FLNG上部模块总体布置研究

王春霞，李亚菲，王战勇

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

FLNG上部模块总体布置研究

王春霞，李亚菲，王战勇

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

结合国家高技术研究发展计划（863计划）的深水油气勘探开发技术项目课题的子课题“FLNG上部模块及系泊系统设计研究”，探讨了FLNG上部模块总体布置的方法。FLNG船型采用传统的FPSO船型，总体布局的关键是从海洋环境、工艺要求、危险性等级等角度出发，综合考虑各个功能模块之间的相互关系。参照FPSO项目的设计经验及FLNG工艺、安全的特殊要求，介绍FLNG上部模块的总体布局、单点系泊、外输布置、主甲板高度、安全间隔、生产工艺模块规划的设计原理及关键技术，为FLNG上部模块设计提供技术参考。

FLNG；上部模块；总体布置；管廊

浮式液化天然气生产储卸装置（FLNG）是一种集海上天然气／凝析油的液化、储存和装卸、发电、供热、人员居住为一体的新型FPSO装置。它具有投资相对低、建造周期短、机动性和运移性较好的特点，具有适应深水采气的能力——在深水海域中具有较大的抗风浪能力和LNG存储能力。FLNG在深水海域的应用将有效地避免深水海域管道铺设所面临的技术难题，同时也为海上边际油气田的开发提供了经济有效的方案[1]。目前国内还没有一套成熟的FLNG技术和完善的规范可作为指导。通过FLNG上部模块总体布置研究，提出船体上部模块设计的关键技术，完成一套适合南海领域FLNG的基础设计资料，为建造我国第一艘FLNG提供了技术准备。

1 上部模块的总体布置原则

FLNG装置是FPSO中比较特殊的一种，上部模块的布置原则与常规的FPSO比较接近，总体布置必须满足规范对防火、防爆、逃生的要求，使生活、指挥、消防、电站、救生、直升飞机甲板等安全区与油气处理危险区尽量远离。由于FLNG涉及天然气预处理、液化等过程，其工艺要比FPSO复杂得多，对FLNG装置的安全、可靠、紧凑、高效提出更高的要求，以确保FLNG工作人员、储存系统、系泊系统、卸货系统的安全。

2 主甲板总体布置

2.1 总体布置

FLNG上部模块布置的关键是生活楼、单点系泊装置、外输设施、火炬、生产工艺模块的布置方案的确定。目前渤海海域FPSO上部模块采用的是：生活楼在船首、外输油系统及火炬塔在船尾的格局布置方式。这种布局的优点是：生活楼处于油、气、水处理模块和尾部外输油系统危险油气区的上风向，避免工作人员长期处于油气装置的下风向。南海海域FPSO上部模块采用的是：生活楼及外输油系统在船尾、火炬塔在船首的布置格局方式。生活楼处于尾部外输油系统油气上风向，但处于首部输油管和油、气、水处理模块危险油气区的下风向。

本研究的FLNG全长402 m，型宽62 m，外输方式为旁靠卸载，必须处于船体中部，所以FLNG的主甲板布置顺序推荐为：生活楼-单点-卸货区-电站-公用站-安全间隔-生产装置模块（外输系统）-火炬塔。此布置方案的优点是，生活楼布置在单点的上部，减少防火墙的布置，连接单点系泊装置的管道不跨越生活楼，不需要设置消防喷淋设备；卸货区分离单点和电仪房间，降低单点的危险对电仪房间的影响；电仪房间靠近生活楼，便于后续操作；工艺处理流程较顺畅。方案存在的问题是单点出口的管道需穿越电仪房间、电站等安全区；总体布置处于安全-危险-安全交替布置。FLNG主甲板总体布置和全船立面布置分别见图1和图2。

图1 FL NG主甲板总体布置

图2 FL NG全船立面布置

2.2 生活楼布置

原则上生活楼应位于主风向的上风头，但生活楼的实际位置主要与FLNG的系泊类型、单点系泊装置的位置有关。对于采用软刚臂单点系泊系统或外转塔式单点系泊系统的FLNG，系泊系统基本不占用船舱，仅占部分甲板面积，生活楼最好设于船首；对于采用内转塔式单点系泊系统的FLNG，系泊系统占用首部船舱和部分主甲板，生活楼建议设于船尾。为减少人员因船体剧烈运动而疲劳，SBM公司建议在恶风浪海域作业的FLNG采用将生活楼设置于尾部，模型试验与实践都说明尾部运动较首部缓和。

本研究将生活楼布置于船首，优点是当海面发生火灾时，火势顺流而下，不会对首部生活楼产生不利的影响：当甲板上发生火灾或爆炸时，尾部是热辐射与烟雾的下风口；如果生活楼在首部，火炬则在尾部，火炬不会对油气处理设施不利；当船体设计有自航动力系统时，生活楼位于首部可以开阔驾驶员的视野。

2.3 单点系泊布置

FLNG单点系泊可以分为内转塔和外转塔2种系泊形式。本研究采用内转塔，布置在船首生活楼之后。内转塔系泊系统的转塔装置一般设置在船首，技术成熟、安全可靠。缺点是占用大量船体及甲板空间，FLNG船体结构需要有针对性地加强。内转塔式单点系泊装置可以抵御恶劣的海况，它也是人们走向深水的理想系泊装置。

对于内转塔式单点系泊装置而言，如果浮体为船舶型，根据流体动力学原理，应将单点系泊装置设置在首部，此时，风向标功能明显，但船体运动比较激烈，会造成系泊系统受力大，需采用庞大部件以满足受力要求，规划设计时应总体协调考虑。由于浮体中部的运动较首尾两端平缓，单点系泊装置往中部靠有利于改善受力状况，但将占用宝贵的中部舱容和甲板面积，且风向标功能大为下降。因此，综合考虑后，本研究采用内转塔式单点系泊装置。

2.4 外输设施布置

FPSO主要的卸载方式为尾输卸载与旁靠卸载。尾输卸载可用于较恶劣的海况条件，FLNG船与LNG运输船距离较远，且LNG的温度过低，输送LNG需要特定的软管，目前尚未实现工程应用。旁靠卸载是将穿梭运输船的一舷系靠在FLNG一舷，靠输油臂进行卸载作业。旁靠卸载较佳的匹配方式是FLNG与LNG运输船的吨位大小相接近，如果大FLNG匹配小LNG运输船，会造成两船的主甲板间落差很大，不利于系缆作业。在旁靠系泊方式中，FLNG与LNG运输船两舷非常接近，它们中间仅间隔几米，常用橡胶防碰垫隔离，但遭遇大风浪时，两船的横摇运动易产生船体碰撞，所以旁靠外输方式对海况要求非常严格，LNG运输船系靠在FLNG时，操船人员须注意力高度集中，避免发生危险。

2.5 火炬的布置

本研究的火炬布置于船体尾部。这样设计的优点有：处于浮式装置的下风向，减少烟、热以及非正常情况喷出的液体对浮式装置的影响；火炬位于船尾，而直升机甲板布置在船首的生活楼上，两者最大限度地远离，保证了直升机的安全；火炬靠近火炬分液罐布置，方便管道的设计；火炬位于船尾也避免了与吊机的干涉。

2.6 主甲板的高度

FPSO安全规则中规定：上部模块宜设置在高于干舷甲板3 m以上的平台上。国内FPSO设计采用的主甲板高度有3、4.4、4、4.5 m。主甲板高度设计需考虑的因素主要有：甲板设备自身高度及维修提升高度、甲板梁高、甲板下管道及电缆托架布置的高度、工艺管道的尺寸和数量、船体的管道尺寸及数量、日常操作活动所需空间等。综合以上设计参考，本研究课题的FLNG上部主甲板高度为5 m。

2.7 安全间隔

FPSO安全规则中规定：油气水处理模块应距离通用设备模块3 m以上。国内FPSO通常采取的间距为5、6 m，最小要求为3 m。由于LNG具有低温、易燃、易爆、易蒸发的特点，一旦发生泄漏会产生严重的安全事故，因此相比FPSO其安全间距要求更高。安全间隔越大，危险区离引火源和引爆源越远，越能减少火灾和爆炸的发生，对于防止火势的扩大和蔓延效果越好。但设计间距的增大会增加成本，造成材料和空间的浪费。本研究课题安全间隔按照3 m考虑，预留模块（30 m）及公用模块紧靠安全间隔区布置，增大了安全间隔的距离，整体上可以满足陆上规范NFPA 59A“Standard for the Production，Storageand Handling of Liquefied NaturalGas（LNG）”的间距要求。

3 工艺流程模块的布置

3.1 模块的划分与排列

根据船体的尺寸和以往的FPSO设计经验，本研究中FLNG的上部模块尺寸定义为30 m×25.5 m，设计应考虑：工艺流程需要、易于建造、设备尺寸要求、后期模块调整的可能性、预留模块面积要求、外输模块尺寸要求、模块内设备的操作维修要求等。

根据工艺处理模块的不同要求进行模块划分，根据危险性等级依次排列，则从船首到船尾的危险性逐渐升高。另外，根据不同功能模块设备数量及尺寸协调模块数量，保证模块的重心尽量低，左右舷不偏心。各个模块之间设计1 200 mm的间隙用于减弱船体变形对上部模块的影响。上部模块布置如图3所示。

图3 FL NG上部模块布置

3.2 模块分层布置

模块的总体布置设计，一方面与模块的功能有关，与模块内的设备数量有关；另一方面也与明确的设备、管道和仪表的操作维修要求，逃生和操作维修通道要求有关。总体设计必须综合考虑工艺、设备、安全和操作等的要求，选择最合理的分层设计方案。

FLNG上部模块的布置可分为单层布置和多层布置两种方案。单层布置理念要求船体主甲板的可用面积大，油田的工艺处理流程相对简单。单层布置的上部模块重量相对较轻，有利于船体结构设计。多层布置理念与油田的工艺处理流程复杂有关。多层布置很好地协调了生产过程中设施的工艺处理、操作、维修、人员安全、逃生等设计要求。多层布置的缺点是高度越高，模块的结构设计和管道设计的难度就越大，不利于应力和疲劳计算。

本研究采用多层布置，主工艺模块主要选择两层或者三层布置。主要原因是船体可供上部模块使用的面积有限，而工艺处理流程复杂、设备多，并且有些塔器的高度本身就达到三十多米高。

3.3 卧式容器的布置

由于FLNG发生横摇的几率比纵摇大得多，对于大的卧式容器如分离器等沿船的中轴线平行布置，可以减小船体摇摆对罐内液面的影响。本研究课题中的所有卧式容器均沿船的中轴线平行布置，并且尽量靠近中轴线的两侧。

3.4 设备操作维修

本FLNG研究课题上部模块结构设计紧凑，甲板上模块较多，设备和管道布置密集，对机械设备的操作维修设计要求较高。机械设备的维修方案与总体布置、管网规划、结构设计、安全通道等都密切相关，因此在设计过程中应本着人性化的安全理念，对设备的操作维修方案进行精细化研究。

本FLNG研究课题对于操作维修的设计理念如下：首先，最大限度地利用吊机的作用。4台吊机分别布置在FLNG的左右舷，并且错开布置，以覆盖尽可能大的面积。吊机的覆盖面包括了卸货区，对于操作频率高、维修重量大的设备都尽可能地运用吊机来进行操作。其次，每个模块与船体舷边的距离为2 000 mm，可以根据设计研究的不断深入，分析各个模块的操作维修要求，适当地增大模块的尺寸，或调整维修区域，以协调设备操作维修的要求。最后，吊机和滑道梁相结合，并考虑船体运动对吊装的影响，利用滑道梁来移动设备到可以吊装的区域进行维修操作，减小船体运动对吊装方案的影响。

3.5 管廊布置

管廊设置在左右舷上部模块中部，由于模块之间设置了安全间隙，连接不同模块间设备的管路均布置在管廊上。对各个工艺模块的管道尺寸和数量总和预估后，管廊的宽度设置为6 m。管廊分5层布置，第一层距船体甲板6 m，为船体管道的布置、设备维修、电缆托架等布置预留足够的空间，二至五层的间隔为2～3 m。按照管廊布置的原则，大直径的管路布置在两侧，小管径的管路布置在中间；与管廊左侧设备联接的管道优先布置在管廊的左侧，与管廊右侧设备联接的管道优先布置在管廊的右侧；容器顶部的管路优先布置在上层管廊，容器底部的管路优先布在下层管廊；考虑到管廊上管路长度较大，由于热胀冷缩会产生较大的热应力作用，所以管廊上的管路在液化区域设置偏向右舷的膨胀弯。

4 结束语

FLNG是目前海洋工程领域研究的热点之一，具有建设周期短、可独立开发、使用灵活、可移动等优点，能适合深水油田、边际油田的开发需求，FLNG将成为我国南海深海油气田开发的重要设施。目前国内还没有一套成熟的FLNG技术和完善的规范可作为指导。通过本课题的研究，提出了FLNG船体上部模块设计的关键技术，完成一套适合南海领域FLNG的基础设计资料，为我国建造第一艘FLNG船提供了技术准备。

[1]赵文华，杨建民，胡志强，等.大型浮式液化天然气开发系统关键技术现状及发展趋势[J].中国海上油气，2013，25（1）：82-86，90.

[2]王战勇.FPSO上部模块总体设计探讨[C]//第十五届中国海洋（岸）学术讨论会论文集.太原：海洋出版社，2011：137-142.

[3]杨思明，赵英年，王春升.浮式生产储油装置生活楼位置的确定及其对总体布置的影响[J].中国海洋平台，2006，21（6）：35-39.

Research ofgenerallayout ofFL NGtopside modules

WANG Chunxia，LIYafei，WANG Zhanyong
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

Based on sub-project research of FLNG topside module and mooring system for the deepwater oil and gas exploration and development projects of national high technology research and development program（863 program），the general layout of FLNG topside modules is discussed.The ship type adopts the conventional FPSO.The key matters of general layout is to consider comprehensively the interaction between modules from the view of marine environment，process and hazard.Referring to the successful design experience of FPSO and considering the special requirements of FLNG in process and safety，the paper describes the principle and criticaltechnology for the generallayout of FLNG topside modules，signal-point mooring，export arrangement，main deck elevation，safety space and the layout of production process modules，providing technology reference for FLNG topside module design.

FLNG；topside modules；generallayout；pipe rack

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.006

王春霞（1983-），女，辽宁大连人，工程师，2008年毕业于东北大学，硕士，现从事海洋石油平台总体布置和管道设计工作。Email：174616619@qq.com

2016-11-10