LNG 浮式岸站终端设计难点分析与对策研究

宋 炜，袁红良，段 斌，吴丽萍

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引 言

我国是一个能源资源严重紧缺的国家，人均能源远远低于世界平均水平。虽然煤炭资源较丰富，但石油和天然气储量却捉襟见肘。长期以来我国国民经济发展一直依赖的是煤炭资源，但由于煤炭热值低且对大气环境污染严重，使得我国开始对能源的消费结构实施调整，走可持续发展之路，城市燃气和发电将逐步以天然气取代煤炭和石油，天然气以其清洁、方便、高效的特性成为替代煤炭、石油最合适的优质新型能源[1]。

随着我国国民经济持续快速发展，能源战略政策的付诸实施，国内对 LNG的需求快速增长。据中国船舶工业行业协会的《LNG船市场分析报告》预测，我国天然气需求在未来5～10a将以15%左右的速度增长。天然气在我国能源消费结构中所占的比例越来越高，我国自产天然气已无法满足日益加快的国民经济发展对于新兴能源的需求，只能通过从海外引进天然气资源，弥补能源短缺，这成为我国实施能源战略的重要决策。

目前，大量进口液化天然气（LNG）主要通过海上运输方式，海上运输LNG需满足两个条件：可运输超低温液化天然气的 LNG运输船，以及可接收天然气的浮式或陆地岸站终端，即天然气在陆上终端生产后，经LNG运输船送至浮式或陆地岸站终端，然后气化处理再输送至用户（见图1）。

图1 LNG海上供应链

1 LNG-FSRU的优势

对于接收天然气的岸站终端，国家发改委于2004年6月制定了《关于我国液化天然气进口方案的建议》，提出在广东、福建、山东、浙江、上海、江苏、辽宁、河北、天津、广西等沿海地区建设若干LNG岸站终端。我国当前已经规划的LNG岸站终端一共有十余个，目前广东、福建和上海LNG项目的陆地岸站终端均已建设完工并投入使用，其他岸站终端将陆续开始建设。

虽然已有数个LNG陆地岸站终端投入使用，但是LNG陆地岸站终端的选址需要满足一定的条件，而建造更是需要投入大量的资金，具有一定的局限性。

首先，需要有适合大型LNG船停靠的港口，可是根据我国大陆沿岸自然地理条件，可以建造LNG岸站的港口较为有限；其次，LNG易燃易爆，为安全考虑，还要遵从距离居民密集区较远的原则；再次，建设LNG陆地岸站终端除了需要投入大量的资金外，还需占用大面积宝贵的土地资源。

LNG浮式岸站终端可避免上述约束和不足。LNG浮式岸站终端是一种具备LNG存储及再气化功能的海上浮式岸站终端，依靠有效的系泊固定后接收LNG运输船运送的LNG，并对液化天然气进行再气化处理，然后通过海底管道输送上岸。LNG-FSRU可广泛应用于我国广阔的沿海地区，同时建立 LNG-FSRU可有效地降低投资成本，并节约大量的土地资源。

LNG-FSRU在国外已有应用实践。自2005年首个LNG-FSRU在美国建成投入使用以来，已经有数个LNG-FSRU在美洲和欧洲陆续建成并投入使用，其中我国天津市同样有1艘LNG-FSRU也在使用，目前运行情况良好。事实证明，LNG-FSRU设计和建造技术已十分成熟，与LNG陆地岸站终端相比，LNG-FSRU具有建造成本低、建设周期短、灵活性高等优点。

2 LNG-FSRU的设计难点与应对方案

LNG-FSRU可以说是将陆基的再气化工厂移植到船舶上。再气化系统其本身就极为复杂，要求有极高的安全性、可靠性，而在船舶上相比陆地具有空间有限、船舶晃荡等更为恶劣的工作环境以及诸多不可预见的因素，故LNG-FSRU具有更为错综复杂的设计要求。

2.1 液货舱的晃荡

LNG-FSRU作为连接陆地天然气用户和LNG运输船的中转站，是长年漂浮在固定海域的海上存储终端。由于LNG-FSRU长期漂浮在海上经受波浪冲击，使得液货储存舱内的LNG不断晃动，一旦其运动的固有周期接近船体运动固有周期时，将出现液货舱晃荡共振，对LNG储存舱造成较大破坏，严重威胁LNG-FSRU的安全性和可靠性。因此必须对LNG-FSRU的液货舱的晃荡进行专项分析研究，并通过液货舱晃荡试验进行验证。

LNG-FSRU设计首先需要对应用条件进行系统研究，包括海况、水深、气候因素等，量身设计确定船型尺度及线型，同时考虑稳性及总体布置的要求，进行多方案分析研究，设计选取最优化的LNG-FSRU船型。

其次，LNG-FSRU还要对液货舱晃荡模拟分析进行全面细致的研究。分析不同波浪载荷对液货舱中不同液位LNG的晃荡程度（见图2），并进一步分析LNG货舱晃荡对液货舱维护系统的影响。当液货舱内LNG液货的运动固有周期接近船体运动固有周期时，将会出现液舱晃荡共振风险。

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图2 单货舱不同液位的晃荡模拟分析

单货舱设计在装载液位极高（大于70%）和极低（小于10%）时具有非常好的抗液货晃荡冲击效果，但在这之间单货舱是无法承受 LNG晃荡生成的巨大冲击力。为解决液货舱的晃荡问题，双排液货舱（简称“双排舱”）的设计应运而生双排舱设计是在货舱中间增加结构隔离，不仅极大地降低液货舱中LNG晃荡程度，不再有LNG装载液位的限制（见图3），同时还能作为上层甲板的中间支撑，防止上层甲板由于设置再气化装置而导致的凹陷变形，提高货物维护系统的安全性和可靠性。

图3 单货舱和双排舱的晃荡比较

2.2 高压LNG管路的泄漏

LNG-FSRU是通过LNG高压泵组将-163℃LNG液货增压至10MPa的极高压力，然后通过换热器将高压LNG进行气化后输送到用户（见图4）。LNG的泄漏主要发生在再气化装置和LNG集管所在处所。泄漏的LNG会直接渗透过油漆而接触甲板，使钢材迅速脆化，直接导致管系、设备、结构支架和甲板的断裂，并可能引起二次破坏和船体结构破坏。

由于FSRU的再气化装置长时间持续工作，且高压泵组数量较多，这就极大增加了LNG泄漏的可能性；同时，FSRU需要长期稳定输出天然气，一旦由于LNG泄漏导致船体结构破坏，将带来极大的经济损失。因此，为避免高压 LNG管路的泄漏以及泄漏后可能会发生的连锁反应事故，必须采取一系列必要的防护手段和措施加以应对。

图4 LNG加工流程

2.2.1 LNG高压泵组采用不锈钢围池和封闭式设计

为防止高压泵组区域的LNG泄漏，首要措施便是设置不锈钢围池。不锈钢围池能有效防止泄漏的LNG直接滴落到甲板上并进行收集，还需要考虑安装泄放阀对收集的LNG进行泄放，不仅能够就地手动控制，考虑到人员安全，还应能进行远程操作，将泄漏的LNG引导回货舱内或直接排至船外。同时，考虑到高压LNG泄漏可能会形成LNG的喷射现象，会对周围设备和甲板造成极大的危害，因此需要在高压泵组周围设置保护墙，形成封闭式设计，并在围池内安装温度传感器，以便尽早发现LNG泄漏。

为避免被泄漏的LNG破坏，在高压泵和LNG集管区域的LNG管路上的管夹和支架应考虑采用不锈钢材料，这样可以极大地降低因LNG泄漏而导致的对LNG管系的影响。

2.2.3 阀件采用焊接型及热交换器选用免拆洗式

为尽可能降低LNG泄漏风险，高压LNG管路上的阀件应尽可能避免用法兰连接而采用焊接型，尤其是在高压泵组出口到计量装置之间的管路上。值得注意的是板冷器进出口位置是可以做成焊接型的，但是计量装置只能是法兰连接，这样该处将会成为泄漏源，必须考虑措施防止高压LNG泄漏，如围池和法兰防溅射罩。同时，板冷器应尽可能采用全焊接型式，无需进行拆洗，能够有效防止板冷器中各个板之间的LNG泄漏。

2.2.4 耐低温油漆的应用

为防止泄漏的 LNG直接滴落或溅射到船体甲板上，需要考虑在甲板上涂上一种特殊的耐低温油漆。图5显示的是耐低温油漆的结构及性能曲线。耐低温油漆通常具有比常规油漆更高的抗拉强度和延伸率，表现出极强的柔韧性，该特点使弯曲和振动中的结构具有更强的抗裂性，使其能耐受更大的断裂应力，故能承受在低温和爆炸波超压的冲击。作为甲板上的油漆，除了在低温具有较好性能外，还必须具有防火耐高温的特性。由于耐低温油漆价格昂贵，故主要应用在再气化装置和LNG集管所在处所等LNG泄漏的高发区。

图5 典型耐低温油漆结构及性能曲线

2.3 再气化系统的设计

再气化系统作为LNG-FSRU上的再气化工厂，是处理高压、低温LNG液货的关键核心设备。再气化装置包括高压泵、再冷器、气化器和加热器等主要部分。顾名思义，气化器的目的主要是将液态的LNG气化成气态的天然气，它利用丙烷作为中间媒质将热源（海水、蒸汽等）的热量传递给LNG进行气化。加热器是将刚刚气化的天然气加热至0℃以上，加热方式与气化器类似。通常，气化器能够提供全部的70%～80%热量，而剩余的20%～30%能量则由加热器提供。

2.3.1 气化加热系统的防腐蚀设计

过去的再气化系统采用的二级加热设计，即由海水加热丙烷，丙烷再将热量传递给LNG。这种设计需要将海水通过专用的海水泵输送到布置在几十米高主甲板上的再气化装置里。由于再气化装置所用的海水需求量极大，数量级都是以万吨计，因此，气化加热系统的海水管管径大，长度长，设计安装较为困难，且海水具有极强的腐蚀特性，使得海水管腐蚀泄露概率较高，维护检修难度大，对LNG-FSRU具有很高的危险性。同时，气化加热系统的海水泵排量大、设计压力非常高，目前只有极少数厂家能做到。

面对气化加热系统的海水管腐蚀问题，采用三级加热的设计能够很好解决该问题（见图6）。三级加热设计是在原有的二级加热设计基础上增加一级乙二醇水加热过程，即海水加热乙二醇水、乙二醇水加热丙烷、丙烷再加热LNG。乙二醇水性质稳定，无腐蚀性，极易维护。由于增设一级乙二醇水加热，需要增配海水/乙二醇水换热器和乙二醇水泵，可以布置在一个专用的货物气化加热房间中。货物气化加热室可以布置在低位，这样可以极大地缩短海水管长度，降低维护检修难度，且能够减小海水泵设计压力，有利于设备设计选型。

2.3.2 气化加热系统防止加热失效的特殊考虑

由于气化加热系统中加热过程纷繁复杂，涉及多个系统和设备联动配合，一旦加热失效，低温高压的LNG无法正常气化，后果将非常严重的。因此，必须对气化加热系统发生加热失效的情况给予设计上的特殊考虑。

首先需要在重要管路上设置压力和温度传感器，还要在再气化装置上安装红外气体探测器，并在气化器和加热器的 LNG和丙烷管路上设置应急切断阀。同时，考虑到传感器感应和阀件应急切断的滞后性，还应在气化器下游管路在一定长度内采用不锈钢材料的耐低温设计。

3 LNG-FSRU设计方案

沪东中华造船（集团）公司在成功设计建造LNG运输船的基础上，开始致力于LNG产业链相关装备的研发。沪东中华通过与美国船级社ABS、法国船级社BV、挪威船级社DNV、中国船级社CCS等知名船级社，以及业内资深咨询公司展开密切合作，成功自主研发了20万立方米级别的LNG-FSRU（见图7）。

图6 三级加热设计原理

沪东中华LNG-FSRU采用双排舱设计，具有极佳的抗晃荡效果，不再有LNG装载液位限制；安装4台再气化装置，最大气化量达到近1000t/h；装卸货管路系统设计更加灵活，能够同时实现对码头输气管路、大型LNG运输船、小型LNG加注船以及LNG槽车等终端的输送或是装置；采用三级加热设计，增设海水/乙二醇水换热器和乙二醇水泵，并布置在专用的货物气化加热房间；配置5台双燃料发电机组，为全船提供动力能源[2]；同时为了提高能效，还为主要的海水泵、乙二醇水泵等配置了变频系统。

沪东中华LNG-FSRU采用了很多最新的设计理念，尤其是在货物围护系统、货物再气化加热系统等系统设计中进行了优化，使之成为新一代LNG-FSRU的典型设计。

图7 沪东中华LNG-FSRU

4 结 语

当前，全球环境保护和节能减排的推行使得LNG产业链发展迅速。LNG-FSRU的自主研发是沪东中华立足于丰富的LNG船设计和建造经验基础上，紧跟市场需求和发展节奏，依托“国家能源LNG海上储运装备重点实验室”，积极研发高新技术LNG海工产品，并重点在关键装备国产化及产业延伸化方面开展工作，继续巩固沪东中华在LNG装备产业中的优势。

[1] 敬加强，等. 液化天然气技术问答[M]. 北京：化学工业出版社，2006.

[2] 蒋 玮，等. 液化天然气作为船用燃料的可行性研究[J]. 船舶与海洋工程，2013, (3): 74-76.