LNG-FSRU技術(shù)動向

李 源

作為清潔能源，LNG的市場需求量一直在穩(wěn)定增長，截至2010年底，全球已建成LNG接收終端60多個。但值得注意的是，LNG接收終端與LNG需求間存在的缺口仍在不斷擴(kuò)大。隨著人們越來越強(qiáng)的環(huán)保意識，在沿海建設(shè)陸上LNG接收終端受到的限制越來越多。在這樣的背景下，人們開始考慮將LNG接收終端建設(shè)在海上。

性價比

目前，工業(yè)界提出的海上浮式LNG接收終端概念主要有LNG-FSRU和LNG再氣化船兩種。其中，LNG再氣化船通常由LNG船改裝而成，船上裝備有再氣化設(shè)施。LNG再氣化船將運(yùn)送LNG液貨至接收終端，并通過水下轉(zhuǎn)塔裝載浮筒（STL）系泊，隨后LNG再氣化船將LNG氣化為天然氣，再通過柔性立管將氣體輸送到海底氣體管路至最終市場。完成卸載工作后，LNG再氣化船與STL解除連接，離開接收終端再次運(yùn)送LNG液貨。

而FSRU的操作模式則不同，首先在海上建造、安裝船型的浮式儲存再氣化裝置，LNG-FSRU每一次從LNG穿梭船上接收LNG，船上設(shè)置有儲存和再氣化LNG的設(shè)備，通常永久系泊于一個海上單點系泊（SPM）系統(tǒng)，該系統(tǒng)可抵抗極端海況。工作時，一艘LNG船與FSRU通過使用浮式船用護(hù)舷板和常規(guī)系泊線舷靠舷系泊。然后LNG船將LNG卸載至FSRU，根據(jù)LNG船尺度和氣體輸出率的不同，通常需20～30小時完成全部卸載工作。LNG儲存在FSRU船體內(nèi)的儲存艙中。加溫后LNG將被氣化成氣體，然后通過柔性立管輸送到海底氣體管路，再送到最終市場。

Hoegh LNG公司曾對一艘18萬m3，再氣化能力為0.5～1.5 bscf/d（十億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/天）的LNG-FSRU進(jìn)行過成本計算。

對LNG船陸上接收終端、LNG再氣化船和LNGFSRU三種方式進(jìn)行成本比較，如圖3所示。從圖中可以看出，LNG再氣化船在中短程海運(yùn)距離以及較低的氣體輸出能力的情況下較有競爭優(yōu)勢，但LNGFSRU在LNG供應(yīng)終端與最終市場相距較遠(yuǎn)，以及擁有較高的氣體輸出能力時會明顯呈現(xiàn)出競爭優(yōu)勢。且無論何種情況下，LNG-FSRU均比陸上接收終端的成本低很多。

圖1：LNG-FSRU作業(yè)流程圖

圖2：LNG-FSRU再氣化系統(tǒng)

圖3：三種方式的經(jīng)濟(jì)性曲線

建造方式

LNG-FSRU的建造方式主要有3種：由LNG運(yùn)輸船改裝、新造鋼質(zhì)船殼以及新造混凝土結(jié)構(gòu)。其核心技術(shù)主要包括系泊技術(shù)、卸載技術(shù)、船殼及貨物維護(hù)技術(shù)和再氣化技術(shù)。新建LNG-FSRU可有三種不同的儲罐形式：

（1）Moss型球體儲罐，其特點是甲板面積受限，船體空間利用率低；

（2）SPB方體儲罐，其特點是充足的甲板面積，可解決各種液位晃動載荷問題，制造工藝簡單，周期短，便于操作/維護(hù)；

（3）薄膜方體儲罐，需解決晃動載荷問題，有一定的制造工藝難度。

FSRU上部設(shè)施比常規(guī)的FPSO設(shè)施少，單點系泊系統(tǒng)也比FPSO簡單，船體結(jié)構(gòu)沒有自航系統(tǒng)，儲罐結(jié)構(gòu)和制造工藝與傳統(tǒng)造船相同，僅使用的材料不同。

建造FSRU之前，首先需對整個工程進(jìn)行可行性評估，其中涉及到幾個關(guān)鍵的工程技術(shù)問題需要予以考慮。

相關(guān)工程技術(shù)問題

1、建立FSRU系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)

為了建立FSRU系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)，首先需明確以下工程設(shè)計任務(wù)：

1）FSRU的技術(shù)指標(biāo)，如LNG儲存能力、排水量、尺度、甲板布置等。

2）FSRU系泊系統(tǒng)詳細(xì)信息-提供FSRU單點系泊系統(tǒng)的技術(shù)特性。

3）LNG船技術(shù)特性-詳細(xì)的LNG船隊數(shù)量、尺度及其他特性。

4）LNG船/FSRU舷靠舷系泊布置-系泊模式，系泊線、海上護(hù)舷板和FSRU上系泊點的數(shù)量和特性。

5）拖船技術(shù)特性-包括拖船類型、尺度、波浪中的效率等。

6）海上操作場景-描述幾個關(guān)鍵的海上操作模式的作業(yè)過程（靠近、停泊、系泊、離開和使用拖船）。

另外，下列基本設(shè)計數(shù)據(jù)是確定船舶設(shè)計尺度所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

1）LNG設(shè)計生產(chǎn)能力和氣體的設(shè)計輸出率－通常由市場需求和項目的總體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來決定。

2）LNG設(shè)計儲存能力－通常由LNG設(shè)計生產(chǎn)能力以及LNG船隊的數(shù)量和尺度確定，該指標(biāo)決定了LNG船的到訪頻率以及FSRU的最優(yōu)LNG儲存能力。

3）LNG船隊的數(shù)量和尺度由LNG供應(yīng)終端的位置、項目總體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)決定。需要進(jìn)行工程研究以確定最優(yōu)的LNG船隊組成。

例如，一艘FSRU設(shè)計氣體輸出率為1.0bscf/d，相當(dāng)于每天4.8萬m3的LNG。如使用貨物容量為25萬m3的LNG船供應(yīng)液貨，LNG船的到訪頻率為每5天一次。但是，如果使用16.5萬m3的LNG船則需每3.5天到訪一次。FSRU的最小儲量應(yīng)大于25萬m3，以便一次接收所有的LNG，最優(yōu)的LNG儲量則應(yīng)為30萬～35萬m3，或約6～7天的LNG供應(yīng)量。

2、操作標(biāo)準(zhǔn)和極端標(biāo)準(zhǔn)

為評估FSRU系統(tǒng)的可操作性，需要使用兩套不同的Metocean標(biāo)準(zhǔn)：

1）操作環(huán)境條件（風(fēng)、浪、流、可見度、溫度、水溫、冰等），用于LNG船停運(yùn)期模擬的數(shù)據(jù)輸入，以及FSRU/LNG船舷靠舷動態(tài)系泊分析。

2）極端設(shè)計環(huán)境條件（含熱帶和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴），用于設(shè)計FSRU和系泊系統(tǒng)。

3、拖船在波浪中的性能效率

根據(jù)LNG船的尺度和當(dāng)?shù)氐腗etocean環(huán)境，在靠泊和離開的過程中，需要2～4艘系柱拉力約50～60噸的遠(yuǎn)洋拖船協(xié)助LNG船。

LNG船靠泊和離開操作限制主要取決于拖船在波浪中的動態(tài)性能指標(biāo)。根據(jù)船型和裝機(jī)功率的不同，波浪中拖船的動態(tài)操作效率總體來說隨著波高的增加而下降。當(dāng)波高到達(dá)一個特定值時，拖船操作效率將從100%降至零。

圖4：典型的波浪中拖船動態(tài)操作曲線

通常需要進(jìn)行模型試驗以確定拖船在波浪中的動態(tài)操作效率曲線。拖船通常在“推-拉”模式下操作。拖船在“推”模式下的操作效率一般比“拉”模式低。當(dāng)海況條件不允許進(jìn)行“推”模式時，拖船可以轉(zhuǎn)為傳統(tǒng)的“長線”拖曳。

4、實船操作模擬

為了建立LNG船在拖船協(xié)助下靠泊和離開FSRU作業(yè)時的操作環(huán)境限值，可進(jìn)行船舶操縱模擬。另外，為了LNG船安全地靠近、系泊和離開FSRU，以及確定會限制這些操作的Metocean條件，必須對操作過程進(jìn)行規(guī)劃和評估。為了評估總體靠泊有效性，還需要FSRU/LNG船停運(yùn)模擬所需的Metocean限值。

實時船舶操作模擬須在有經(jīng)驗的引水員指揮下，在有資質(zhì)的全任務(wù)船舶模擬設(shè)施中進(jìn)行。引水員根據(jù)在監(jiān)視器中對LNG船、FSRU和拖船的觀察指揮船舶操縱，再由模擬器操作員在駕駛橋樓執(zhí)行引水員的操作指令。

5、海上轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)

目前實現(xiàn)LNG在LNG船和FSRU之間轉(zhuǎn)運(yùn)有兩種主要的方式：采用柔性軟管或采用全鋼的卸載臂。現(xiàn)在普遍認(rèn)為LNG海上轉(zhuǎn)運(yùn)率最小應(yīng)為10000m3/h。為滿足該要求，需要使用直徑為16英寸或更大的大口徑柔性軟管或卸載臂。盡管柔性軟管和卸載臂在石油工業(yè)中已有應(yīng)用，但對于海上LNG轉(zhuǎn)運(yùn)來說仍然是一個相對較新的課題。

大口徑（16英寸或更大）柔性軟管在受保護(hù)水域的海上LNG轉(zhuǎn)運(yùn)中應(yīng)用的可行性只是剛剛被論證。目前，LNG在船對船轉(zhuǎn)運(yùn)中，還未完全使用柔性軟管。當(dāng)前石油工業(yè)界正在進(jìn)行聯(lián)合研究項目，以提升分析方法，并確保柔性管疲勞壽命預(yù)報的精確度。考慮到每周的卸載次數(shù)和全球海況，柔性軟管的預(yù)期服務(wù)壽命為5～7年。為了確保柔性軟管結(jié)構(gòu)疲勞完整性，應(yīng)執(zhí)行嚴(yán)格仔細(xì)的工程分析、原型操作試驗以及常規(guī)的操作和維護(hù)監(jiān)控。

使用16英尺直徑或更大的全鋼卸載臂的可行性已經(jīng)由FMC通過陸上比例模型進(jìn)行過論證，但是仍未用于海上轉(zhuǎn)運(yùn)實際操作。

6、LNG船和FSRU間的動態(tài)相對運(yùn)動和系泊分析

由于在操作時，LNG船和FSRU距離很近，評估兩個大尺度浮體間的水動力交互作用十分重要。LNG船和FSRU間的動態(tài)相對運(yùn)動和系泊載荷預(yù)報對于定義LNG船系泊至FSRU操作時的安全環(huán)境限值以及更好地定義金屬卸載臂的設(shè)計操作包絡(luò)線是至關(guān)重要的。

許多研究者已經(jīng)對兩個舷靠舷系泊體間的三維水動力交互影響進(jìn)行過報告。

動態(tài)運(yùn)動分析將采用FSRU所在位置的Metocean氣候長期時間關(guān)系曲線圖。這些分析將產(chǎn)生LNG船-FSRU航向、相關(guān)的多種運(yùn)動、系泊線張力和護(hù)舷板載荷等指標(biāo)的長期時間關(guān)系曲線圖。

運(yùn)動分析中需包括風(fēng)浪流方向，風(fēng)浪流方向通常可被分成三種：

1）平行（±15度）

2）傾斜（15～ 45度）

3）交叉（45～ 90度）

圖5：典型的舷靠舷運(yùn)動分析環(huán)境方向

為了確定LNG船和FSRU舷靠舷動態(tài)相對運(yùn)動，將進(jìn)行下列分析：

1）建造FSRU和LNG船模型，并使用不同的方式核查，包括試驗以及采用第三方軟件進(jìn)行驗證。

2）對LNG船和FSRU單獨(dú)進(jìn)行衍射和輻射分析，計算衍射波載荷和6自由度運(yùn)動RAO。這些分析將用于驗證船模和數(shù)值結(jié)果。

3）舷靠舷衍射/輻射分析，該任務(wù)對相連兩船體進(jìn)行水動力分析。

4）對FSRU單獨(dú)進(jìn)行隨時間變化的運(yùn)動分析。

5）對LNG船和FSRU舷靠舷系泊進(jìn)行隨時間變化的運(yùn)動分析。

7、LNG船停運(yùn)期操作模擬

為了評估海上的可操作性以及靠泊可行性，需要從LNG供應(yīng)終端開始直至FSRU的每個步驟進(jìn)行完整的模擬。模擬過程中，在FSRU上的操作，以及LNG船的到達(dá)將使用不連續(xù)事件模擬進(jìn)行建模，這些模擬包含了所有操作的過程，從LNG船離開供應(yīng)終端開始，進(jìn)行跨洋航行，到達(dá)FSRU附近的引水員登船站，最終靠近FSRU并靠泊，系泊至FSRU，進(jìn)行LNG轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)，離開FSRU，以及引水員下船。

兩個典型的模擬模型如下圖所示：模型1包括了從LNG船從LNG供應(yīng)終端開始，進(jìn)行跨洋航行，到達(dá)FSRU，至LNG船離開FSRU，直至再次進(jìn)行跨洋航行為止；模型2僅包括LNG船從引水員登船站至離開FSRU的操作過程。

圖6：典型的FSRU/LNG船操作模擬模型

一般來說，從LNG船到達(dá)FSRU至離開FSRU所需的全部周轉(zhuǎn)時間約為30～40小時，LNG船大小不同所需的時間也不同。另外，到達(dá)FSRU和離開FSRU的操作還會受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素的影響。

每個模擬事件都需以100年為期進(jìn)行模擬運(yùn)行，這是為了給統(tǒng)計分析提供足夠的結(jié)果。模擬中將記錄下列參數(shù)：

1）引水員時間：從引水員登船開始至LNG船離開引水員登船站。假設(shè)在整個作業(yè)過程中是同一個引水員停留在船上。

2）等候（或稱停運(yùn)）時間：從LNG船到達(dá)引水員登船站開始，包括由于不良?xì)夂驐l件所造成的等候靠泊時間。

3）交互到達(dá)時間：連續(xù)2艘LNG船抵達(dá)引水員登船站之間的時間。

4）兩次關(guān)閉間的時間：從引水員登船站的等候時間開始直到下一次等候時間的開始。

5）間隔時間：在一段等候期后，從首艘LNG船到達(dá)開始，至下一次等候期之前，最后一艘LNG船離開為止。

6）跨洋航行期間的延誤：如果模擬包括從LNG供應(yīng)終端至FSRU間LNG船的跨洋航行，則還需記錄由于不良?xì)夂驐l件所造成的延誤。

除了基礎(chǔ)事件模擬，還可執(zhí)行敏感度模擬事件，以評估改變LNG儲存能力的影響，LNG船隊的組成（大小和數(shù)量），操作（靠泊、離開、系泊和卸載）環(huán)境限制、夜間時段和能見度限制。停運(yùn)模擬結(jié)果也可用于評估LNG設(shè)計儲存能力是否合適，LNG船隊的最優(yōu)數(shù)量和尺度大小，以及為FSRU預(yù)報操作停運(yùn)期。

專家觀點

LNG-FSRU作為一種浮式LNG接收終端具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢，且技術(shù)可行，隨著清潔能源的大量應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。政策方面，2012年8月，工信部發(fā)布的《海洋工程裝備科研項目指南（2012年）》中確定了5種類型裝備作為研發(fā)中的重點。其中包括LNG-FSRU總體設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，以及LNG-FSRU再氣化模塊總體設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)設(shè)備作為關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備領(lǐng)域的研發(fā)重點。FSRU在建造上的難度并不大，但FSRU需要從LNG船上接收液貨再進(jìn)行處理，這涉及到LNG的海上轉(zhuǎn)運(yùn)、大型浮式結(jié)構(gòu)間的水動力交互作用，以及操作中的諸多規(guī)劃問題，需要設(shè)計者從初步設(shè)計階段直至詳細(xì)工程設(shè)計階段均進(jìn)行周密的考慮。