FLNG存儲技術的探討

汪建平

（中海油能源發展南美區域中心 北京 100027）

引言

眾所周知，在我國除了陸地還有海洋還存有大量的天然氣資源尚未被開發和利用，它們有些是沒有被發現，有些是發現了，但是考慮到技術及經濟的原因還沒有被開發，比如海上的邊際氣田，但是隨著科學技術的發展，一種針對海上氣田開發的FLNG新型模式被創立，它的產生，將大大減少海上天然氣田開發的成本（大概能減少1/3）這使原來處于經濟效益邊緣或者根本沒有經濟效益的氣田也將被列入開發計劃中。作為新型的FLNG開發模式，面臨的技術挑戰有很多，其中一個最主要的技術挑戰是液態天然氣的存儲技術。

1 圍護系統介紹

天然氣，它的主要成分是甲烷，在常壓條件下它的液化溫度是-162度，而要存儲這種超低溫介質，傳統材料制成的容器已經無法滿足要求，隨著科技的發展，目前已經有多種形式的容器可以使用，根據IMO分類，大致可以分為如下幾種類型：

（1）自支撐A型艙。

（2）自支撐B型艙。

（3）自支撐C型艙。

（4）薄膜艙。

1.1 自支撐型艙

自支撐型艙相對于船體結構是完全獨立的，它的外形不需要與船體的結構形狀完全一致，另外，它也不能給船體結構提供支撐力。根據IGC規范和設計壓力的不同，它可分成A、B、C三種類型。

（1）A 型艙

A型艙主要由各種平面構成，在蒸汽區，它的最大允許設計壓力是0.7barg；僅適合存儲常壓下完全液化的液貨，下面有幅插圖1，是存儲LPG的液貨艙剖視圖，它屬于自支撐式內部加強多邊形艙，在這個艙的周圍，需要鋪設一層泡沫或花崗巖絕緣，它需要將液貨艙與船體之間所有的空隙都填滿。

圖1

A型艙所需要的材料是不具備抗裂紋擴展的，因此，為了保證萬一出現泄漏情況下的安全，對于液化溫度低于-10度的介質，它都需要增加第二層儲存系統的保護。針對常壓下完全液化的LPG（溫度低于-55度），第二層存儲系統作為船體的一部分必須設計成在指定的最大橫傾角下能存儲所有第一層液貨艙所能存儲的量，如圖所示，一般都是采用這種方法設計，通過這種方法，船體的部分結構必須使用特殊的能夠承受-55度的材料制成，或者采用單獨的第二層存儲系統將第一次液貨艙包圍住。根據IGC法規規定，第二層存儲系統必須能夠存儲泄露的介質達到15天的能力。這種類型的液貨艙，在第一層與第二層存儲艙之間是中空的，假如介質是可燃的，該空間內必須加滿惰性氣體。

（2）B型艙

B型艙可以是平面型的也可以是球面型的，與A型艙相比，它在設計上需要更多的應力分析，它還必須考慮疲勞壽命和裂紋擴展分析。

大部分B型艙的布置是像下面插圖2一樣是球形的，這種類型的艙由Kvaerner Moss設計，所以我們也習慣的稱之為MOSS型艙，因為安全系數的增加，B型艙的第二層存儲系統僅僅需要在第一層第最底部安裝一小部分，兩層之間的中空部分需要充滿惰性氣體，然而，如果中空部分裝有氣體探頭，它也可以只是填充干燥氣體就可以，在主甲板面上，裝有一層拱形的金屬保護頂蓋住了第一次的存儲系統，B型艙幾乎只用在LNG艙，很少用于LPG艙。

圖2

還有一種B型艙，就是目前有IHI設計的SPB型艙，如圖3圖4它是由各種平面組成的，它可以完全將整個獨立的艙室放在船體的主甲板面以下，而讓甲板面保持原來的平整，內膽與的材料是鋁合金，外面包有PUF絕緣面板，其最大的在蒸汽空間設計的可承受壓力是0.7BAR。

圖3

圖4

（3）C型艙

C型艙一般是球形或者圓柱形的壓力艙，它的設計壓力可以高于4BAR，圓柱形的可以水平或者垂直安裝。這種類型的液貨艙一般都用于氣體在半壓或者全壓狀態下，半壓設計的液貨艙可以用于存儲完全液化的氣體，這時候，液貨艙的材料必須采用能夠承受相應低溫的性能，C型艙采用傳統的壓力罐法規進行設計，需要進行準確的應力分析，但是設計強度可以保持在較低水平，C型艙不需要第二層保護系統，與船體間的空間部分可以用惰性氣體或者干燥的空氣填充，如果是全壓式的C型艙，普通的空氣就可以。

典型的全壓式C型艙（在常溫下保存液化氣），它的最大工作壓力可以是18bar。半壓式的C型艙，工作壓力一般在5至7bar,最大真空度為0.3bar。

如圖5所示，它是C型艙的典型布置，不難看出，該類型的艙對船艙的體積利用率相對較低。

圖5

1.2 薄膜艙

薄膜艙是將一層很薄的覆蓋層通過絕緣層的支撐形成，它不屬于自支撐型艙，目前世界上只有法國的GTT公司擁有此項技術，并在LNG運輸船中大量使用，在新建的FLNG中如殼牌的PRELUD FLNG中有使用。目前GTT已經開發出兩款產品，NO 96和Mark 3。

（1）GTT NO96

如下圖6所示，NO96它在艙室的內表面包有一層薄薄的殷瓦鋼，殷瓦鋼是一種不銹合金鋼，含有約36%的鎳和0.2%的碳。覆蓋在用在做絕緣材料的用珍珠巖填充的膠合板箱內表面上。這些箱子厚度在200到300毫米之間，箱子的另外一面與第二層的殷瓦鋼相接觸，同樣的第二層殷瓦鋼與另外一組相似的作為二次絕緣的珍珠巖填充盒相連。由于殷瓦鋼具有非常低的熱膨脹系數，所以采用了膜式設計，同樣在整個艙室的內表面也不需要設計膨脹節或波紋。NO96系統的新設計采用了0.5米寬的0.7毫米厚的殷瓦鋼和內部填充珍珠巖的加強膠合板箱作為絕緣。珍珠巖用硅進行處理，使其具有不滲水特性。通過調節絕緣板箱的厚度可以控制不同的絕緣要求，實現不同的FLNG蒸發率要求。

圖6

（2）MARK III

如圖7說示，MARK III系統具有1.2毫米厚的不銹鋼主要屏障，在表面具有波紋或皺紋，允許膨脹和收縮。在最早的MARK I設計中，支撐初級膜的絕緣體由夾在兩個膠合板層之間的層壓輕木板組成；膠合板個另外一個表面形成了第二個屏障。輕木木板與專門設計的接頭相互連接，該接頭由PVC泡沫楔和膠合板痂組成并通過木制基礎與船體相連。

圖7

2 FLNG圍護系統選擇

通過對以上幾種維護系統的分析，從存儲溫度上考慮（-162攝氏度），目前適用于FLNG的維護系統包含有如下四種，卡瓦那的MOSS型，C型艙，IHI的SPB型以及GTT的薄膜型。但是它們作為FLNG的維護系統，又各有優缺點，具體對比如下表1：

表1 FLNG圍護系統選型對比

據上表的綜合對比分析得出：

（1）C型液貨艙晃蕩影響小，LNG蒸發率小，可國內建造。但其液貨艙容積小，艙容利用率低，不適用于中大型的FLNG。因此C型液貨艙不適合于本FLNG的圍護系統。

（2）MOSS液貨艙晃蕩影響小，LNG蒸發率小。但其對船體艙容利用率低，上部凸出主甲板，導致主甲板不連續，影響船體的總縱強度。凸出的液貨艙部分，不利于上部模塊的總體布置，且投資成本高，并且國內未有實船建造經驗。因此MOSS球型液貨艙不適合于本FLNG的圍護系統。

（3）SPB型液貨艙對船體艙容利用高；主甲板寬、平坦，利于上部模塊總體布置；晃蕩影響小；LNG蒸發率低；隔離艙不需加熱系統；安裝、維修簡單。但其液貨艙僅能在日本船廠建造，國內沒有相應建造經驗的船廠；絕緣箱的安裝需要經過IHI專門培訓及現場指導監督；建造成本高。

（4）薄膜型液貨對船體艙容利用率較高；主甲板寬，可利用率高；晃蕩小；LNG蒸發率低；國內船廠已有豐富的實船建造經驗（GTT NO96薄膜型），見表1；絕緣箱尺寸標準化，可國內制造；建造成本相對較低。但缺點是需設置隔離艙加熱裝置。

表2 圍護系統建造業績

根據上述關鍵問題的綜合分析，從技術角度選擇，薄膜型圍護系統和SPB圍護系統均可應用于FLNG裝置上。但具體采用哪種類型這需要看實際的項目實際分析。

3 薄膜型圍護系統和SPB系統在南海使用的挑戰

兩種維護系統，雖然都有很好的絕緣性，很低的蒸發率，但是在LNG運輸船上及在建的幾條FLNG上它都有持續的制冷系統在運行，而在我們中國南海，持續的制冷系統并不能保證，因為每年的臺風季節，我們的油田設施上是不允許有人的，因此目前的這兩個系統是否都能滿足我們的使用要求呢？為此，按照IMO標準進行了如下蒸發率BOR計算分析：

可見，在IMO設定的環境條件下，蒸發壓力在42小時后達到釋放閥設定值，雖然目前兩種圍護系統的蒸發率SPB 0.15/d,GTT 0.16/d都低于IMO假定值，但是也難以滿足南海臺風撤離的平均4天的要求，所以臺風期間，FLNG將會有大量的氣化甲烷通過釋放閥瀉到大氣中，這些氣體會在FLNG上空積聚嗎？會有爆炸風險嗎？為此專門做了模擬分析計算，通過分析計算，能夠滿足安全要求。

結語

本文主要針對SPB型及薄膜型兩種維護系統用于FLNG的優缺點進行了對比，同時也分析并得出了結論在中國南海的特殊使用條件及環境下，兩種系統都能滿足技術上的及安全上的使用要求，期望對業界同仁有所參考與幫助。