南海 FLNG 上部模块总体布局方案研究

程 兵，谢 彬，郭朋皞，姚海元，喻西崇，徐敏航

(1. 中海油研究总院，北京 100028；2. 中国海洋石油总公司，北京 100010)

南海 FLNG 上部模块总体布局方案研究

程 兵1，谢 彬1，郭朋皞2，姚海元1，喻西崇1，徐敏航1

(1. 中海油研究总院，北京 100028；2. 中国海洋石油总公司，北京 100010)

FLNG 在南海深水气田开发中应用前景广阔，应加强对其设计技术的研究。本文结合调研和项目经验，总结 FLNG 上部模块总体布置原则和规范，研究布局影响因素，并提出南海 FLNG 布局建议。FLNG 上部模块设计时，应符合安全、经济、合理的原则，并遵守船级社和本行业在总体、工艺、安全等方面的规范；在选择布局方案时，应重点考虑系泊、外输、解脱、工艺方案等 4 个因素的影响；对于南海 FLNG 总体布局方案，采用旁靠时建议按从船首到船尾“单点-火炬-预处理-液化-外输-电站/公用-生活楼”布局，采用尾靠时建议按“生活楼-单点-电站/公用-预处理-火炬-液化-外输”布局。本研究成果可以为今后开展南海 FLNG 上部模块设计提供参考。

FLNG；上部模块；总体布局；设计原则；南海

0 引 言

尽管还没有投产应用的案例，但浮式液化天然气生产储卸装置（FLNG）的技术研究已有 40 年历史[1]。对于海况条件适宜和气田 LNG 产品市场适合海运，或远海、深海的天然气开发利用项目，FLNG 技术方案具有显著的技术经济优势[2]。近十年来已经有 17 个项目处于设计或建造阶段，海上潜在应用区域包括非洲沿海、澳大利亚北部、中国南海及南美北部和阿拉斯加沿海地区[3-5]。FLNG 已成为开发深水天然气的重要技术手段。对于 FLNG 设计时要遵循的原则、规范和布局方案的选择，目前国内鲜有公开报道，有必要加以研究。本文在中国海洋石油总公司开展的国家科技重大专项“大型 FLNG/FLPG、FDPSO 关键技术”基础上，结合所开展的南海小型 FLNG 可行性研究项目的经验，总结了 FLNG 上部模块总体布置的原则和参考规范，对 FLNG 上部模块设计阶段总体布局的选择方法开展了研究，并对南海的 FLNG 布局形式提出了建议。

1 FLNG 上部模块总体布置设计原则

在开展 FLNG 上部模块总体布置之前，应明确其设计原则，参考国际上 FLNG 在建项目的经验，结合中海油对 FPSO 等海上装置的要求，制定了 FLNG 上部模块总体布置原则，其设计应符合安全、经济、合理的要求[6]，具体如下：

严格遵守《浮式生产储油装置（FPSO）安全规则》等设计规范，符合其要求与规定；

危险区的区域和模块应尽量与含有引火源和引爆源的区域和模块远离；

应使危险区逸出的可燃气体，进入含有引爆源的区域的可能性减至最低；

应满足工艺流程的最佳需要，操作安全可靠、经济合理；

布置设备时，考虑了逃生路线及所有设备的操作和维修空间，考虑上部模块总体重心平衡，救生设备放置在安全且能顺利到达的位置，使得工作人员能尽快安全脱离危险区域[7]。

应尽量减少船体运动对旋转设备的影响；

应尽量减少关键设施在LNG泄露时，遇低温脆化的风险。

2 FLNG 上部模块总体布置参考规范

由于 FLNG 是一种新型装置，对于该装置的设计、建造、安装和运行所需要遵循的规范，目前国际上并没有标准的做法和建议。FLNG 作为海上浮式装置，类似 FPSO 需要遵守海上浮式装置的规范；作为油气生产加工设施，需要遵守生产设施的规范；作为生产和储卸 LNG 这一低温产品的装置，也应满足 LNG 的相关规范要求。FLNG 的上部模块布置涉及了总体、安全、工艺等多个领域，应满足各专业的需求[7]。在调研国外 FLNG 装置设计和开展国内 FLNG 前期研究的基础上，对开展 FLNG 上部模块布置所需参考的主要规范进行总结，如表 1 所示。在进行 FLNG 上部模块布置时，可以参考这些规范，来开展设计工作。

3 FLNG 上部模块总体布局的影响因素

在确定了设计原则和规范以后，FLNG 上部模块的总体布置就有了更好的依据。在开展上部模块布置时，其总体布局方案的确定是最关键的一项内容。总体布局方案指的是 FLNG 的工艺处理系统、公用系统、外输系统、生活楼、系泊系统、火炬等各功能区块以何种方式和顺序排列和布置。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。

表 1 FLNG 上部模块总体布置参考规范Tab. 1 Rules and regulations for FLNG topside general layout

1）系泊方式

不同的系泊方案需要用到不同的系泊设施，不同的设施在 FLNG 布局上所占的位置不同，空间也会有所差异，甚至会对其他相邻系统有影响。对于依托岸上进行 LNG 加工的靠岸型 FLNG，其一般位于终端附近的港口，可以直接采用港口系泊，这种系泊方式占用的上部模块空间很小；对于全海式开发的 FLNG，当环境条件良好时，采用多点系泊可有效降低成本。而采用外转塔单点系泊时，可以有效节约船体的尺寸，缩短船长，充分利用上部甲板空间。内转塔系泊方案会占用甲板空间，要求布局更紧凑，会让 FLNG的成本更高，但可以适应更恶劣的海况。不同系泊方式对 FLNG 总体布局的影响如图 1所示。

2）外输方式

FLNG 外输方式通常可以分为旁靠和尾靠，它由环境条件和船体的运动性能确定。FLNG 旁靠外输方式技术更加成熟，但对环境条件要求较高[8]。若采用旁靠，外输装置一般安装于 FLNG 船舯区域，一般需单独占据 1～2 个模块。旁靠外输作业对于海况要求较高（波高 Hs ＜ 2.5 m），在南海气候条件恶劣、外输作业气候窗较窄的前提下，若船的整体运动性能不佳，会有较多的时间因天气影响而无法进行外输。采用尾靠方式，其外输效率有所降低，但外输系统布局更为紧凑，其作业对海况的适应性大幅提高（Hs ＜ 5.5 m），更有利于保证外输作业天数，作业时两船靠泊难度低，作业时距离远，安全性高，在南海的适应性很好。

3）解脱方式

由于海上环境的变化和恶劣天气出现的可能性，FLNG 装置需要考虑好是否解脱的问题。解脱方式的选择对其布局的选择影响非常大[9]。若设计要求 FLNG具备解脱能力，则一般会要求 FLNG 具备自航功能，这就需要满足航行船规范，生活楼必须设置在船首，而不解脱的情况下生活楼布置在船首或船尾均可；其主尺度一般要加长几十米，主电站设在尾部机舱内，配备尾部推进器；舷外取水管系设计考虑在解脱之后自航之前回收，甲板上应留有堆场来摆放取水管，这样上部模块设施需要的空间就更大；单点设计应满足快速解脱。

4）工艺方案

FLNG 的预处理和液化等工艺方案会决定其上部模块所需装置的复杂程度，从而影响其整体布局[10]。如 Caribbean 等靠岸型 FLNG，通常都是在陆上提前进行预处理，到 FLNG 上直接液化，因此 FLNG 上的工艺设施数量就相对较少，整个的布局十分紧凑，船体的尺度较小；通常采用单混方案的 FLNG 处理规模较小，船体尺度也较小；采用双混或者双氮液化方案对尺寸的适应性更强，采用级联方案的 FLNG 通常尺寸较大。此外，FLNG 上是否采用乙二醇回收装置对FLNG 的整体布局也有影响，因为该装置尺寸大设备多，往往需要占据整个模块。

4 南海典型 FLNG 总体布局方案建议

FLNG 作为一种潜在的开发方案，在天然气资源丰富的南海具有广阔的应用前景。根据前文介绍的总体布局影响因素，在符合总体布置设计原则和遵守规范要求的前提下，对南海的典型 FLNG 总体布局方案提出了建议。

由于南海环境条件相对恶劣，通常采用内转塔单点系泊；由于要求 FLNG 具备台风期间解脱的能力会大幅提高该装置的投资，并且根据模拟在台风期间可以保证液舱的安全，因此不考虑进行解脱；天然气来自深海而非陆上，不考虑靠岸式的 FLNG 开发模式，而采用全海式开发方案。在确定以上几点影响因素后，FLNG 总体布局方案的选择就主要取决于外输方式。不同处理规模的 FLNG，其运动性能会有所不同，再结合考虑所在海域的环境条件，即可判断出旁靠是否可以满足外输作业天数的要求，如果不能，则需要考虑尾靠的方案。因此，对于环境条件相对温和、FLNG 尺度较大，且旁靠可以满足要求的，推荐旁靠方案。对环境条件恶劣的小型的 FLNG，建议采用尾靠方案。

旁靠方案的总体布局建议方案见图 2。采用旁靠方案时，外输系统位于船中，从船首到船尾依次布置了单点-火炬-预处理-液化-旁靠外输装置-电站/公用模块-生活楼，整体的布置趋势是从“危险”到“安全”。首部布置了单点、火炬等危险设施，首部到船尾依次按照油气接收、预处理、液化、外输的流程来排列；生活楼布置在尾部，公用系统、电气房间等位于生活楼和危险区之间。这一布置方案中各模块按照危险程度依次过渡排列，生活楼在尾部受风浪影响较小，目前国际上披露的环境条件较好地区的 FLNG 项目设计时大都采用此布置方案，如壳牌公司的 Prelude。

尾靠方案的总体布局建议方案见图 3。采用尾靠方案时，外输系统位于船尾，从船首到船尾生活楼-卸货区-单点-电站/公用模块-预处理-火炬-液化-尾靠外输装置，整体的布置趋势是从“安全”到“危险”。生活楼布置在首部，由于风向标效应其舒适度略差于将其布置在尾部，但其处于上风向，安全性更佳；火炬远离安全区域，布置于船中部，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。

5 结 语

我国南海天然气资源丰富，而华南沿海地区的天然气供给充足，在这样的背景下，FLNG 装置很可能会对我国南海气田开发发挥重要作用，因此对 FLNG设计的关键技术也应该加以重点攻关。FLNG 上部模块设计时，应遵守类似本文提出的总体布置原则，以满足安全生产的要求和 LNG 相关装置的需要；开展总体布置时应参考的规范包括 DNV 等船级社和国内石油行业的相关规范，且涉及的规范应包括总体、工艺、消防、安全等多个专业；在进行布局方案选择时，应重点考虑系泊方式、外输方式、解脱方式、工艺方案等 4 个因素以确定方案；对于南海典型 FLNG 总体布局方案，从船首到船尾采用旁靠时建议考虑“单点-火炬-预处理-液化-旁靠外输装置-电站/公用模块-生活楼”的布局，采用尾靠时建议考虑“生活楼-卸货区-单点-电站/公用模块-预处理-火炬-液化-尾靠外输装置”的布局。以上经验可以为今后开展 FLNG 的研究和设计工作提供参考。

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Research of FLNG topside general layout scheme in South China Sea

CHENG Bing1, XIE Bin1, GUO Peng-hao2, YAO Hai-yuan1, YU Xi-chong1, XU Min-hang1
(1. CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China; 2. China National Offshore Oil Corporation, Beijing 100010, China)

Research on FLNG design technology should be strengthened due to its bright future in in South China Sea deepwater gas field development. Based on investigation and project experience, FLNG topside general layout principles and regulations are concluded, layout influence factors are studied, and suggestions on South China Sea FLNG layout are made. During FLNG topside design, principles of being safety, economy and reasonable should be accorded, regulations of general layout, process and safety of classification society and the business should be followed. Anchoring, offloading, disconnecting and process should be considered when selecting the general layout scheme. As far as South China Sea FLNG layout is concerned, from bow to aft, it’s suggested as single point -flare -pretreating -liquefaction -offloading-power/utility- living quarter for side-by-side offloading, and as living quarter- single point- power/utility- pretreating- flare- liquefaction- offloading for tandem offloading. The results can provide references for future FLNG design in South China Sea.

FLNG；topside；general layout scheme；design principle；South China Sea

PT51

A

1672 - 7619(2017)02 - 0075 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.015

2016 - 04 - 18；

2016 - 07 - 25

国家科技重大专项资助项目（2011ZX05026-06）

程兵(1983 - )，男，硕士，高级工程师，主要从事海上油气集输工艺研究。