FLNG液货处理系统初步研究

吴军 王继鸣 邵孟飞 方钰奇

摘 要：FLNG是LNG海上产业鏈中重要一环，开展该类研发可完善我国在LNG海上产业链重大装备方面的自主设计及建造能力，对未来海上油气能源深度开发具有重要的战略意义。本文以小型FLNG船为切入点，对小型FLNG船的液货系统进行初步研究，旨在提升我国FLNG自主设计和建造能力，提高LNG领域全产业链领域的技术能力。

关键词：FLNG;液货处理系统

中图分类号：U491       文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）12-0060-03

FLNG具有高技术含量、高经济附加值、高建造难度等特点。液货处理系统的研究是FLNG设计中至关重要的一环。

1液货处理系统组成

液货处理系统可分为功用系统和辅助系统。液货输送系统用于将产品输送到货舱存储或外输至卸货模块。卸载系统将储存的LNG输送到穿梭LNG船。氮气系统为FLNG的火炬系统、液货设备及管路、液货围护系统等提供吹扫气和密封气。惰气系统是为了降低舱内和管路内气体中的含氧量，以避免可燃气体发生爆炸的可能。蒸汽加热系统主要以乙二醇水溶液为热媒，保护货舱周围钢结构不受低温影响。

2 LNG和LPG液货操作系统设计

2.1液货输送系统及挥发气处理

2.1.1液货系统操作工况

液货系统操作工况与LNG运输船类似，为了安全生产与操作，主要分为船舶试航或检修保养时货舱的干燥、惰化、气体置换、冷却、装载、货舱间货品的驳运、液货卸货和进坞前的扫舱、暖舱，惰化和通风。相较于LNG运输船的使用维护工况，FLNG最大的不同点在于其船只是无自航能力，在海况恶劣时需要围绕单点系泊系统调整船艏方向。同时运行时考虑成本因素，上部模块很少停车，故此大多数卸货时，仍有产品从上部模块排入货舱。这些工况都对输送管路、货舱及相关设备提出了更高的要求。

2.1.2船体货舱布置

FLNG液货操作系统根据产品的不同分为两类，LNG液货操作系统与LPG液货操作系统。其中LNG液货操作系统与LNG运输船的液货操作系统类似。为扩大销售渠道，故将LPG中的两大主要组分丙烷和丁烷分开储存。同时丙烷和丁烷的基础物性不同，两者的维护条件也有所不同，保证所有产品均以液态形式保存在薄膜舱中。LPG作为FLNG上部模块生产的副产品，产量不是很大，且丙烷摩尔质量小于丁烷。将丙烷与丁烷舱先后放置于船艏部。考虑到FLNG为无动力装置型船舶，为保证作业时船只稳定，减少晃动对液货舱内货物的影响，FLNG所有液货系统的货舱均采用双排并列布置设计（见图1）。

2.1.3液货输送及挥发气处理系统

从海底采集上来的天然气经过脱酸、脱水、脱汞及分馏等处理后，从上部模块经液货总管排入相应货舱之中储存。卸货泵位于货舱底部，负责将液货产品从舱底泵出，经卸货总管流向卸货区。同时设置喷淋泵，通过喷淋总管负责对货舱和液货管进行冷却等操作。气体穹顶上连接挥发气总管，负责将挥发气输送至上部模块中的公用模块，作为发电设备的燃料气。在气穹上设置舱压应急处理部分，如遇挥发气量太大，舱压过高，可以通过应急处理系统输送天然气至船艏部的火炬塔，将其燃烧消耗。总管部分设置上部维护总管与下部维护总管，以及连接各舱气液穹作为设备维护处理使用时的备用总管。

FLNG装置的挥发气（BOG）主要来源于LNG船舱受热和LNG装载时产生的挥发气。BOG的处理主要是及时排出BOG，维持和控制LNG液舱处于合适压力。产生的BOG处理方式有两种，经过压缩到液化系统再液化，或送到燃料系统，作为FLNG装置的燃气发电机的燃料。

2.2液货卸载技术

船对船输送系统（FLNG ship to ship transfer system）是保证LNG货物在FLNG与LNG船之间安全驳运的一种液货输送系统，通常需要满足OCIMF、EN1473-3、SIGTTO等相关规范、标准的相应要求。同常规LNG船不同，FLNG作业一直在海上进行，FLNG必须将生产的LNG及时输出以维持正常运行。

目前FLNG外输方式主要有两类，分别为刚性装载臂式和柔性软管式（见图3）[4]。两种方式都经过多个实际项目的检验，具备可靠性。

3 LNG和LPG液货辅助系统设计

3.1 FLNG氮气系统设计

该系统用于液货舱主绝缘层和次绝缘的保压、液货系统压缩机的密封、液货管和透气桅的吹洗、到锅炉的挥发气供给管路的吹洗和液货装卸集管的连接前后的吹洗。

氮气系统包含两套完全相同的制氮设备，互为备用。制氮用的空气来自日用空气和仪表空气系统，制出的氮气储存于储存柜内。氮气管路由二路总管组成，一路是供给绝缘层，另一路吹洗用。

3.2 FLNG惰气系统设计

FLNG船上的惰气系统主要目的是用于惰化货舱和管系，驱气和清扫管路。置换出的气体通过挥发气总管到火炬塔;应急操作时，可为管弄、隔离空舱、压载舱提供干空气通风。惰气系统一般由以下单元组成：风机，燃油供给单元，燃烧室，带海水冷却洗涤塔，惰气冷却单元，惰气干燥，监测氧气含量与露点的控制单元等。

3.3 FLNG加热系统设计

该系统的设计条件是，空气温度-18℃、海水温度为0℃时，并在考虑到单舱主绝缘层泄露，能将货舱壁温度维持在5℃以上。蒸汽加热系统使用乙二醇水混合物（45%比率）为换热介质，乙二醇水凝固点低于-30℃。

乙二醇系统有主用和备用两套管路。

4 液货系统关键设备选型

FLNG装置液货操作系统生产过程中，除常规工艺设备外，还涉及大型压缩机、换热器、泵等复杂设备的选型问题。

4.1换热器的选型

天然气的液化和处理过程常使用热交换器，主要产品为管壳式换热器和绕管式换热器等。管壳式换热器由于结构紧凑、重量轻等优点，在低温流程中应用也很广。这两种换热器均可用于液化天然气的处理，管壳式换热器更加适用于小型FLNG船舶，具有更高的效率。相比较而言，绕管式换热器更加结实耐用，但其费用较高，且占地面积大，适用于大型FLNG船舶。

4.2压缩机的选型

压缩机主要作用是对气体增压以便对其输送。主要形式有离心式压缩机、往复式压缩机、旋转式压缩机和螺杆式压缩机。电子设施和驱动电动机可根据设备布置环境选择防爆式或常规式。输送深冷气体的压缩机，还应考虑低温对压缩机构件材料的影响。另外，如果压缩机进气温度很低，润滑油的润滑性能会受到影响，此时应选择无油润滑的压缩机或多级压缩机。

4.3泵的选型

每个液货舱一般都会配两个液货泵、一个扫舱喷淋泵以及一个应急泵。三类泵的示意图见图4

泵的型选应遵循以下原则：①使所选泵的形式和性能应符合装置流量、扬程、压力、温度等工艺参数的要求;②应满足工质特性的要求;③机械方面可靠性高;④经济上要综合考虑到设备费用、运转费、维修费和管理费的总成本最低。

5 结语

全世界对LNG的需求量正不断逐年走高，国外各大能源企业与造船企业纷纷联合，投入对海上浮式LNG储存装置的研发与更新。相较于国外，国内FLNG方面的研究起步较晚。对FLNG液货系统的研究有助于强化我国的能源战略，提高我国造船水平，打破国外对我们的技术垄断，对其研究分析将大步推进我国FLNG船舶的国产自主化进程。

参考文献：

[1] 液化天然气浮式生产储卸装置研究进展[J]，马华伟，刘春杨，徐志诚.

[2] FLNG液化工艺的关键技术[J]，李玉星，朱建鲁，王武昌.

[3] 浮式液化天然气液化工艺综述[J]，王春节，魏林瑞，张磊.

[4] 浮式液化天然气技术综述 [J]，夏丹，郑云萍，李剑锋.