FLNG船舶總體設計方案研究

羅曉健，郭學龍，楊涵婷，藍 天

中國石油集團海洋工程有限公司，北京 100028

FLNG 即浮式液化天然氣生產存儲裝置，集海上天然氣的液化、存儲及裝卸為一體，具有建設周期短、開發設施少、開采靈活、便于遷徙、適用范圍廣、可重復利用等特點[1]，經濟效益良好，可應用于深遠海及邊際油田的開發。中石油集團參與了莫桑比克4 區的Coral、Mamba、Agulha 等多個氣藏的開發，這些氣藏多位于深海，與陸地相隔較遠并存在海溝及斷層。采用FLNG 進行生產開發可有效解決海底管道不能登陸的技術難題，開采的天然氣直接由LNG 運輸船運送至中國，保障國內能源供應。Coral 氣藏一期由Eni 公司主導，中石油參股，采用FLNG+LNG 運輸船的生產開發模式。Coral 二期及Agulha 氣藏開發仍將采用不同規模的FLNG 裝置，為了在后期油氣開發中占據主動，中石油集團將浮式天然氣液化裝置（FLNG）關鍵技術研究列為重大專項，開展科技攻關。本文以莫桑比克4 區氣田開發為依托，對FLNG 船舶總體設計原則、思路及方案進行研究。本項目FLNG 液化生產能力達到了200 萬t/a，產能規模較大；船舶設計采用萬年一遇的環境工況，作業海域水深達到2 000 m，船舶系泊定位要求高；船舶設計滿足25 年不塢修要求，船舶作業高效。通過研究確定了FLNG 船舶總布置及主尺度方案，可為類似油氣田開發研究、設計等提供指導。

1 設計基礎

（1） 產能及存儲要求：其一，LNG 生產液化能力200 萬t/a；其二，凝析油9 萬t/a；其三，滿足15 萬m3LNG 運輸船接駁要求。

（2） 定員：250 人。

（3） 立管：8 根，臍帶纜 5 根。

（4） 水深：2 000 m。

（5） 環境參數如表1 所示。

表1 FLNG 設計環境參數

2 船舶總體設計原則及影響因素

2.1 船舶總體設計原則

FLNG 本質是船型裝置，因此具有船的航行性能，如浮性、穩性、抗沉性、耐波性等；同時FLNG 又具有油氣處理、液化及存儲等特定功能。FLNG 船舶總布置及主尺度應把滿足船舶主要功能及工作效率放在首位，兼顧多方面要求，使艙室布局、設備安裝和液化存儲功能達到最佳狀態，高效、經濟地發揮船舶性能[2]。FLNG 船體設計應根據船舶功能進行初步布置，然后進行船舶總體性能分析。根據總體性能分析結果修正和優化總布置，進而再次進行船舶總體性能計算和單體系統設計。如圖1 所示，FLNG 船舶總體設計是一個螺旋優化的過程，最終使得船舶功能和總體性能達到最佳。

圖1 FLNG 船舶總體設計流程

FLNG 船舶總體設計原則如下：

（1） 重力與浮力平衡。

（2） 船舶總體布置合理，并滿足艙室、系泊、設備安裝、艙容存儲、液貨外輸、模塊布置及甲板面積要求。

（3） 滿足規范規定的穩性和干舷要求。

（4） 具有良好的耐波性。

（5） 滿足船舶作業限制條件。

（6） 技術可行，經濟適用。

2.2 船舶總體設計影響因素

2.2.1 LNG 及凝析油儲量

液貨儲量是船舶載重量最主要的部分。儲量由LNG 最大日產量、凝析油日產量、LNG 運輸船的噸位、外輸油輪噸位、外輸頻次、海域氣象等條件決定。

2.2.2 上部模塊的重量及尺寸

工藝模塊的功能及規模直接影響船體主尺度，船舶甲板空間應能滿足工藝模塊的總布置和安全間距要求，模塊寬度是船舶型寬的決定因素。模塊重量大，重心高；模塊尺寸大，受風面積大，風傾力矩大。模塊外形及重量重心可能危及船舶的穩性，在設計初期應進行核算。

2.2.3 工藝處理流程對冷劑、 化學藥劑儲存艙容的要求

原料氣處理過程中需要用氨液去除CO2和H2S；本項目天然氣冷卻采用了APCI-DMR 工藝，需要乙烷和丁烷作為冷劑補充；天然氣開采過程中為了抑制水合物的產生，需要在井筒內注入MEG，天然氣處理過程中會產生MEG 富液、MEG 貧液，也需要新鮮MEG 的補充等。冷劑、化學藥劑等需要存儲在船艙內，會對船舶總體布置和載重產生影響。

2.2.4 外輸系統

LNG 和凝析油需要定期外輸。外輸船舶的噸位、外輸及靠泊方式、外輸要求等影響船舶的總體布置。外輸接駁時，外界環境力變化會引起船舶偏移，船舶的尾部可能需要設置DP 或推進系統輔助船舶定位。

2.2.5 船舶自持力，燃油、 淡水、 消防用水等對艙容的要求

燃油、淡水、消防用水、滑油、污油、污水等液體儲量與FLNG 規模和自持力息息相關，同樣影響船舶的總布置和載重。

2.2.6 系泊類型及立管形式

不同的系泊形式，其轉塔位置、月池空間、受力等相差較大，對船舶布置及結構影響很大，船體設計過程中應盡早確定系泊及轉塔類型。立管形式與布置會影響船舶的運動，同時立管的垂向拉力會增加船舶的排水量。

2.2.7 船舶定員

船舶定員主要包括操作人員和船員。定員人數及居住要求將影響生活樓的尺寸與重量；同時定員人數多，船舶自持力要求也高。

2.2.8 船舶結構形式

FLNG 對于環保及安全要求高，船舶應采用雙舷雙底的雙殼結構。雙殼為液貨艙提供保護，并可兼做壓載艙為船體平衡配載，較多的分艙也提高了船體的抗沉性。雙殼結構占用了較大的船體空間，船體主尺度設計時應綜合平衡安全保護、壓載要求及雙殼尺寸之間的關系。

2.2.9 作業環境

FLNG 船體設計應充分考慮作業海域的環境條件。惡劣環境條件需要船體具有更好的耐波性、穩性和結構強度。某些冰區作業的船舶還應考慮冰區加強。

2.2.10 建造與作業成本

良好的布置方案可以節省大量的鋼材、管材與電纜，降低建造成本；良好的布置方案可提高工作效率，減少作業成本。

3 船體方案確定

3.1 液貨艙容

艙容與LNG 小時產量、運輸船規模、接卸緩沖時間等有關。LNG 在生產或運輸過程中會發生氣化，LNG 艙一般最大裝載率為97.6%[3]；LNG裝卸泵距離船底有一定的距離，約4.2%的殘液無法泵取，因此LNG 艙可裝卸的凈艙容為93.4%。15 萬m3LNG 運輸船凈接卸量為14.01 萬m3。LNG艙容采用公式（1）、（2） 進行計算，最終確定的 LNG 總艙容為 20.5 萬 m3。

式中：V 為 LNG 艙容，m3；V1為 LNG 運輸船接卸凈艙容，取140 100 m3；V2為緩沖艙容，m3；Q 為LNG 小時產量，取600 m3/h；T 為緩沖周期，取4.5 d。

凝析油艙容計算與LNG 艙容類似，卸貨周期取90 d，緩沖周期取30 d。凝析油小時產量為15 m3/h，經計算凝析油艙容為4.3 萬m3。

其他大型工藝儲罐根據工藝處理流程需求確定，各儲罐容量見表2。

表2 工藝流程儲罐容量

3.2 模塊甲板面積需求

FLNG 主要模塊包括：原料氣處理模塊、MEG模塊、脫水脫汞模塊、NGL 分離單元、一級壓縮模塊、二級壓縮模塊、液化模塊、外輸增壓模塊、外輸模塊、發電機公用工程模塊等。井口原料氣首先進入原料氣處理模塊，分離出的凝液經過凝析油穩定單元之后送至凝析油儲罐，分離出的氣相進入酸性氣脫除單元。原料氣在吸收塔中脫除CO2和H2S。脫酸后的原料氣被送至MEG 處理單元，去除MEG，然后脫除水分和汞。脫汞后的原料氣進行甲烷、乙烷、丙烷和丁烷的分離及預冷和深冷。分離出的C5+組分送至凝析油儲罐，分離出的乙烷和丁烷作為冷劑補充被儲存，從深冷低溫換熱器流出的LNG 液體輸送至LNG 儲罐。外輸時，LNG 經過增壓后由外輸模塊輸送至LNG 運輸船。FLNG工藝模塊布置見圖2，模塊需要的最小甲板面積為224 m×58 m。

3.3 液貨圍護系統

LNG 液貨儲存圍護系統的主要類型有：挪威MOSS 球罐型液貨艙，日本IHI 的SPB 棱柱型液貨艙，法國GTT 的薄膜型液貨艙，各液貨艙類型優缺點對比如表3 所示。

FLNG 裝置液貨圍護系統除了要達到常規LNG運輸船的要求外，還應當具有以下特點：其一，有足夠的甲板面積以便布置生產模塊、管系、設備等；其二，船型較好，船舶有良好的耐波性；其三，貨艙裝載率不受環境工況限制；其四，堅實可靠的長壽命設計，降低停產風險；其五，易于作業現場檢修和維護。

圖2 工藝模塊布置

表3 各液貨艙型式優缺點對比

滿足FLNG 液貨圍護系統的有GTT 型液艙和SPB 型液艙。SPB 型液艙具有更多優點，雖更適用于海洋工程，但是其造價昂貴，僅在日本石川島播磨重工公司和韓國三星重工公司有建造，沒有大范圍推廣應用。目前已完工和在建的FLNG 液貨圍護系統基本采用了GTT 型液艙，因此本項目使用了應用更廣泛的GTT 薄膜型液貨圍護系統，如圖3 所示。

圖3 薄膜型液貨圍護系統示意

3.4 船體結構形式

為防止碰撞引起LNG 和油品泄漏，造成海洋污染或火災爆炸等危險。LNG 存儲艙、凝析油艙、污油艙、油氣處理工藝艙等應設置邊艙或底艙進行保護，邊艙及底艙可作為壓載艙或其他無污染的液艙。邊艙尺寸必須符合MARPOL 公約附則I 第19條規定，邊艙寬度不得小于公式（3） 或2 m 中的小者；雙層底高度應不小于B/15（B 為型寬） 或2 m 中的小者[4]。

式中：W 為邊艙寬度，m；DWT為FLNG 載質量，t。

此外，邊艙或雙層底艙還應滿足調載及破艙穩性要求。根據需求，船體可設置3 m 寬的邊艙、3.4 m 高的雙層底艙、2.6 m 高頂艙及0.8 m 高梁拱。船體分為左右LNG 存儲艙；船體中部為分隔艙，下部為壓載艙，上部為圍堰、管隧及檢查通道；雙層底分為左右兩艙，與邊艙相連成L 型的壓載艙。FLNG 船體典型液艙結構形式如圖4 所示。

圖4 FLNG 船體典型液艙結構形式

3.5 定位及外輸方式

通常FLNG 系泊形式包括多點系泊和單點系泊。多點系泊，即通過多個固定點用錨纜將FLNG固定，限制船體橫向及縱向位移。該方式只適用于海況平和且風、浪、流方向較為單一的海域。單點系泊的FLNG 在風、浪、流作用下具有風向標效應，容許船舶繞轉塔自由轉動，減小風、浪、流的作用力。單點系泊又分為外轉塔式和內轉塔式。外轉塔的系泊鏈工作臺位于船體外部、水平面以上，有利于船體艙室布置和轉塔日常檢修，但立管和臍帶纜受波浪的影響較大；外轉塔的結構尺寸較小，限制了系泊纜和立管的數量；外轉塔系泊的船舶艏搖較大，不適用于惡劣海域。內轉塔系泊裝置一般設在船首，轉塔直徑可設計得很大，為設備和管匯布置提供足夠的空間；內轉塔系泊的船舶運動性能較好，可適應較為惡劣的海況；轉塔的存在對船體結構造成了影響，減少了艙容。轉塔類型選擇一般基于船舶大小、水深、波高、系泊纜數量、立管及臍帶纜數量等要求，表4 為不同轉塔的適用范圍。本項目FLNG 的載質量約20 萬t，萬年一遇設計波高為20.43 m，作業水深為2 000 m，系泊纜數量為18 根，立管及臍帶纜數量為13 根，故采用內轉塔系泊方式。轉塔位置將影響船舶的系泊受力及風向標效應，轉塔越接近船首，風向標效應越好，但立管及系泊纜受力相對較大，通常內轉塔中心線至船舶首柱距離與船長之比為7%～15%較為合適[5]。

表4 不同轉塔適用范圍

一般液貨外輸有旁靠外輸和艉輸兩種方式。由于LNG 具有低溫特性，艉輸需要較長的LNG 輸送軟管，目前該軟管技術還未成熟，因此LNG 采用旁靠外輸的方式，凝析油采用艉輸的方式。

3.6 船體總布置

FLNG 船舶總布置應能滿足LNG 存儲、凝析油存儲、人員生活、發電、系泊等功能需要。總布置直接關系到FLNG 船舶功能的發揮，總體布置應著重考慮以下幾方面的因素。

3.6.1 安全性

凡劃分為危險區的區域，如油氣處理模塊、液化模塊、外輸模塊等應有足夠的安全距離，遠離含有引火源、引爆源的區域。如安全距離不可行，應采用防護墻或防火墻進行隔離。同時模塊布置還應考慮主風向，避免危險區逸出的可燃氣體進入含有引爆源的區域，火炬燃燒的廢氣以及冷放空的可燃氣體應遠離船體，火災爆炸時不應使煙氣流入居住區、避難所和撤離區。

3.6.2 可操作性

FLNG 將油氣處理、氣體壓縮、液化、電站、外輸等功能融為一體，總布置應考慮工藝流程是否順暢，設備操作、維修空間是否足夠，外輸接駁是否方便，以便最大限度提高船舶效率，發揮船舶功能。

3.6.3 居住環境。

良好的生活環境能使船員心情愉快、身體健康，也是安全生產的重要保證。生活區內應盡量降低噪聲和振動的影響，住艙、服務艙室應舒適、方便。生活樓應盡量遠離電站、泵站、壓縮機等大功率動設備。

FLNG 各模塊的布置原則是把低風險區的設備布置在上風側，高危險區的設備及模塊布置在下風側，避免可燃氣體或有毒煙氣在風的作用下從危險區擴散到非危險區。生活區和主要的集合點位于FLNG 前部，相對危險的區域（液化系統和火炬系統） 位于FLNG 的尾部；為了避免點火爆炸的可能，發電機組也應位于工藝模塊的上風側；將內轉塔設置在上部模塊的上風側，生活樓的下風側，船舶布置和風向標效應均可取得較好結果；LNG 采用旁靠外輸的方式，裝卸臂接近船中區域，便于系泊及接卸操作；火炬塔位于工藝設施的下風側，火炬應有足夠的高度，并遠離船體左舷，避免成為可燃氣云的點火源。船舶各區域布置從首部至尾部的順序依次是：生活樓、直升機坪、救生集合區、轉塔、發電機組模塊、工藝模塊（預處理區）、LNG裝卸區域、工藝模塊（液化區）、火炬區域。

3.7 船舶主尺度

根據上部模塊最小橫向尺寸24 m 的情況，如圖5 所示設計了兩個船寬方案。船寬58 m 方案，模塊外緣與船舷齊平，逃生通道設置于模塊立柱內側；船寬62 m 方案，模塊外緣位于甲板內，外側設置逃生通道。

綜合考慮艙容、工藝模塊布置、系泊類型、結構形式等，初步確定了4 個船舶主尺度方案（見表5）。LNG 的密度較小，裝載質量相對較低，經計算本船的穩性及干舷有較大余量。為了獲取良好的主尺度效應，同時考慮工藝模塊的空間需求，在滿足穩性及干舷的前提下，應盡量減少船寬。采用MOSES 軟件建立了船體模型（如圖6 所示），通過計算分析可知船舶長寬比為6.5 時，具有較好的耐波性，因此推薦方案4。在此基礎上對船舶進行了總布置優化、船舶總體性能分析、系泊分析等，表6 為最終的船體方案及主要參數，圖7 為船舶總布置方案。

圖5 船寬方案示意

表5 船舶主尺度方案

圖6 船體MOSES 模型

表6 FLNG 船體方案及參數

圖7 FLNG 總布置

4 結束語

FLNG 船體由不同功能的系統組成，各系統之間相互依存、相互影響。船舶總體設計時應處理好主要矛盾和次要矛盾的關系，既要充分發揮各系統的功能，又使得各系統協調配合。船體設計是一個多參數、多目標的優化過程，隨著設計深入應由粗倒細，多次迭代，不斷修正，逐步完善。在初步確定的船體主尺度及方案基礎上，開展工藝、結構、輪機、電氣、舾裝、系泊等設計，根據各專業的設計結果優化完善船舶總體設計方案，多次迭代優化后可獲得較好的船體設計方案。