LNG-FSRU再氣化模塊設備布置研究

朱 鋒， 張 林， 王 俊， 顧曉波

(1.江蘇科技大學， 江蘇 鎮江 212003; 2.南通太平洋海洋工程有限公司, 上海 200070)

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LNG-FSRU再氣化模塊設備布置研究

朱 鋒1， 張 林2， 王 俊1， 顧曉波1

(1.江蘇科技大學， 江蘇 鎮江 212003; 2.南通太平洋海洋工程有限公司, 上海 200070)

陸上LNG接收終端受項目投資大、審批周期長、建設時間久、海岸線資源緊張等因素制約，使得海上浮式LNG接收站得到重視。LNG再氣化模塊是LNG-FSRU重要功能模塊，在有限的空間內確定工藝流程、規劃系統布置、劃分子功能區域、協調結構設計，對設備進行合理布置是綜合設計思路的體現，可提高LNG再氣化裝置的適應性和可靠性。

LNG-FSRU 再氣化模塊 設備布置研究

0 引言

目前液化天然氣(LNG)市場在世界范圍內前景廣闊，地位日益凸顯，我國也在不斷加大對LNG的開發利用。我國LNG接收終端大部分是陸地式LNG接收終端，受項目投資巨大、審批周期長、建設時間久、海岸線資源緊張等因素制約，在沿海建設該類接收終端的阻力也越來越大。隨著國外海上浮式LNG接收站(LNG-FSRU)工程應用的逐步發展，浮式LNG配套功能模塊將成為未來海工的重要發展趨勢之一。現在，國內船用LNG再氣化功能模塊設計制造剛剛起步，對船用LNG再氣化功能模塊的研究，是滿足海上LNG接收站建設的關鍵要素之一。

1 LNG再氣化模塊說明

LNG整個產業鏈包括開采、預處理、液化、儲存、運輸、再氣化等環節，是一個技術密集、投資龐大的完整鏈系。船用LNG再氣化功能模塊是LNG動力船和海上浮式LNG接收站的核心裝備，在LNG產業鏈中起到關鍵作用。

目標LNG再氣化功能模塊工作時熱源主要來源于外界海水，因LNG的存儲溫度低至-163℃，工程上通常用海水先加熱冰點較低的中間介質，再由中間介質把熱量傳至給LNG進行氣化，以此防止海水直接加熱LNG而產生冰凍的危險。中間介質在工作過程中組成一個閉環循環系統，本目標LNG再氣化模塊采用丙烷作中間介質。圖1為LNG再氣化模塊三維模型。

圖1 LNG再氣化模塊三維模型

目標LNG再氣化功能模塊的工作流程(見圖2)是：再氣化模塊工作時，LNG吸入罐從船體LNG液艙吸入部分LNG以備氣化使用；丙烷在丙烷蒸發器進行與外界海水換熱；氣化中LNG增壓泵從LNG吸入罐泵出部分LNG并增壓輸送至LNG蒸發器中，利用加熱后的丙烷在LNG蒸發器中進行加熱升溫；加熱后的LNG通過補償加熱器繼續加熱升溫，最終得到溫度在5℃的氣體天然氣，并通過管道向船舶LNG主機或城市管網供氣；有效解決LNG動力船和海上LNG的接收站推廣應用中如何對LNG進行高效氣化的瓶頸問題[1]。

圖2 LNG再氣化模塊工作流程圖

2 LNG-FSRU再氣化模塊設備布置原則

LNG再氣化模塊設備布置是一個落實設備參數、確定工藝流程、規劃系統布置、劃分子功能區域、協調結構設計等綜合設計思路的體現[2]。在模塊總布置初始規劃過程中，就需考慮船型、安裝位置、空間重量、整體方案、技術形態等因素，同時結合船體穩性、模塊吊裝、拖航等性能計算，并最終確定方案。總布置應遵循以下基本原則：

(1) 系統性。從全局出發確保穩性、吊裝、拖航等技術性能，這是模塊安全運營的根本[3]；

(2) 功能性。以實現再氣化模塊功能為核心，合理布置模塊設備，確保其工作流程的合理性；

(3) 可行性。選擇合適的施工工藝，確保在資源、技術上可行并有效控制建造成本；

(4) 穩定性。妥善考慮模塊的重心位置、控制模塊重量，合理規劃各區域的重量分布[4]；

(5) 安全性。全面考慮防火及防爆等因素，在總布置設計之初時即要避免或降低在由于危險區域中布置電氣、機械等設備而可能引起的安全隱患[5]；

(6) 高效性。確保安全高效，盡可能保留足夠操作空間，注意為設備維護和升級預留空間；

(7) 遵循相關設計標準和指南。

3 目標LNG再氣化模塊布置現狀分析

根據設計任務書要求，船用LNG再氣化裝置具有3組功能相同、可獨立運行的再氣化單元。再氣化單元既可單組或多組任意配置，也可獨立運行，并利用海水熱量加熱液態天然氣，既能改進效率、同時兼顧穩性和安全。目標LNG再氣化模塊工作具體技術性能指標和主要設備參數如表1～表3可知。

表1 LNG-FSRU再氣化裝置主要技術與性能指標

表2 設備參數

表3 主要設備空間占用尺寸

因3組LNG再氣化模塊中的設備布置方式與單組LNG再氣化模塊布置方式相同，故下文只針對單組LNG再氣化模塊中各個功能子系統具體設備布置情況進行分析。圖3為單組LNG再氣化模塊設備布置總圖。圖4為LNG再氣化模塊設備空間向心關系圖。

圖3 單組LNG再氣化模塊設備布置總圖

圖4 LNG再氣化模塊設備空間向心關系圖

(1) 海水凈化加熱子系統布置方式

海水凈化加熱模塊主要涉及的設備為丙烷加熱器和丙烷預加熱器，主要被安放于模塊右舷位置，兩個設備高度均達2.78 m，因此整個再氣化模塊層高主要受這兩個設備尺寸影響而決定，如圖5所示。模塊中海水管道管徑大，可達40″，為降低模塊重心和節省模塊內部空間，將海水管道布置在底部集液盤下方。同時，為縮短加熱后丙烷管道長度，將丙烷加熱器放置于中部平臺，將丙烷預加熱器安放于底部集液盤。

圖5 海水加熱子系統布置圖

(2) 丙烷循環子系統布置方式

丙烷循環模塊作為一個以閉路循環參與模塊工作，由圖6可知丙烷管系布置主要根據丙烷加熱器、LNG蒸發器和結構位置進行布管。丙烷子系統相關的設備和管道主要布置在模塊右舷處，丙烷罐則根據LNG蒸發器的位置進行懸置安放。根據管道分析，丙烷流徑LNG蒸發器和丙烷加熱器之間管道時，首尾兩端存在巨大的溫差，由于本身管道內部液體流量、壓力以及熱膨脹會產生較大應力，為了防止管道應力對設備產生不必要的推力，管道均采用彎管形式進行壓力釋放。

圖6 丙烷循環子系統布置圖

(3) LNG氣化子系統布置方式

LNG氣化子系統主要是以LNG蒸發器為核心，結合重量重心等進行布置。如圖7可知，LNG子系統管道主要布置于模塊頂層平臺左舷，將LNG管道集中于頂部平臺的優勢在于具有較大的空間，以方便工作人員對重點設備儀表以及管道進行檢查。與LNG蒸發器相連的管道，也是通過設置彎管進行應力釋放的方式布置。LNG增壓泵平臺設有便于工作人員進行檢查修理的樓梯，設備底部貫穿底層集液盤平臺，以適當的降低LNG增壓泵的重心位置。

圖7 LNG氣化子系統布置圖

(4) BOG子系統布置方式

BOG子系統主要是將LNG液艙中的BOG氣體進行收集壓縮并通過LNG進行冷凝液化，如圖8所示。BOG管道主要是根據BOG氣旋分離器和BOG冷凝器位置進行布置。由于BOG需利用LNG過冷進行液化，故BOG冷凝器會布置在模塊左舷、LNG氣化器的LNG上游管路處，以便BOG氣體液化后直接進入LNG管道進行再氣化。

圖8 BOG子系統布置圖

LNG再氣化模塊設備布置時，充分考慮了LNG增壓泵、丙烷增壓泵、以及丙烷加熱器的空間形狀和設備重量。由于在工作狀態下，海水管道、丙烷管道將會充滿大量液體，而模塊右舷位置設備管系比較集中，故而會使模塊整體重心偏于右舷，不利于模塊工作的安全性。丙烷預加熱器的位置，又限制了補償加熱器的安放，使NG管路的管線變長。因此，針對模塊重心位置并考慮到操作的便捷性，須對設備布置進行調整。

4 設備布置調整

在進行一定的準備工作并得到相關基礎資料后，根據外界環境及其它因素，確定模塊各平臺方位高度；然后考慮LNG泄露存在爆炸的危險性，并將平臺分為若干功能區域, 進行設備布置。由于各個設備將有一定的工作空間范圍，因此布置過程要充分考慮設備之間的配合交接、設備的工作范圍半徑等，確保設備之間不能發生干涉[6-7]。

由上分析可知，重量較大的設備和管系多集中在模塊右舷，致使模塊重心偏離模塊中心線，且整體模型空間尺寸又受丙烷加熱器和丙烷預加熱器設備形狀限制，因此可針對LNG蒸發器、BOG再冷凝器、丙烷罐、丙烷泵、丙烷加熱器、丙烷預加熱器進行布置調整。此外，模塊布置要考慮外界海洋環境的惡劣條件以及整個模塊的重心和穩心，盡可能地降低重心高度，同時使重心盡量落于模塊軸線附近，利于順暢生產流程、節約布置空間、 縮短配管距離，有效提高模塊的穩定性。

由表2設備參數可知，在單組再氣化模塊中，丙烷加熱器的重量最大，其次是LNG增壓泵，再次為丙烷預加熱器，而丙烷加熱器和丙烷預加熱器的位置又會直接影響到海水管的分置位置，故采取將丙烷加熱器和丙烷預加熱器分置于模塊軸線兩側，海水管道可在集液盤底層分布于軸線兩側的方式進行布置。

丙烷加熱器采取原有理念設計放置于模塊中部平臺上，考慮到空間形狀需將平臺向模塊內部延伸，此平臺被添加在模塊內部靠左舷側，這樣可盡量減少加熱后丙烷管的長度，同時，丙烷加熱器安放時需預留出用于工作人員進行檢查修理的通道空間。

丙烷預加熱器則放置于模塊內部靠右舷側，在預留安全通道的前提下，又不能過多地向模塊內部平移。因為丙烷加熱器和丙烷預加熱器需為海水管道、丙烷管道以及丙烷罐預留出充足的空間，以免管道與管道或管道與設備間產生干涉。

丙烷罐的布置方式與原有設計相比，考慮到丙烷罐在模塊內部占用的空間，將丙烷罐在XY軸平面內順時針旋轉90°。

丙烷增壓泵由原有在模塊內部設計調整為被安放于原有丙烷加熱器基座平臺。

補償加熱器則合理利用了原有丙烷加熱器基座平臺，同時又減少了離丙烷預加熱器和LNG蒸發器直線的距離，減少了管系的長度。

LNG蒸發器考慮到加熱后丙烷管道需在頂部平臺設置彎管釋放，以及連接LNG蒸發器的NG管道的布管，在原有基礎上也在XY軸平面內順時針旋轉90°。

LNG增壓泵考慮到與調整后的丙烷加熱器的干涉問題，同時平衡模塊重心，故將LNG增壓泵在原有中部平臺對稱調整到模塊靠船艏處，模塊中樓梯通道位置保持原有設計。

設備綜合布置調整如圖9所示。通過設備和主結構調整極大的利用了模塊內部空間，為原有丙烷加熱器基座中部平臺節省出了較大面積，可進行相關電器、儀表安放，多組再氣化模塊布置可參照此單組模塊方式調整。

圖9 單組再氣化模塊設備調整

5 主結構適應性調整

針對上節設備位置調整，丙烷加熱器、丙烷預加熱器以及丙烷泵位置變動較大，故對各設備基座平臺附近的相關結構也需進行調整并做加強處理。通過有限元軟件對設備調整完之后的結構進行適應性調整如圖10所示。

圖10 主結構適應性調整

在進行設備調整時，將原有LNG增壓泵基座平臺向模塊內部延伸，以便于安放丙烷加熱器。由于原有中部平臺具有較大結構冗余度，故在建模同時，對中部平臺結構截面向下調整一級，B9(300×300×8×16)調整為B7(260×260×8×12)，B7調整為B5(200×200×6×10)。

針對模塊主結構適應性調整，對模塊主結構強度采用規范進行自動校核，利用桿件UC值(UC值為結構實際應力與容許應力的比值)來判斷某種工況下，是否滿足結構強度要求，對結構強度不滿足的構件進行相應的調整，調整后模塊結構強度計算結果如圖11～圖15所示。

圖11 吊裝工況

圖12 正常作業工況

圖13 極端工況

圖14 拖航工況

圖15 爆炸工況

模塊主結構進行適應性調整后，在進行強度校核時發現丙烷加熱器LNG增壓泵平臺強度較弱，應對相應結構進行加強處理。處理后的總體結果能滿足各工況下的強度要求，調整后主結構重量對比如下：

調整前54.639 t； 重心位置X軸2.57 m，Y軸-0.33 m，Z軸2.56 m。

調整后52.437 t；重心位置X軸2.58 m，Y軸0.02 m，Z軸2.50 m。

可以看出調整后的主結構重心比原有結構重心降低了6 cm，盡管重量增加了2 t，但卻明顯節省了模塊內部各子系統管線和管路保溫層的長度，尤其是NG管道的長度。此管道型號為10″SCH.120，平端管質量可達153 kg/m，因此各子系統管道路徑的縮短也會有效減小整體模塊重量，與主結構增加的重量相抵消，優化布置后模塊的整體重量和原有設計重量相當，但整體的穩定性和安全性均得到提升。

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6 總結

通過分析單組LNG再氣化模塊的原始布置，判斷出各子系統中設備、管系與管支架的布置方式，總結出LNG再氣化模塊整體重心偏于模塊右舷的結論。根據總布置原則在模塊內部添加工作平臺，合理布置重量較大的設備，使各子系統劃分更加清晰，既保證了整體重心位置能處于模塊軸線位置，也對模塊內部空間進行了充分利用。通過對模塊重要設備布置調整，提供了LNG再氣化模塊設備的一種新的布置方案，可作為以后LNG再氣化模塊布置方法的參考。

[1] Sohn Y，Kim S, Yoon I.Conceptual Design of LNG FSRU Topside Regasification Plant [C]//Proceedings of the Twenty-second (2012) International Offshore and Polar Engineering Conference，2012:917-919.

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[3] 任憲剛，白勇,賈魯生. 自升式鉆井平臺總布置的研究[J].船舶工程，2010(s2):121-125.

[4] 趙英年.海洋石油生產平臺平面布置設計原則[J]. 中國海上油氣(工程)，1994(1):1-7.

[5] Gu Y,Ju Y L. Corrigendum to “Effect of parameters on performance of LNG-FPSO offloading system in offshore associated gas fields”[J]. Applied Energy, 2011, 88(1):417.

[6] 趙英年. 海洋石油生產平臺平面布置設計原則[J]. 中國海上油氣(工程)，1994(1)：1-7.

[7] Mitchell W J, Steadman J P. Synthesis and Optimization of Smallrectangular Floor plans[J]. Environment and Planning B, 1976(3)：37-70.

Structural Strength Analysis for LNG-FSRU Regasification Module

ZHU Feng1, ZHANG Lin2, WANG Jun1, GU Xiao-bo1

(1.Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212000， China;2 Nantong Sinopacific Offshore & Engineering Co., Ltd., Shanghai 200070， China)

The concept of an offshore floating storage and regasification unit (FSRU) has been proposed as alternatives to conventional onshore LNG import terminals. The LNG Regasification module is the key function module to the LNG-FSRU.In the limited space，how to determine process, plan system layout, allot functional areas, coordinate design is the comprehensive design ideas.It can improve the adaptability and reliability of LNG regasification unit.

LNG-FSRU Regasification module Layout optimization

朱 鋒(1987-)，男，碩士研究生，研究方向為船舶與海洋工程。

U674

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