FLNG研究现状及在中国南海深远海气田开发中的应用前景*

谢 彬 喻西崇 韩旭亮 李 焱

(中海油研究总院 北京 100028)

FLNG研究现状及在中国南海深远海气田开发中的应用前景*

谢 彬 喻西崇 韩旭亮 李 焱

(中海油研究总院 北京 100028)

谢彬,喻西崇,韩旭亮，等.FLNG研究现状及在中国南海深远海气田开发中的应用前景[J].中国海上油气，2017,29(2)：127-134.

XIE Bin,YU Xichong,HAN Xuliang,et al.Research status of FLNG and its application prospect for deep water gas field development in South China Sea[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(2):127-134.

大型浮式液化天然气生产装置FLNG是一种用于深水气田的新型开发模式。本文详细阐述了FLNG应用背景及其国内外研究现状，深入剖析了FLNG装置的相关技术特点及所涉及的关键技术，分析了中国南海深远海气田开发过程中FLNG装置的应用前景。研究结果对我国FLNG研究具有指导意义。研究结论认为，只有形成FLNG关键技术和设备的本土化，形成不同规模FLNG装置系列化设计能力，打破国外关键技术和设备的专利垄断，带动国内深水工程技术和设备产业发展，才能实现FLNG装置在中国南海深远海气田开发中的实际工程应用。

FLNG；深水气田开发；发展现状；关键技术；中国南海；应用前景

我国南海海域面积约350×104km2，水深大于300 m的海域占75%。南海海域蕴藏着丰富的油气资源，且以气为主，天然气资源占整个南海海域油气资源的83%，其中70%的天然气资源蕴藏于深水区域，开发利用迫在眉睫。对南海深远海气田开发而言，离岸距离远，缺乏海底管网，周边海域没有可依托开发设施，如果采用传统的开发模式“深水浮式平台+长距离海底管道”或者“水下生产系统+长距离海底管道”，投资成本昂贵，经济性差，且流动安全无法保障，技术实施风险大、难度高。因此，未来我国的大型南海深远海气田开发方案急需一套技术可行、经济有效的工程方案[1-3]。

近年国际上深远海气田的一个主要研究方向是发展浮式液化天然气生产装置(FLNG)。考察FLNG装置的目标作业海域，目前主要是集中于印度洋与太平洋之间的海域，尤其以西澳大利亚海域为最热点，这主要与在西澳大利亚海域发现了较大型气田有关。我国南海天然气资源丰富而且分散，广泛分布于珠江口盆地、莺歌海盆地、琼东南盆地，且其中相当一部分为深海天然气资源。采用FLNG技术，可以根据海上天然气田的实际情况灵活配置FLNG，在海上液化天然气，再运至目的地[4-5]，这对促进我国南海海域深海气田开发，充分利用我国油气资源具有重要意义。同时，我国工业和信息化部在2015年10月正式发布的《中国制造2025》十大重点领域的技术线路图中也明确提出了将FLNG等新型海洋油气资源开发装备等列为重点产品。

本文阐述了FLNG的应用背景及国内外研究现状，剖析了FLNG装置所涉及的关键技术，并分析了未来南海深远海气田开发过程中FLNG的应用前景。

1 国内外FLNG发展现状

随着天然气资源需求增长和相关应用技术逐步成熟，FLNG概念的工程化已被众多能源公司所接受，已经从概念走向现实。目前，世界上尚无正式投入运营的FLNG项目，无可借鉴的经验，已有多家船厂能够设计建造FLNG装置，但围绕设计和建造FLNG，还有诸多技术需要众多研发联盟进一步研究。表1为目前国内外FLNG项目建设情况。

2011年5月荷兰Shell公司与三星重工及Technip公司签订了全球第一艘FLNG建造合同，该Prelude FLNG年产360×104t LNG、130×104t LPG和40×104t 凝析油；作业水深约250 m，船长488 m，型宽74 m，型深100 m，排水量约60×104t；LNG和LPG货舱围护系统采用GTT公司的MARK Ⅲ薄膜型，通过内转塔单点系泊系统定位于澳大利亚西北天然气田，预计2017年投产。在Prelude FLNG走向工程实施不久，马来西亚国家石油公司与法国Technip和大宇造船签订了PFLNG1建造合同，该装置年产120×104t LNG；作业水深约80 m，船长364 m，型宽60 m，型深33 m；货舱围护系统采用GTT公司的No.96薄膜型，通过外转塔单点系泊系统定位于马来西亚沙捞越海域Kanowit气田。2015年6月，马来西亚国家石油公司又与三星重工签订了PFLNG2建造合同，计划于2018年用于其Rotan气田作业。可以看出，FLNG船的设计和建造处于迅猛发展的阶段，具有广阔的市场前景，而韩国造船各大企业在FLNG新建市场的建造能力均明显处于国际领先地位。与此同时，国内南通惠生重工也正在为比利时船东Exmar建造年产50×104t驳船型的FLNG，该Carribean FLNG预计将成为全球首艘投入运营的FLNG生产装置，将安置于哥伦比亚加勒比海岸，但由于目前能源市场表现不佳，该项目投产时间延迟；中国海洋石油总公司中海油研究总院牵头与多家科研院所及高校合作，以中国南海某深水大型气田为目标，从“十一五”到“十二五”期间率先对FLNG关键技术开展了系统研究，研究开发了具有自主知识产权的船型方案和液化新工艺，为中国南海深远海气田开发提供了新型的工程应用模式，引领和推动了国内FLNG技术的发展和进步，这对我国南海海域深海天然气资源开发具有重要的意义。

表1 目前国内外FLNG项目建设情况Table 1 The current situation of domestic and foreign FLNG project summary

*EPCI(Engineering Procurement Construction Installation)表示总承包工程；**FEED(Front End Engineering and Design)表示前端工程设计(基本设计)；***Pre-FEED表示概念设计。

2 FLNG生产装置关键技术

2.1 LNG液货储存技术

LNG液货储存系统的主要作用是将超低温的LNG与船体结构隔离并实现保冷存储的作用，通过绝热材料保持所装载的LNG货物处于液态，避免并保护船体结构直接承受低温货物的影响。目前，世界范围内LNG液货储存围护系统的主要型式为：SPB棱柱型液舱、MOSS独立球型液舱和GTT薄膜型液舱，LNG船不同围护系统优缺点如表2所示。FLNG装置围护系统除了要达到常规LNG运输船的要求外，还应当具有以下特点：① FLNG装置要求场地平整、宽阔，有大的甲板面积布置生产模块、管系、设备等；②货舱装载率不受工况限制；③坚实可靠的长寿命设计，降低停产风险；④易于作业现场进行检验和维护。目前，对于LNG产能大于100×104t/a的FLNG装置，满足上述条件且技术成熟的货物围护系统主要有GTT薄膜型液舱和SPB棱柱型液舱[6]。不同于LNG运输船，大型FLNG装置不能自航，长期停泊在固定海域，无法避免恶劣海况作用，连续生产作业时内部液舱会经历各种装载情况，无法按照LNG运输船的指导规定使舱内液体低于10%或者高于70%，FLNG装置更容易发生液舱晃荡，晃荡冲击载荷更大，容易对液舱造成破坏[7-12]。可见，液货储存技术是保障FLNG装置正常安全生产运行的重要关键问题。

表2 LNG船不同围护系统优缺点[5-6]

Table 2 The advantages and disadvantages of LNG cargo system

2.2 LNG外输装卸技术

外输装卸为FLNG装置技术链的最为关键的环节。在开阔海域进行2艘船之间的液化天然气传输作业会面临很大的挑战，特别是在中国南海恶劣的海况条件下，作业将变得更加困难。通常情况下，FLNG装置与LNG运输船采用尾靠外输或者旁靠外输进行装卸[13-18]。表3给出了FLNG装置旁靠外输和尾靠外输的优缺点，从表中可以看出，在尾靠外输中，LNG运输船的首部通过系船缆与FLNG装置的尾部相连，液化天然气通过低温外输软管卸载至LNG运输船，外输系统布局紧凑，适用于小型FLNG船，对作业环境条件(一般要求Hs<5.5 m)适应性高，但是该技术尚不成熟，虽然Technip研制的低温外输软管已经完成原型试验，但尚未有工程应用。而在旁靠外输中，LNG运输船与FLNG装置采用并排方式排列，两船通过系船缆和防碰垫相连，旁靠外输系统安装于FLNG船中区域，液化天然气通过卸载臂卸载至LNG运输船，适用于中、大型FLNG装置。由于在旁靠作业中，FLNG装置与LNG运输船距离较近，两船之间的水动力干扰较大，对作业环境条件(一般要求Hs<2.5 m)要求较高。

表3 FLNG装置旁靠外输和尾靠外输的优缺点

Table 3 The advantages and disadvantages of near transmission and sterm transmission of the FLNG

2.3 系泊系统技术

FLNG装置船体大，上部设施高，受环境载荷影响大，因此，对FLNG定位提出了更高的要求。FLNG的系泊方案与FPSO无本质差异，系泊链缆规格等级高。系泊方式主要包括内转塔单点系泊系统和外转塔单点系泊系统[19-20]。在单点系泊系统的约束下，FLNG可以实现在风、浪、流、内波等海洋环境的风向标效应，用最佳的首向来抵御环境的作用，减小锚缆的负荷和FLNG的偏移。表4给出了FLNG装置内转塔和外转塔单点系泊系统的优缺点，从表中可以看出，内转塔单点系泊系统布置在FLNG装置首部的船体内，通过若干对称或不对称的锚链或者组合缆，将FLNG装置系泊定位于指定位置，锚端采用大抓力锚、锚桩或吸力锚固定于海底，海底到水面之间的管线、电缆、控制管线等采用柔性连接，再通过旋转机构与FLNG连接。外转塔单点系泊系统与内转塔单点系泊系统最大的区别在于，将单点系泊系统设置在FLNG装置首部的船体前方，该系统不占用船体空间，船体内的施工改造工作量小，建造上有一定的优越性，由于该系统的系泊点设置于FLNG外部，FLNG首部运动激烈，而产生锚缆负荷比较大；对柔性立管将产生不利影响。恶劣海况环境的上浪问题也是该系统的主要影响因素，因此，外转塔单点系泊系统常用于旧油轮改造或者环境条件温和的海域。综合考虑中国南海恶劣环境海况因素，以及内转塔操作经验丰富、便于维护等技术优点，优先采用内转塔单点系泊系统进行FLNG装置的系泊定位。

表4 FLNG装置内转塔和外转塔单点系泊系统的优缺点

Table 4 The advantages and disadvantages of the internal and external turret mooring system for FLNG system

2.4 天然气液化工艺技术及其关键设备

FLNG装置需要将水下生产系统收集来的天然气进行预处理，并达到液化前原料气的净化指标，然而在深海气田的LNG生产面临着严峻的挑战[21-22]。海上液化工艺所处的环境特殊性，使得液化工艺选择和工艺设备海上适应性成为制约FLNG实施的关键技术。浮式液化工艺具有更高的海上标准，需要考虑安全性、占地空间、晃动敏感程度、原料气变化的适应能力、是否易于开停车、可靠性、能量效率以及工艺和设备的成熟度等。通过对不同规模的目标气田的分析研究，初步筛选出适合于目标气田FLNG装置的3种浮式液化工艺：丙烷预冷双氮膨胀液化工艺[23]、混合冷剂预冷双氮膨胀液化工艺和二氧化碳预冷双氮膨胀液化工艺，并针对液化工艺技术对预处理单元的重烃回收工艺进行了优化改进，最终提出了适合目标气田的丙烷预冷双氮膨胀液化工艺。该液化工艺将预处理单元与液化单元相结合，充分利用预处理单元的冷量，降低了整个系统的能耗和设备投资成本，实现了海上丙烷冷剂的制备，并加设压缩机保障液化处理系统的压力稳定性。为了实现浮式FLNG液化工艺的高效稳定运行，需要对该液化工艺的动态适应性进行进一步的研究。在“十一五”期间基于该液化工艺建成了我国首套2 000 Nm3/d小型液化装置，通过静态工况实验与晃荡平台的动态实验[24]，对液化工艺的海上适应性和高效性进行验证。在“十二五”期间，基于该液化工艺建成了处理量为20 000 Nm3/d的液化工艺中试实验基地[25]，为FLNG液化工艺的工业化应用提供了全面详细的实验数据。在此实验的基础上，通过能耗、液化率、操作灵活性、海上适应性等方面对该液化工艺进行综合性评价，从而为不同规模气田的液化工艺优选提供一种有效的评价方法。

液化工艺设备需要具备高效、紧凑的特性，预处理单元和液化工艺单元的布置是决定设备数量和空间要求的重要内容，而在海上晃动环境下关键设备的运行和性能会受到不同程度的影响[26]，甚至会造成停产等事故，引发安全问题[27]。目前，有关FLNG关键设备涉及到海上晃动环境影响的深层次研究极为匮乏，而这些设备能否正常、高效的运行，是决定FLNG船能否在深海环境正常投产运行的关键因素。表5给出了运动对关键设备的影响和应对措施。针对核心设备中存在气液两相流导致设备效率下降的问题，进行了核心设备的结构改进，对板翅式换热器气液两相流适应性不强的问题采取了二次封头[28]和气液分配器[29-30]的措施，通过加强换热器入口结构的气液分配均匀性解决板翅式换热器的换热稳定性；通过对绕管式换热器中均流器的设计改造可以实现横摇5°～10°的抗晃动能力，保证FLNG设备的正常有效运行；对于浮动塔器则推荐采用填料塔抵抗晃动对流场分布的影响，并控制塔器高径比，改进液体分布器结构保证塔器的传热传质效率，尽可能减少塔器高度，减小晃动的影响；减少再生热负荷，实现冷剂压缩机组燃气透平余热平衡[26]。浮式气液分离器推荐采用良好分配性能的卧式分离器，并通过加设均布式挡板提高分离器的分离稳定性。

表5 运动对关键设备的影响和应对措施Table 5 The effects of motion on the key equipment and measures

2.5 风险评估技术

FLNG装置上部处理模块工艺流程复杂，压力容器、压力管道等承压设备较多，流经各设备通道的介质是液化天然气、液化石油气等易燃易爆物质，海上作业的特殊环境要求装置的液化工艺设备布置相对紧凑，一旦设备发生故障导致介质泄漏，很可能引发火灾、爆炸和中毒等事故，这不仅影响生产、破坏环境，甚至会造成人员伤亡。相对常规的浮式生产设施，FLNG的风险分析与评估有诸多不同，要求更为苛刻，主要包括对泄漏风险、低温风险、上部工艺模块火灾爆炸风险、外输系统风险等方面的后果分析[31-34]。在诸多风险辨识方法中，许多都要求辨识者对评估系统有较深刻的认识，但是对FLNG装置而言，由于其前沿性而缺乏相关经验与资料，为了避免认识不充分造成的辨识效果不佳，同时实现风险辨识的全面性，可选用基于作业的风险辨识方法WBS-RBS(Work Breakdown Structure-Risk Breakdown Structure)[35]，用来弥补经验不足的缺点;同时，为了解决风险事件的分析程度问题，可选用成熟的AHP(Aanlytic Hierarchy Process)分析方法[36]。有必要建立全新的风险评估体系，辨识出FLNG装置潜在的风险源，分析可能发生的风险事件及后果等级，并据此制定出完善的分析控制方案，才能更好地预防和控制，趋利避害，变被动为主动。

3 FLNG在中国南海深远海气田开发中的应用前景

走向深水是世界石油工业发展的必然趋势，也是我国能源可持续发展的重要举措。随着中国南海海域荔湾3-1深水气田的成功投产以及陵水17-2区域1 000×108m3储量深水气田的重大发现，拉开了中国南海海域深水气田开发的序幕。如何经济有效地开发中国南海丰富的天然气资源已经逐渐成为海洋深水油气开发的主题。中国南海深远海气田由于离岸距离远，缺乏海底管网，周边无依托设施，如果采用管线输送的传统开发模式，势必会带来高投资、高风险、高难度的问题，还面临下游对天然气需求市场的限制，因此，中国南海深水气田开发迫切需要研究应用FLNG开发模式。

从国内外FLNG装置发展现状可以看出，随着FLNG装置研发与设计技术的不断发展完善，2020年左右，世界上会有越来越多的海上气田采用FLNG装置进行全海式开发。国内FLNG装置的技术研究起步较晚，关键技术研究和工程方案研究进展较快，技术研究和工程方案研究近乎同步，但FLNG装置要真正在中国南海进行工程应用还会面临诸多挑战。

首先，中国南海海域环境条件相比国外在建FLNG装置的工作海域(西澳大利亚或者东南亚)更加恶劣，且环境条件主方向不明显，这样就对FLNG装置的船型设计、液化工艺设计、液舱设计、液化工艺设备、系泊定位能力等方面的要求更高；其次，中国南海海域环境条件恶劣，台风频繁发生，平均每年台风发生次数约为5～7次，台风期间的作业模式选择对FLNG装置的应用提出了极大的挑战，在台风期间对FLNG装置是否解脱作业、人员是否撤离等方面，有待进一步探究；再次，FLNG装置在南海恶劣海况作用下，船体运动幅度较大，恶劣海况下与LNG运输船之间的外输作业要求高、难度大，外输作业气候窗口时间较短，旁靠外输技术相对成熟，但对中国南海恶劣海况的适应性较差，且外输装置被国外垄断，造价昂贵，尾串靠外输具有可行性，但尚未有工程实际应用；最后，FLNG装置要真正在中国南海进行工程应用就必须实现设备国产化，不依赖国外技术和设备，打破国外对FLNG装置关键设备和液化工艺的垄断局面。只有我国形成FLNG关键技术和设备的本土化，形成不同规模FLNG装置系列化设计能力，突破国外关键技术和设备的专利垄断，带动国内深水工程技术和设备产业发展，才能使FLNG装置由投资巨大的“奢侈品”变为实用性强的“通用品”，实现FLNG装置在中国南海海域的实际工程应用的前景。

4 结束语

中国南海深远海域蕴藏着丰富的油气资源，FLNG装置应用前景广阔，深入开展FLNG工程应用技术研究，对我国走向深水意义重大。本文重点对FLNG装置的研究现状及未来中国南海FLNG的应用前景进行了阐述和分析。我国FLNG装置的研发尚处于起步阶段，其中涉及的关键技术是FLNG装置发展过程中必须面对和解决的问题。随着我国南海目标气田FLNG装置研发工作的技术攻关，未来预计可逐步完成具有完全自主知识产权的FLNG新型货物围护系统研制和大型FLNG系统集成设计，形成大型FLNG装置设计能力，构建FLNG装置工程技术体系，大大降低工程投资，加快推进我国FLNG装置研发走向工程应用的步伐，并择机将相关成果应用于实际工程，预期前景十分广阔，经济效益和社会效益非常显著。

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(编辑：叶秋敏)

Research status of FLNG and its application prospect for deep water gas field development in South China Sea

XIE Bin YU Xichong HAN Xuliang LI Yan

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

Large floating liquefied natural gas (FLNG) production system is a new development model for deep water gas fields. In this paper, the background of FLNG application and the research status at home and abroad are introduced in detail. The technical characteristics and key technologies involved in FLNG are described. And the application prospect of FLNG is analyzed for the deep water gas field development in South China Sea. The research results have guiding significance to the study of FLNG in China. In order to realize the application of FLNG for deep water gas fields development in South China Sea, it is very important to form the localization of FLNG key technologies, key equipment and the series design capabilities of different scale FLNG unit. Also it is necessary not only to break through the monopoly of foreign key technologies and equipment, but also to promote the development of domestic deep water engineering technology and equipment industry.

FLNG; deep water gas field development; development status; key technology; South China Sea; application prospect

谢彬，男，教授级高级工程师，1989年毕业于大连理工大学，获硕士学位，现主要从事海洋油气勘探开发装备的设计和研究工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院海油大厦B座(邮编：100028)。E-mail： xiebin@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)02-0127-08

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.02.018

TE835

A

2016-06-17 改回日期：2016-10-17

*“十二五”国家科技重大专项“大型FLNG/FLPG、FDPSO关键技术(编号：2011ZX05026-006)”部分研究成果。