器、丙烷罐、丙烷泵、丙烷加热器、丙烷预加热器进行布置调整。此外，模块布置要考虑外界海洋环境的恶劣条件以及整个模块的重心和稳心，尽可能地降低重心高度，同时使重心尽量落于模块轴线附近，利于顺畅生产流程、节约布置空间、 缩短配管距离，有效提高模块的稳定性。

由表2设备参数可知，在单组再气化模块中，丙烷加热器的重量最大，其次是LNG增压泵，再次为丙烷预加热器，而丙烷加热器和丙烷预加热器的位置又会直接影响到海水管的分置位置，故采取将丙烷加热器和丙烷预加热器分置于模块轴线两侧，海水管道可在集液盘底层分布于轴线两侧的方式进行布置。

丙烷加热器采取原有理念设计放置于模块中部平台上，考虑到空间形状需将平台向模块内部延伸，此平台被添加在模块内部靠左舷侧，这样可尽量减少加热后丙烷管的长度，同时，丙烷加热器安放时需预留出用于工作人员进行检查修理的通道空间。

丙烷预加热器则放置于模块内部靠右舷侧，在预留安全通道的前提下，又不能过多地向模块内部平移。因为丙烷加热器和丙烷预加热器需为海水管道、丙烷管道以及丙烷罐预留出充足的空间，以免管道与管道或管道与设备间产生干涉。

丙烷罐的布置方式与原有设计相比，考虑到丙烷罐在模块内部占用的空间，将丙烷罐在XY轴平面内顺时针旋转90°。

丙烷增压泵由原有在模块内部设计调整为被安放于原有丙烷加热器基座平台。

补偿加热器则合理利用了原有丙烷加热器基座平台，同时又减少了离丙烷预加热器和LNG蒸发器直线的距离，减少了管系的长度。

LNG蒸发器考虑到加热后丙烷管道需在顶部平台设置弯管释放，以及连接LNG蒸发器的NG管道的布管，在原有基础上也在XY轴平面内顺时针旋转90°。

LNG增压泵考虑到与调整后的丙烷加热器的干涉问题，同时平衡模块重心，故将LNG增压泵在原有中部平台对称调整到模块靠船艏处，模块中楼梯通道位置保持原有设计。

设备综合布置调整如图9所示。通过设备和主结构调整极大的利用了模块内部空间，为原有丙烷加热器基座中部平台节省出了较大面积，可进行相关电器、仪表安放，多组再气化模块布置可参照此单组模块方式调整。

图9 单组再气化模块设备调整

5 主结构适应性调整

针对上节设备位置调整，丙烷加热器、丙烷预加热器以及丙烷泵位置变动较大，故对各设备基座平台附近的相关结构也需进行调整并做加强处理。通过有限元软件对设备调整完之后的结构进行适应性调整如图10所示。

图10 主结构适应性调整

在进行设备调整时，将原有LNG增压泵基座平台向模块内部延伸，以便于安放丙烷加热器。由于原有中部平台具有较大结构冗余度，故在建模同时，对中部平台结构截面向下调整一级，B9(300×300×8×16)调整为B7(260×260×8×12)，B7调整为B5(200×200×6×10)。

针对模块主结构适应性调整，对模块主结构强度采用规范进行自动校核，利用杆件UC值(UC值为结构实际应力与容许应力的比值)来判断某种工况下，是否满足结构强度要求，对结构强度不满足的构件进行相应的调整，调整后模块结构强度计算结果如图11～图15所示。

图11 吊装工况

图12 正常作业工况

图13 极端工况

图14 拖航工况

图15 爆炸工况

模块主结构进行适应性调整后，在进行强度校核时发现丙烷加热器LNG增压泵平台强度较弱，应对相应结构进行加强处理。处理后的总体结果能满足各工况下的强度要求，调整后主结构重量对比如下：

调整前54.639 t； 重心位置X轴2.57 m，Y轴-0.33 m，Z轴2.56 m。

调整后52.437 t；重心位置X轴2.58 m，Y轴0.02 m，Z轴2.50 m。

可以看出调整后的主结构重心比原有结构重心降低了6 cm，尽管重量增加了2 t，但却明显节省了模块内部各子系统管线和管路保温层的长度，尤其是NG管道的长度。此管道型号为10″SCH.120，平端管质量可达153 kg/m，因此各子系统管道路径的缩短也会有效减小整体模块重量，与主结构增加的重量相抵消，优化布置后模块的整体重量和原有设计重量相当，但整体的稳定性和安全性均得到提升。

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6 总结

通过分析单组LNG再气化模块的原始布置，判断出各子系统中设备、管系与管支架的布置方式，总结出LNG再气化模块整体重心偏于模块右舷的结论。根据总布置原则在模块内部添加工作平台，合理布置重量较大的设备，使各子系统划分更加清晰，既保证了整体重心位置能处于模块轴线位置，也对模块内部空间进行了充分利用。通过对模块重要设备布置调整，提供了LNG再气化模块设备的一种新的布置方案，可作为以后LNG再气化模块布置方法的参考。

[1] Sohn Y，Kim S, Yoon I.Conceptual Design of LNG FSRU Topside Regasification Plant [C]//Proceedings of the Twenty-second (2012) International Offshore and Polar Engineering Conference，2012:917-919.

[2] 刘海霞. 深海半潜式钻井平台的总布置[J]. 中国海洋平台，2007(3):7-11.

[3] 任宪刚，白勇,贾鲁生. 自升式钻井平台总布置的研究[J].船舶工程，2010(s2):121-125.

[4] 赵英年.海洋石油生产平台平面布置设计原则[J]. 中国海上油气(工程)，1994(1):1-7.

[5] Gu Y,Ju Y L. Corrigendum to “Effect of parameters on performance of LNG-FPSO offloading system in offshore associated gas fields”[J]. Applied Energy, 2011, 88(1):417.

[6] 赵英年. 海洋石油生产平台平面布置设计原则[J]. 中国海上油气(工程)，1994(1)：1-7.

[7] Mitchell W J, Steadman J P. Synthesis and Optimization of Smallrectangular Floor plans[J]. Environment and Planning B, 1976(3)：37-70.

Structural Strength Analysis for LNG-FSRU Regasification Module

ZHU Feng1, ZHANG Lin2, WANG Jun1, GU Xiao-bo1

(1.Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212000， China;2 Nantong Sinopacific Offshore & Engineering Co., Ltd., Shanghai 200070， China)

The concept of an offshore floating storage and regasification unit (FSRU) has been proposed as alternatives to conventional onshore LNG import terminals. The LNG Regasification module is the key function module to the LNG-FSRU.In the limited space，how to determine process, plan system layout, allot functional areas, coordinate design is the comprehensive design ideas.It can improve the adaptability and reliability of LNG regasification unit.

LNG-FSRU Regasification module Layout optimization

朱 锋(1987-)，男，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋工程。

U674

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