FLNG上部模塊總體布置設計流程及案例分析

程　兵，喻西崇，謝　彬，王　清，徐敏航

(中海油研究總院，北京 100028)①

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·開發應用·

FLNG上部模塊總體布置設計流程及案例分析

程兵，喻西崇，謝彬，王清，徐敏航

(中海油研究總院，北京 100028)①

鑒于浮式液化天然氣生產儲卸裝置(FLNG)在海上應用的靈活性，目前世界上很多國家都開展了對FLNG的研究，并已有多個項目進入了建造階段。為了更好地開展FLNG的研究和設計工作，以南海某氣田的FLNG設計實例，探索了FLNG上部模塊總體布置的方法。介紹了采用FLNG方案進行某氣田開發所制定的總體方案，對開展FLNG總體布置的設計流程進行了梳理，并總結了總體布置專業與其他上下游專業的界面和接口。分析了FLNG上部模塊總體布置與傳統FPSO的區別和注意事項。這些經驗可以為今后開展FLNG研究和設計工作提供參考。

FLNG；上部模塊；總體布置；設計流程；案例

浮式液化天然氣生產儲卸裝置[1](FLNG)是一種集海上天然氣/凝析油的液化、儲存和裝卸為一體的新型FPSO裝置，具有開采周期短、開采靈活、可獨立開發、可回收和可運移等特點，可顯著減少新建海底管道的費用，并且可將氣體產品液化運輸到氣源緊缺的地區，使天然氣產生更大的經濟效益。可適用于小型、中型和大型氣田開發，并可適合于淺水和深水氣田開發[2]。

目前，世界上處在工程實施階段FLNG工程項目共有17個[3-4]，其中有4個FLNG裝置處在建造階段，分別是殼牌作為作業者的Prelude FLNG裝置、馬來西亞國家石油公司作為作業者的PFLNG1和PFLNG2及在惠生建造的Caribbean FLNG。2011年，殼牌確定投資建造世界上首艘大型FLNG—“Prelude FLNG”，并將在澳大利亞的Prelude氣田投入使用，處理量為360萬t/a，采用的是雙混合制冷劑液化工藝。

中國海洋石油總公司2008年在國家科技重大專項“大型FLNG/FLPG、FDPSO關鍵技術”中啟動對FLNG技術的攻關研究，并在2013年開始通過某東海氣田和某南海氣田的開發方案研究，分別開展了兩艘FLNG的預可研和可研設計。本文在南海某氣田的FLNG開發方案設計實例的基礎上，介紹前期研究中FLNG裝置上部模塊總體設計的流程及設計案例，并對FLNG總體布置區別于FPSO的特點進行了分析。

1　氣田總體開發方案

南海某氣田水深約1 340 m，所在區域主風向為NE，該海域季風特征明顯，冬季盛行偏NE風，夏季盛行偏S風，主浪向為ENE。該氣田為小型氣田，其開發方案之一為深水區采用水下生產系統回接到 FLNG的方式進行開發。1 340 m水深處的2口井生產的流體在管匯處匯合后，通過2.82 km的海底管道混輸到FLNG上進行處理。FLNG將其處理為合格的凝析油和LNG后通過凝析油運輸船和LNG運輸船進行外輸。該氣田的總體開發方案如圖1所示。

圖1　南海某氣田的總體開發方案示意

2　FLNG裝置上部模塊總體布置設計流程

在確定工程開發方案后，項目組開展了FLNG裝置的設計。其中上部模塊總體布置的設計流程分為3步。

1)根據環境特點和FLNG的功能定位，確定FLNG的總體布局。

在前期研究類項目中，FLNG上部模塊總體布局的確定是最關鍵的一項內容。FLNG總體布局的選取方式可以參考FPSO，但選取時的影響因素更多，主要因素如圖2所示。

圖2　FLNG上部模塊總體布局形式的選擇

船型除了SEVAN的圓筒型方案外，一般考慮類似傳統FPSO的船型。系泊方式的選取十分重要，對于半海、半陸式開發方案，有港口系泊的條件可采用港口系泊；對于全海式開發方案，應結合環境條件來確定采用多點系泊、外轉塔單點系泊還是內轉塔單點系泊。外輸方式對整體布局有很大影響，應根據環境條件和船體的運動性能確定。旁靠外輸方式技術更加成熟，但對環境條件要求較高，LNG艉靠外輸方式目前已經取得突破，可以滿足更惡劣的海況需求，保證外輸作業天數。工藝方案中，是否帶預處理功能，以及究竟采用何種液化方式也會對FLNG的尺寸規模和總體布局產生影響。

圖3a所示為殼牌Prelude FLNG的總體布局形式，該FLNG采用了類似南海某些FPSO的布局方式，整體布局從艏到艉為“單點-火炬-預處理-液化-外輸-電站/電氣房間-生活樓”。這是因為Prelude所在的澳大利亞西北海域的海況良好，采用旁靠的方式即可滿足作業要求。

圖3b所示為惠生建造的Caribbean FLNG布局，該FLNG為典型的“靠岸式”FLNG，預處理在岸上進行，上部僅有液化設備，因此其尺度可以很小；其系泊方式也不同于遠海的FLNG裝置。這一布局形式的確定取決于業主對其功能的定位和需求。

圖4所示案例為南海某前期研究項目所設計的FLNG布局示意圖。由于南海海況相對惡劣，并且該FLNG為小型裝置，采用旁靠方式無法滿足可外輸天數的要求，嚴重影響經濟效益。因此，采用了艉靠的外輸方式。該FLNG從艏到艉設計整體布局為“生活樓-卸貨區-單點-電站/電氣房間/公用模塊-預處理-火炬-液化-艉靠外輸”。這樣的布局將生活樓布置在船艏，從而避免工作人員長期處于油氣裝置的下風向，整個上部按照從艏到艉按照安全區-危險區過渡。生活樓遠離了外輸裝置、火炬、工藝處理設施，并且和單點之間有卸貨區作為間隔，提高了安全性。火炬布置在船中部，避免了距離生活樓過近或者距離外輸區域過近，有效分隔了預處理區域和液化區域，同時中部更有利于減少泄放管系的長度。

a　Prelude FLNG

b　Caribbean FLNG圖3　部分FLNG總體布局形式

圖4　南海某氣田前期研究項目的FLNG總體布局示意

2)各專業提出初步設計參數和布置需求，總圖專業開展上部模塊總體布置，提交初步方案。

在確定圖4的大致總體布局形式后，工藝、水處理、機電儀、浮體、結構、安全等各專業提交本專業設計參數及要求和建議給總圖專業進行上部模塊總體布置。FLNG上部模塊涉及的機械設備眾多，水處理、安全、外輸、重控等方面比FPSO的要求更加復雜，液艙的尺寸和結構都會對上部模塊有一定要求，總圖專業應在與各專業充分溝通的基礎上開展工作。相關的接口界面和要求如圖5所示。

3)各專業針對布置方案進行分析，合理優化，修改優化總體布置方案。

初步的總體布置方案應經過各專業的分析：工藝專業需分析流程合理性，布置方案對工藝設備運行效率的影響；安全專業應開展布置方案的安全風險評估，提出合適的安全間距；結構專業進行結構分析，制定安裝方案；重控專業應進行模塊質量統計和重心分析等。對于總體布置中明顯不符合本專業要求的，應適當調整布置方案；布置方案中需要對相關專業的參數進行修改的，該專業應合理論證是否經濟、安全和可行，適當修改相關參數。例如，本階段原始建議的船體尺寸進行了優化，船寬縮短了2 m，船長也有所減小；部分機械設備的尺寸為了便于布置，在不影響功能的前提下改變了長寬高；部分設備應布置在船體還是上甲板也應經過相關專業共同討論后進行了調整。

圖5　前期研究階段FLNG上部模塊總體布置的輸入參數及界面

經過各專業優化和總圖專業修改后，完成了新建FLNG的上部模塊總體布置圖(如圖4)。新建FLNG年處理量為60萬t，船總長255 m，型寬44 m。其上部模塊的標高為EL.(+)6 m(總圖專業關于FLNG的標高均為相對船體主甲板的標高)。根據從艏部到艉部按照安全區到危險區來排列的順序，并考慮到整體工藝流程，上部模塊按艏部到艉部、左舷到右舷的順序依次布置了生活樓、卸貨區、單點、AP/AS、BP/ BS、CP/ CS、DP/ DS、EP/ ES等模塊和艉輸系統(A/B/C/D/E按照從艏到艉排列，P代表左舷，S代表右舷)。其中AP/AS模塊與BP/BS模塊采用防火墻進行間隔，隔開了8 m的安全間距。危險區的各模塊間采用了3 m的間隔。左右舷的兩個模塊之間的管廊帶為5 m。

3　FLNG總體布置區別于FPSO的特點

國內對FPSO的設計建造已經積累了很多經驗，對FPSO設計經驗的積累有利于做好FLNG的設計。FLNG與FPSO有很多共性，但也有很大的不同。在設計過程中，對FLNG的總體布置區別于FPSO的一些特點進行了分析和總結。

1)多層布置。單個模塊比FPSO層數多，質量大。由于FLNG裝置涉及到天然氣預處理、液化裝置，以及一些原油/凝析油處理設施，加上FLNG和原油/凝析油的外輸設施，因此其上部模塊甲板面積并不寬松，單層布置很難滿足需求。采用多層布置，對于一些塔器(如穩定塔、脫乙烷塔等)裝置采用穿層布置，對于換熱器等一些小型設備可以采用局部二層小甲板的方式來布置，布置時應合理利用高差勢能。

2)質量/重心的考慮。上部模塊進行總體布置時，既要保證模塊的重心盡量低，左右舷不偏心，同時還要嚴格控制單一模塊的質量。因此FLNG通常采用多層布置，模塊質量較之FPSO模塊大了很多，在前期研究時應合理規劃，保證單一模塊質量不超過其安裝方式決定的最大安裝能力，若采用藍鯨號安裝，大型FLNG的單一模塊控制不超過4 000 t，采用其他資源安裝，質量限制會更加嚴格。

3)船體晃動的影響。船體的晃動可以影響FLNG的天然氣處理裝置的工作效率，為了減小這一負面影響，在布置時通常考慮將大型塔器布置在靠近管廊帶的位置。

4)吊裝的考慮。采用多層布置時，由于安全上要求工藝設備上方不要進行大型吊裝操作，同時部分塔器的高度過高也會影響吊機的操作，因此FLNG上部模塊會通過電葫蘆、滑道等方式來進行輔助吊裝，彌補吊機所受到的這些限制，吊機數量也可以因此得到優化，從而減小上部模塊的質量和成本。對于預留安裝的模塊和設備，也應保證其后期安裝時無遮擋，并且不會影響到模塊上的其他生產設施。

5)主甲板的高度和管廊帶寬度。國內FPSO主甲板高度最小為3 m，一般為4.0、4.4、4.5 m，僅30萬t的海洋石油117標高達到6 m。FLNG上部模塊主甲板標高考慮因素和FPSO類似，通常是油泵維修提泵所需高度、空間甲板梁高、船艙呼吸孔所需高度、甲板下管線電纜托架所需高度等。由于FLNG上部模塊較重需要更堅實的支撐，同時工藝配管的尺寸超過傳統FPSO，國外某些設計公司對大型FLNG(300萬t的LNG年產量)的主甲板高度設計取值可達8 m，此南海小型FLNG主甲板高度為6 m。同理，國內FPSO的管廊帶寬度大都為3.0～3.4 m，大型FLNG的管廊帶寬度可達8 m，此南海小型FLNG管廊帶寬度取為5 m。

6)安全間距。國內FPSO上通常安全區和危險區間距最小為3 m，多的可達5 m或6 m，本方案選取了8 m的間距。此外，考慮到液化區域的低溫泄露和爆炸風險，預處理和液化區域也要保持幾米的間距。FLNG為減小爆炸和火災對周邊模塊的影響，安全間距比FPSO會取得更高[5]。但安全間距的增大也會引起裝置成本的顯著增加。目前國際上對FLNG模塊安全間距的選取和計算還沒有成熟的結論，總體布置專業應與安全專業一起共同分析，確定合理的安全間距。

4　結論

1)通過南海某氣田的FLNG開發方案前期研究設計實例，探索了FLNG上部模塊總體布置的方法，對其總體布局方式選取所考慮的因素進行了分析，對總體布置的設計流程進行了總結，對總體布置和上下游專業的界面接口進行了梳理，并重點分析了FLNG上部模塊總體布置與FPSO的區別。其中，結合具體的設計案例對FLNG上部模塊的設計流程和界面的系統梳理屬于國內首次。

2)目前國內結合具體氣田開展的FLNG設計屈指可數，對設計技術的提煉和規范更是亟待加強。本文總結的設計流程和界面在今后開展FLNG相關的科研和生產設計時，可以提供很好的參考，布置方案和思路也可以用于將來的南海FLNG方案設計。

3)今后還需要不斷攻克FLNG前沿技術，尤其是結合液化工藝方案開展上部設備布置優化，并開展三維建模設計來優化總圖，早日讓FLNG裝置服務于中國海洋石油。

[1]謝彬，王世圣，喻西崇，等.FLNG_FLPG工程模式及其經濟性評價[J].經濟管理，2012，32(10)：99-102.

[2]薄玉寶.浮式液化天然氣(FLNG)技術在中國海上開發應用探討[J].中國海洋平臺，2013，28(3)：1-5.

[3]Hans Kristain Ganielsen，Goran Andreassen，et al.The commercial advantages and limitations-Onshore versus Offshore LNG import facilities[C]//The 2009 Offshore Technology Conference.Houston，USA.OTC 19551.

[4]Wouter Pastoor，Kristine Lund，et al.The LNG producer-a generic design with great adaptability[C]//The 2009 Offshore Technology Conference.Houston，USA.OTC 19845.

[5]周建德，余建星，楊源，等.FLNG裝置工藝模塊安全間距研究[J].石油礦場機械，2012，41(12)：11-16.

Procedure and Example Analysis of FLNG Topside General Layout Design

CHENG Bing，YU Xichong，XIE Bin，WANG Qing，XU Minhang

(CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China)

Due to offshore application flexibility of Floating Liquefied Natural Gas System (FLNG)，intensive researches on FLNG are being made currently in many countries，some of which are even under construction.In order to conduct better research and design of FLNG，an exploration on FLNG topside general layout design are made，based on an actual example of a certain South China Sea FLNG feasibility design project：by introducing overall FLNG development plan of the gas field，analyzing the general layout design procedures，summarizing the interfaces between layout and upstream & downstream professions，finally comparing the differences between FLNG and traditional FPSO general layout.These experiences could be helpful for FLNG research and design in the future.

FLNG；topside；general layout；design procedure；example

1001-3482(2016)09-0041-05

2016-03-29

國家科技重大專項“大型FLNG/FLPG、FDPSO關鍵技術”(ZX201105026-06)

程兵(1983-)，男，安徽安慶人，高級工程師，碩士，2009年畢業于中國石油大學(北京)油氣儲運工程專業，現主要從事海上油氣集輸工藝研究，Email：chengbing@cnooc.com.cn。

TE951

Adoi：10.3969/j.issn.1001-3482.2016.09.009