东海边际气田开发多边形FLNG装置技术方案

(中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司,天津 300452)

多边形FLNG(LNG Floating Production Storage and Offloading Units)方案确立是以满足全海式滚动开发东海天然气(产能规模在80 万方/天边小气田)为目标，本文从浮体型式、海况适用性、液化工艺、外输方式、液货舱选型等方面论证装置在东海海域作业的技术可行性。

1 设计基础

1.1 环境条件

生产装置按满足东海海域100 a一遇环境条件设计；设计水深150 m，设计寿命是25 a。

参考东海海域水文气象环境，风、波浪和海流极值见表1。

表1 环境条件极值

1.2 设计规范

本浮式生产装置用于国内海域，入CCS级。参考设计规范包括国内法律法规、IMO公约、船级社规范及其他国际标准。

为实现东海边际气田的有效滚动开发，借鉴目前国内外海上浮式生产装置全海式开发项目案例。经综合分析，选择“水下井口+多边形FLNG+LNG运输船”的开发模式，见图1。

图1 多边形FLNG开发示意

2 LNG罐舱选型

4种典型LNG储罐舱型见图2。

图2 LNG储罐舱型

在布置空间足够的前提下，综合各因素，从降低造价、缩短建造周期、应对避台期间控制舱压的角度考虑，确定采用Type C型舱方案。

3 结构型式选择

海上石油气的液化及储存是一个复杂的系统工程，对浮式装置有特殊的要求[1]。

目前FPSO工程上应用较多的结构型式有船形和圆筒形。在中国南海、英国北海以及巴西等海域，使用船形浮式装置需采用造价和维护成本高昂的单点系统，圆筒形浮式装置环境方向性不敏感，整体运动性能更优，良好的耐波性使恶劣海况生存能力更强，可降低单点系统带来的高昂造价和维护成本。

多边形近似圆形，多边形浮式生产装置目前还处于研究阶段。综合考虑，本方案采用多边形筒体的结构型式。

4 工艺处理模块

多边形FLNG工艺处理模块应满足现行标准及规范、规则的要求，适合在海上高盐雾、高湿度、日温差大的环境里生产。满足横摇不大于8°，纵摇小于2°，工作环境温度-6 ℃～35 ℃，最大相对湿度95±3%(20 ℃)的正常生产需要；具有抵抗100 a一遇台风能力。具有小型化、模块化、分散化的特性，适合在FLNG有限空间内布置。

FLNG工艺的选择主要从液化装置的规模和安全性两方面进行分析和决策。对于小型液化工艺，常采用单混合制冷剂流程和膨胀流程[2]。

净化工艺采用应用于LNG领域成熟的工艺，选择MDEA吸收法脱除酸性气体、分子筛脱水、浸硫活性炭脱汞、及洗涤法脱重烃，见图3。液化工艺选择比较节能的混合冷剂液化流程，见图4。

图3 天然气净化流程示意

5 主尺度及总布置

5.1 主尺度

多边形FLNG主尺度主要控制因素包括：液货储量、工艺模块甲板面积、耐波性、稳性、系泊系统、排水量等。为贴合C型液罐形状，尽量减少C型液罐占据的主体空间，以十边形FPSO作为母型参考，确定本FLNG采用10边形筒体。

图4 天然气液化流程示意

通过定性和计算分析，随着主尺度降低，垂荡固有周期减小，考虑多边形方案为永久性系泊装置，为保障作业安全性，降低垂荡共振和甲板上浪风险，应使其固有周期避开波浪能量集中范围。本方案主尺度取值见表2。

表2 主尺度 m

5.2 总布置

多边形FLNG是一个带电站和油气水处理系统的浮式生产系统，带有30人生活楼，具有发电、生产和生活支持、油气处理、LNG存储和外输功能，可为水下生产系统提供电力和控制。基于运动性能和甲板面积的需求，采用底部阻尼板和上部外飘结构的形式。总体布置见图5。

图5 多边形FLNG总布置

主甲板与工艺甲板之间的区域，主要用于锚泊定位设备、管缆、应急发电机室、无须自然采光的公共生活设施处所的布置。采用3组锚泊定位系统，并且在主甲板外围和工艺甲板之间设计有向外延伸的防浪墙，在主甲板接近防浪墙附近还有挡板，有效保护区域内的设备及管缆等不受到海水的侵蚀。

工艺甲板位于主甲板之上4 m，满足规范至少3 m的安全设计范围，在控制重心高度的前提下提供了较为宽裕的空间以保证主甲板上设备的维修吊装及其工艺甲板下管缆的布置。在对应下方C型液罐气室的位置开设有平式舱口盖，便于吊装维修液货泵。

生活楼、直升机甲板、卸货设备、火炬塔、氮气系统和工艺处理设备位于上甲板上方的工艺甲板上。火炬塔向舷外倾斜延伸于舷侧之外和生活楼相对布置，尽量减少火炬热辐射区对生产区和生活区的影响。

左右舷各布置一台输送软管绞车，绞车位于吊车覆盖范围内，用于向海面释放低温漂浮软管用于外输LNG作业。左右两舷主体设置2 m宽的双壳结构和2.5 m高的双层底结构，双壳空间根据调载和破舱要求划分成若干个边压载水舱，双层底空间根据调载要求划分成若干个底压载水舱和舱底水舱、污油舱等液舱。主体中心部位设置垂向的圆柱形海底立管连接通道和平台。主体其他空间在水平方向上前后左右共划分成4个类扇形空间，左右2个类扇形空间用于安放Type C型LNG储罐(总舱容12 600 m3)。

6 稳性及耐波性分析

6.1 稳性分析

对于风倾力矩计算，主要考虑主船体、吊车、生活楼、工作模块、火炬等的风载荷，不考虑构件的遮蔽效应。计算风模型采用三维面积模型，计算0°、45°、90°方位不同吃水下的风倾力矩。

按照船级社规范关于稳性衡准的要求,经计算，完整稳性和破舱稳性均能满足规范要求。

6.2 耐波性分析

多边形FLNG浮式结构物的耐波性计算采用三维频域势流理论求解，横摇和垂荡粘性阻尼采用CFD方法计算得到。通过分别模拟平台的横摇和垂荡静水自由衰减运动，根据衰减曲线计算得到相应的阻尼系数。纵摇粘性阻尼系数采用与横摇相同的数值。通过计算获得FLNG 6自由度运动RAO曲线，以及指定4个位置P1～P4三向加速度RAO曲线，指定位置见图6。

图6 指定计算加速度的位置

不规则波波浪谱采用Jonswap谱，谱峰因子γ采用DNV规范方法计算。计算浪向为0°～180°，间隔30°。

计算结果表明，在100 a一遇的海况下，有义波高为13.4 m，对应的横/纵摇单幅有义值最大为1.953°，均满足工艺处理设备要求幅度。各考察点的各向运动加速度均小于0.2g，处于正常范围内。

7 系泊定位分析

系泊系统采用常规的多点系泊设计，包括3套锚链传动装置、锚泊链以及必要的导链轮及导缆器。锚泊链共9根，3根为一组，采用3×3的形式布置，每组相邻锚泊链水平内夹角为3°，由锚链+钢丝绳+锚链组合而成，布置形式见图7，主要参数见表3。

立管区域布置在主体中心，由刚性管道组成导向立管，从主船体最下端延伸到主甲板，柔性立管自下而上贯穿在刚性立管中，在主甲板立管区域与工艺模块的进口管汇系统相连。

采用CFD方法计算不同风向下的风力系数和不同流向下的流力系数。根据BV规范要求，对于风、浪和流环境的重现期采用3种组合方式，见表4。

图7 系泊缆布置示意

表3 系泊系统主要参数

表4 生存工况环境条件重现期组合 a

每种环境组合类型从0～360方向内选择9个主浪向，分别为0、45、60、90、135、180、225、270、和315。风、流及浪的方向夹角组合见表5。

表5 风和流向与浪向组合 (°)

系泊计算结果表明，采用GR3有档锚链，链径180 mm，破断负荷18 076 kN的180 mm公称直径钢丝绳可以满足规范要求的缆绳安全系数。

8 LNG外输方式

FLNG的作业方式和FPSO类似，目前可用的外输方式都是基于FPSO的作业方式。经过几十年的经验积累，FPSO外输方式有串靠卸油、旁靠卸油、串旁靠联合卸油、悬链式浮筒单点系泊系统和HiLoad等多种方式。并靠卸料系统适用于允许最大有义波高≤2.5 m的相对温和海况。串靠卸料系统允许最大有义波高达4.5 m[3]。

根据作业海域风浪流的方向特征，主要方向集中在南北两个方向，为了便于利用风标效应使提LNG运输船位于安全船位，考虑在两个方向都具有外输能力，多边型FLNG外输设备在两舷各配置1套LNG外输系统，每套系统由软管绞车、液压系统和电气系统等组成，具有软管收放、排管、静态制动、管系吹扫、安全保护(应急释放等)等功能，在绝大多数的情况下，下风侧安全外输。

多边型FLNG外输方案采用双外输点方案，使用动力定位LNG运输船或者常规LNG运输船增加艏侧推及增加拖轮辅助靠泊和在泊。

9 LNG舱压控制

方案中LNG储罐产生的BOG蒸发气可以经BOG回收作为再生气被净化单元利用，从净化单元出来的再生气进入燃料气收集系统用于双燃料发电机组。但在避台风期间，LNG生产装置需要停止运行，所有人员撤离平台。考虑外输限制和后续恢复生产的需要，LNG储罐需要保持在装货状态，因此在该期间，LNG储罐产生的BOG蒸发气的处理需要有适当的考虑和对应方案。在此条件下，为使液货舱的压力和温度保持在设计范围内，采用压力积聚(蓄压)的方法。

Type C型舱IGC最小设计压力0.36 MPa(g)。经计算，一个设计释放压力为0.4 MPa(g)、蒸发率为0.3%的6 000 m3的LNG储罐，在97%的装载率下，可以维持约7 d，在此期间内舱压大概上升30～35 kPa(g)。Type C型舱的承压能力完全可以承受1周的蓄压要求。因此只要避免液舱的装载水平过高，采用压力积聚(蓄压)的方法在抗台期间实现对液货舱的压力和温度的安全控制是完全可行的。