東海邊際氣田開發多邊形FLNG裝置技術方案

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司,天津 300452)

多邊形FLNG(LNG Floating Production Storage and Offloading Units)方案確立是以滿足全海式滾動開發東海天然氣(產能規模在80 萬方/天邊小氣田)為目標，本文從浮體型式、海況適用性、液化工藝、外輸方式、液貨艙選型等方面論證裝置在東海海域作業的技術可行性。

1 設計基礎

1.1 環境條件

生產裝置按滿足東海海域100 a一遇環境條件設計；設計水深150 m，設計壽命是25 a。

參考東海海域水文氣象環境，風、波浪和海流極值見表1。

表1 環境條件極值

1.2 設計規范

本浮式生產裝置用于國內海域，入CCS級。參考設計規范包括國內法律法規、IMO公約、船級社規范及其他國際標準。

為實現東海邊際氣田的有效滾動開發，借鑒目前國內外海上浮式生產裝置全海式開發項目案例。經綜合分析，選擇“水下井口+多邊形FLNG+LNG運輸船”的開發模式，見圖1。

圖1 多邊形FLNG開發示意

2 LNG罐艙選型

4種典型LNG儲罐艙型見圖2。

圖2 LNG儲罐艙型

在布置空間足夠的前提下，綜合各因素，從降低造價、縮短建造周期、應對避臺期間控制艙壓的角度考慮，確定采用Type C型艙方案。

3 結構型式選擇

海上石油氣的液化及儲存是一個復雜的系統工程，對浮式裝置有特殊的要求[1]。

目前FPSO工程上應用較多的結構型式有船形和圓筒形。在中國南海、英國北海以及巴西等海域，使用船形浮式裝置需采用造價和維護成本高昂的單點系統，圓筒形浮式裝置環境方向性不敏感，整體運動性能更優，良好的耐波性使惡劣海況生存能力更強，可降低單點系統帶來的高昂造價和維護成本。

多邊形近似圓形，多邊形浮式生產裝置目前還處于研究階段。綜合考慮，本方案采用多邊形筒體的結構型式。

4 工藝處理模塊

多邊形FLNG工藝處理模塊應滿足現行標準及規范、規則的要求，適合在海上高鹽霧、高濕度、日溫差大的環境里生產。滿足橫搖不大于8°，縱搖小于2°，工作環境溫度-6 ℃～35 ℃，最大相對濕度95±3%(20 ℃)的正常生產需要；具有抵抗100 a一遇臺風能力。具有小型化、模塊化、分散化的特性，適合在FLNG有限空間內布置。

FLNG工藝的選擇主要從液化裝置的規模和安全性兩方面進行分析和決策。對于小型液化工藝，常采用單混合制冷劑流程和膨脹流程[2]。

凈化工藝采用應用于LNG領域成熟的工藝，選擇MDEA吸收法脫除酸性氣體、分子篩脫水、浸硫活性炭脫汞、及洗滌法脫重烴，見圖3。液化工藝選擇比較節能的混合冷劑液化流程，見圖4。

圖3 天然氣凈化流程示意

5 主尺度及總布置

5.1 主尺度

多邊形FLNG主尺度主要控制因素包括：液貨儲量、工藝模塊甲板面積、耐波性、穩性、系泊系統、排水量等。為貼合C型液罐形狀，盡量減少C型液罐占據的主體空間，以十邊形FPSO作為母型參考，確定本FLNG采用10邊形筒體。

圖4 天然氣液化流程示意

通過定性和計算分析，隨著主尺度降低，垂蕩固有周期減小，考慮多邊形方案為永久性系泊裝置，為保障作業安全性，降低垂蕩共振和甲板上浪風險，應使其固有周期避開波浪能量集中范圍。本方案主尺度取值見表2。

表2 主尺度 m

5.2 總布置

多邊形FLNG是一個帶電站和油氣水處理系統的浮式生產系統，帶有30人生活樓，具有發電、生產和生活支持、油氣處理、LNG存儲和外輸功能，可為水下生產系統提供電力和控制。基于運動性能和甲板面積的需求，采用底部阻尼板和上部外飄結構的形式。總體布置見圖5。

圖5 多邊形FLNG總布置

主甲板與工藝甲板之間的區域，主要用于錨泊定位設備、管纜、應急發電機室、無須自然采光的公共生活設施處所的布置。采用3組錨泊定位系統，并且在主甲板外圍和工藝甲板之間設計有向外延伸的防浪墻，在主甲板接近防浪墻附近還有擋板，有效保護區域內的設備及管纜等不受到海水的侵蝕。

工藝甲板位于主甲板之上4 m，滿足規范至少3 m的安全設計范圍，在控制重心高度的前提下提供了較為寬裕的空間以保證主甲板上設備的維修吊裝及其工藝甲板下管纜的布置。在對應下方C型液罐氣室的位置開設有平式艙口蓋，便于吊裝維修液貨泵。

生活樓、直升機甲板、卸貨設備、火炬塔、氮氣系統和工藝處理設備位于上甲板上方的工藝甲板上。火炬塔向舷外傾斜延伸于舷側之外和生活樓相對布置，盡量減少火炬熱輻射區對生產區和生活區的影響。

左右舷各布置一臺輸送軟管絞車，絞車位于吊車覆蓋范圍內，用于向海面釋放低溫漂浮軟管用于外輸LNG作業。左右兩舷主體設置2 m寬的雙殼結構和2.5 m高的雙層底結構，雙殼空間根據調載和破艙要求劃分成若干個邊壓載水艙，雙層底空間根據調載要求劃分成若干個底壓載水艙和艙底水艙、污油艙等液艙。主體中心部位設置垂向的圓柱形海底立管連接通道和平臺。主體其他空間在水平方向上前后左右共劃分成4個類扇形空間，左右2個類扇形空間用于安放Type C型LNG儲罐(總艙容12 600 m3)。

6 穩性及耐波性分析

6.1 穩性分析

對于風傾力矩計算，主要考慮主船體、吊車、生活樓、工作模塊、火炬等的風載荷，不考慮構件的遮蔽效應。計算風模型采用三維面積模型，計算0°、45°、90°方位不同吃水下的風傾力矩。

按照船級社規范關于穩性衡準的要求,經計算，完整穩性和破艙穩性均能滿足規范要求。

6.2 耐波性分析

多邊形FLNG浮式結構物的耐波性計算采用三維頻域勢流理論求解，橫搖和垂蕩粘性阻尼采用CFD方法計算得到。通過分別模擬平臺的橫搖和垂蕩靜水自由衰減運動，根據衰減曲線計算得到相應的阻尼系數。縱搖粘性阻尼系數采用與橫搖相同的數值。通過計算獲得FLNG 6自由度運動RAO曲線，以及指定4個位置P1～P4三向加速度RAO曲線，指定位置見圖6。

圖6 指定計算加速度的位置

不規則波波浪譜采用Jonswap譜，譜峰因子γ采用DNV規范方法計算。計算浪向為0°～180°，間隔30°。

計算結果表明，在100 a一遇的海況下，有義波高為13.4 m，對應的橫/縱搖單幅有義值最大為1.953°，均滿足工藝處理設備要求幅度。各考察點的各向運動加速度均小于0.2g，處于正常范圍內。

7 系泊定位分析

系泊系統采用常規的多點系泊設計，包括3套錨鏈傳動裝置、錨泊鏈以及必要的導鏈輪及導纜器。錨泊鏈共9根，3根為一組，采用3×3的形式布置，每組相鄰錨泊鏈水平內夾角為3°，由錨鏈+鋼絲繩+錨鏈組合而成，布置形式見圖7，主要參數見表3。

立管區域布置在主體中心，由剛性管道組成導向立管，從主船體最下端延伸到主甲板，柔性立管自下而上貫穿在剛性立管中，在主甲板立管區域與工藝模塊的進口管匯系統相連。

采用CFD方法計算不同風向下的風力系數和不同流向下的流力系數。根據BV規范要求，對于風、浪和流環境的重現期采用3種組合方式，見表4。

圖7 系泊纜布置示意

表3 系泊系統主要參數

表4 生存工況環境條件重現期組合 a

每種環境組合類型從0～360方向內選擇9個主浪向，分別為0、45、60、90、135、180、225、270、和315。風、流及浪的方向夾角組合見表5。

表5 風和流向與浪向組合 (°)

系泊計算結果表明，采用GR3有檔錨鏈，鏈徑180 mm，破斷負荷18 076 kN的180 mm公稱直徑鋼絲繩可以滿足規范要求的纜繩安全系數。

8 LNG外輸方式

FLNG的作業方式和FPSO類似，目前可用的外輸方式都是基于FPSO的作業方式。經過幾十年的經驗積累，FPSO外輸方式有串靠卸油、旁靠卸油、串旁靠聯合卸油、懸鏈式浮筒單點系泊系統和HiLoad等多種方式。并靠卸料系統適用于允許最大有義波高≤2.5 m的相對溫和海況。串靠卸料系統允許最大有義波高達4.5 m[3]。

根據作業海域風浪流的方向特征，主要方向集中在南北兩個方向，為了便于利用風標效應使提LNG運輸船位于安全船位，考慮在兩個方向都具有外輸能力，多邊型FLNG外輸設備在兩舷各配置1套LNG外輸系統，每套系統由軟管絞車、液壓系統和電氣系統等組成，具有軟管收放、排管、靜態制動、管系吹掃、安全保護(應急釋放等)等功能，在絕大多數的情況下，下風側安全外輸。

多邊型FLNG外輸方案采用雙外輸點方案，使用動力定位LNG運輸船或者常規LNG運輸船增加艏側推及增加拖輪輔助靠泊和在泊。

9 LNG艙壓控制

方案中LNG儲罐產生的BOG蒸發氣可以經BOG回收作為再生氣被凈化單元利用，從凈化單元出來的再生氣進入燃料氣收集系統用于雙燃料發電機組。但在避臺風期間，LNG生產裝置需要停止運行，所有人員撤離平臺。考慮外輸限制和后續恢復生產的需要，LNG儲罐需要保持在裝貨狀態，因此在該期間，LNG儲罐產生的BOG蒸發氣的處理需要有適當的考慮和對應方案。在此條件下，為使液貨艙的壓力和溫度保持在設計范圍內，采用壓力積聚(蓄壓)的方法。

Type C型艙IGC最小設計壓力0.36 MPa(g)。經計算，一個設計釋放壓力為0.4 MPa(g)、蒸發率為0.3%的6 000 m3的LNG儲罐，在97%的裝載率下，可以維持約7 d，在此期間內艙壓大概上升30～35 kPa(g)。Type C型艙的承壓能力完全可以承受1周的蓄壓要求。因此只要避免液艙的裝載水平過高，采用壓力積聚(蓄壓)的方法在抗臺期間實現對液貨艙的壓力和溫度的安全控制是完全可行的。