LNG-FSRU技術(shù)動(dòng)向

李 源

作為清潔能源，LNG的市場(chǎng)需求量一直在穩(wěn)定增長(zhǎng)，截至2010年底，全球已建成LNG接收終端60多個(gè)。但值得注意的是，LNG接收終端與LNG需求間存在的缺口仍在不斷擴(kuò)大。隨著人們?cè)絹?lái)越強(qiáng)的環(huán)保意識(shí)，在沿海建設(shè)陸上LNG接收終端受到的限制越來(lái)越多。在這樣的背景下，人們開(kāi)始考慮將LNG接收終端建設(shè)在海上。

性價(jià)比

目前，工業(yè)界提出的海上浮式LNG接收終端概念主要有LNG-FSRU和LNG再氣化船兩種。其中，LNG再氣化船通常由LNG船改裝而成，船上裝備有再氣化設(shè)施。LNG再氣化船將運(yùn)送LNG液貨至接收終端，并通過(guò)水下轉(zhuǎn)塔裝載浮筒（STL）系泊，隨后LNG再氣化船將LNG氣化為天然氣，再通過(guò)柔性立管將氣體輸送到海底氣體管路至最終市場(chǎng)。完成卸載工作后，LNG再氣化船與STL解除連接，離開(kāi)接收終端再次運(yùn)送LNG液貨。

而FSRU的操作模式則不同，首先在海上建造、安裝船型的浮式儲(chǔ)存再氣化裝置，LNG-FSRU每一次從LNG穿梭船上接收LNG，船上設(shè)置有儲(chǔ)存和再氣化LNG的設(shè)備，通常永久系泊于一個(gè)海上單點(diǎn)系泊（SPM）系統(tǒng)，該系統(tǒng)可抵抗極端海況。工作時(shí)，一艘LNG船與FSRU通過(guò)使用浮式船用護(hù)舷板和常規(guī)系泊線舷靠舷系泊。然后LNG船將LNG卸載至FSRU，根據(jù)LNG船尺度和氣體輸出率的不同，通常需20～30小時(shí)完成全部卸載工作。LNG儲(chǔ)存在FSRU船體內(nèi)的儲(chǔ)存艙中。加溫后LNG將被氣化成氣體，然后通過(guò)柔性立管輸送到海底氣體管路，再送到最終市場(chǎng)。

Hoegh LNG公司曾對(duì)一艘18萬(wàn)m3，再氣化能力為0.5～1.5 bscf/d（十億標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/天）的LNG-FSRU進(jìn)行過(guò)成本計(jì)算。

對(duì)LNG船陸上接收終端、LNG再氣化船和LNGFSRU三種方式進(jìn)行成本比較，如圖3所示。從圖中可以看出，LNG再氣化船在中短程海運(yùn)距離以及較低的氣體輸出能力的情況下較有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，但LNGFSRU在LNG供應(yīng)終端與最終市場(chǎng)相距較遠(yuǎn)，以及擁有較高的氣體輸出能力時(shí)會(huì)明顯呈現(xiàn)出競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。且無(wú)論何種情況下，LNG-FSRU均比陸上接收終端的成本低很多。

圖1：LNG-FSRU作業(yè)流程圖

圖2：LNG-FSRU再氣化系統(tǒng)

圖3：三種方式的經(jīng)濟(jì)性曲線

建造方式

LNG-FSRU的建造方式主要有3種：由LNG運(yùn)輸船改裝、新造鋼質(zhì)船殼以及新造混凝土結(jié)構(gòu)。其核心技術(shù)主要包括系泊技術(shù)、卸載技術(shù)、船殼及貨物維護(hù)技術(shù)和再氣化技術(shù)。新建LNG-FSRU可有三種不同的儲(chǔ)罐形式：

（1）Moss型球體儲(chǔ)罐，其特點(diǎn)是甲板面積受限，船體空間利用率低；

（2）SPB方體儲(chǔ)罐，其特點(diǎn)是充足的甲板面積，可解決各種液位晃動(dòng)載荷問(wèn)題，制造工藝簡(jiǎn)單，周期短，便于操作/維護(hù)；

（3）薄膜方體儲(chǔ)罐，需解決晃動(dòng)載荷問(wèn)題，有一定的制造工藝難度。

FSRU上部設(shè)施比常規(guī)的FPSO設(shè)施少，單點(diǎn)系泊系統(tǒng)也比FPSO簡(jiǎn)單，船體結(jié)構(gòu)沒(méi)有自航系統(tǒng)，儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)和制造工藝與傳統(tǒng)造船相同，僅使用的材料不同。

建造FSRU之前，首先需對(duì)整個(gè)工程進(jìn)行可行性評(píng)估，其中涉及到幾個(gè)關(guān)鍵的工程技術(shù)問(wèn)題需要予以考慮。

相關(guān)工程技術(shù)問(wèn)題

1、建立FSRU系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

為了建立FSRU系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，首先需明確以下工程設(shè)計(jì)任務(wù)：

1）FSRU的技術(shù)指標(biāo)，如LNG儲(chǔ)存能力、排水量、尺度、甲板布置等。

2）FSRU系泊系統(tǒng)詳細(xì)信息-提供FSRU單點(diǎn)系泊系統(tǒng)的技術(shù)特性。

3）LNG船技術(shù)特性-詳細(xì)的LNG船隊(duì)數(shù)量、尺度及其他特性。

4）LNG船/FSRU舷靠舷系泊布置-系泊模式，系泊線、海上護(hù)舷板和FSRU上系泊點(diǎn)的數(shù)量和特性。

5）拖船技術(shù)特性-包括拖船類(lèi)型、尺度、波浪中的效率等。

6）海上操作場(chǎng)景-描述幾個(gè)關(guān)鍵的海上操作模式的作業(yè)過(guò)程（靠近、停泊、系泊、離開(kāi)和使用拖船）。

另外，下列基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)是確定船舶設(shè)計(jì)尺度所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)：

1）LNG設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力和氣體的設(shè)計(jì)輸出率－通常由市場(chǎng)需求和項(xiàng)目的總體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)來(lái)決定。

2）LNG設(shè)計(jì)儲(chǔ)存能力－通常由LNG設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力以及LNG船隊(duì)的數(shù)量和尺度確定，該指標(biāo)決定了LNG船的到訪頻率以及FSRU的最優(yōu)LNG儲(chǔ)存能力。

3）LNG船隊(duì)的數(shù)量和尺度由LNG供應(yīng)終端的位置、項(xiàng)目總體經(jīng)濟(jì)指標(biāo)決定。需要進(jìn)行工程研究以確定最優(yōu)的LNG船隊(duì)組成。

例如，一艘FSRU設(shè)計(jì)氣體輸出率為1.0bscf/d，相當(dāng)于每天4.8萬(wàn)m3的LNG。如使用貨物容量為25萬(wàn)m3的LNG船供應(yīng)液貨，LNG船的到訪頻率為每5天一次。但是，如果使用16.5萬(wàn)m3的LNG船則需每3.5天到訪一次。FSRU的最小儲(chǔ)量應(yīng)大于25萬(wàn)m3，以便一次接收所有的LNG，最優(yōu)的LNG儲(chǔ)量則應(yīng)為30萬(wàn)～35萬(wàn)m3，或約6～7天的LNG供應(yīng)量。

2、操作標(biāo)準(zhǔn)和極端標(biāo)準(zhǔn)

為評(píng)估FSRU系統(tǒng)的可操作性，需要使用兩套不同的Metocean標(biāo)準(zhǔn)：

1）操作環(huán)境條件（風(fēng)、浪、流、可見(jiàn)度、溫度、水溫、冰等），用于LNG船停運(yùn)期模擬的數(shù)據(jù)輸入，以及FSRU/LNG船舷靠舷動(dòng)態(tài)系泊分析。

2）極端設(shè)計(jì)環(huán)境條件（含熱帶和強(qiáng)熱帶風(fēng)暴），用于設(shè)計(jì)FSRU和系泊系統(tǒng)。

3、拖船在波浪中的性能效率

根據(jù)LNG船的尺度和當(dāng)?shù)氐腗etocean環(huán)境，在靠泊和離開(kāi)的過(guò)程中，需要2～4艘系柱拉力約50～60噸的遠(yuǎn)洋拖船協(xié)助LNG船。

LNG船靠泊和離開(kāi)操作限制主要取決于拖船在波浪中的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)。根據(jù)船型和裝機(jī)功率的不同，波浪中拖船的動(dòng)態(tài)操作效率總體來(lái)說(shuō)隨著波高的增加而下降。當(dāng)波高到達(dá)一個(gè)特定值時(shí)，拖船操作效率將從100%降至零。

圖4：典型的波浪中拖船動(dòng)態(tài)操作曲線

通常需要進(jìn)行模型試驗(yàn)以確定拖船在波浪中的動(dòng)態(tài)操作效率曲線。拖船通常在“推-拉”模式下操作。拖船在“推”模式下的操作效率一般比“拉”模式低。當(dāng)海況條件不允許進(jìn)行“推”模式時(shí)，拖船可以轉(zhuǎn)為傳統(tǒng)的“長(zhǎng)線”拖曳。

4、實(shí)船操作模擬

為了建立LNG船在拖船協(xié)助下靠泊和離開(kāi)FSRU作業(yè)時(shí)的操作環(huán)境限值，可進(jìn)行船舶操縱模擬。另外，為了LNG船安全地靠近、系泊和離開(kāi)FSRU，以及確定會(huì)限制這些操作的Metocean條件，必須對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行規(guī)劃和評(píng)估。為了評(píng)估總體靠泊有效性，還需要FSRU/LNG船停運(yùn)模擬所需的Metocean限值。

實(shí)時(shí)船舶操作模擬須在有經(jīng)驗(yàn)的引水員指揮下，在有資質(zhì)的全任務(wù)船舶模擬設(shè)施中進(jìn)行。引水員根據(jù)在監(jiān)視器中對(duì)LNG船、FSRU和拖船的觀察指揮船舶操縱，再由模擬器操作員在駕駛橋樓執(zhí)行引水員的操作指令。

5、海上轉(zhuǎn)運(yùn)技術(shù)

目前實(shí)現(xiàn)LNG在LNG船和FSRU之間轉(zhuǎn)運(yùn)有兩種主要的方式：采用柔性軟管或采用全鋼的卸載臂?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為L(zhǎng)NG海上轉(zhuǎn)運(yùn)率最小應(yīng)為10000m3/h。為滿足該要求，需要使用直徑為16英寸或更大的大口徑柔性軟管或卸載臂。盡管柔性軟管和卸載臂在石油工業(yè)中已有應(yīng)用，但對(duì)于海上LNG轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)說(shuō)仍然是一個(gè)相對(duì)較新的課題。

大口徑（16英寸或更大）柔性軟管在受保護(hù)水域的海上LNG轉(zhuǎn)運(yùn)中應(yīng)用的可行性只是剛剛被論證。目前，LNG在船對(duì)船轉(zhuǎn)運(yùn)中，還未完全使用柔性軟管。當(dāng)前石油工業(yè)界正在進(jìn)行聯(lián)合研究項(xiàng)目，以提升分析方法，并確保柔性管疲勞壽命預(yù)報(bào)的精確度。考慮到每周的卸載次數(shù)和全球海況，柔性軟管的預(yù)期服務(wù)壽命為5～7年。為了確保柔性軟管結(jié)構(gòu)疲勞完整性，應(yīng)執(zhí)行嚴(yán)格仔細(xì)的工程分析、原型操作試驗(yàn)以及常規(guī)的操作和維護(hù)監(jiān)控。

使用16英尺直徑或更大的全鋼卸載臂的可行性已經(jīng)由FMC通過(guò)陸上比例模型進(jìn)行過(guò)論證，但是仍未用于海上轉(zhuǎn)運(yùn)實(shí)際操作。

6、LNG船和FSRU間的動(dòng)態(tài)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和系泊分析

由于在操作時(shí)，LNG船和FSRU距離很近，評(píng)估兩個(gè)大尺度浮體間的水動(dòng)力交互作用十分重要。LNG船和FSRU間的動(dòng)態(tài)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和系泊載荷預(yù)報(bào)對(duì)于定義LNG船系泊至FSRU操作時(shí)的安全環(huán)境限值以及更好地定義金屬卸載臂的設(shè)計(jì)操作包絡(luò)線是至關(guān)重要的。

許多研究者已經(jīng)對(duì)兩個(gè)舷靠舷系泊體間的三維水動(dòng)力交互影響進(jìn)行過(guò)報(bào)告。

動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)分析將采用FSRU所在位置的Metocean氣候長(zhǎng)期時(shí)間關(guān)系曲線圖。這些分析將產(chǎn)生LNG船-FSRU航向、相關(guān)的多種運(yùn)動(dòng)、系泊線張力和護(hù)舷板載荷等指標(biāo)的長(zhǎng)期時(shí)間關(guān)系曲線圖。

運(yùn)動(dòng)分析中需包括風(fēng)浪流方向，風(fēng)浪流方向通?？杀环殖扇N：

1）平行（±15度）

2）傾斜（15～ 45度）

3）交叉（45～ 90度）

圖5：典型的舷靠舷運(yùn)動(dòng)分析環(huán)境方向

為了確定LNG船和FSRU舷靠舷動(dòng)態(tài)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將進(jìn)行下列分析：

1）建造FSRU和LNG船模型，并使用不同的方式核查，包括試驗(yàn)以及采用第三方軟件進(jìn)行驗(yàn)證。

2）對(duì)LNG船和FSRU單獨(dú)進(jìn)行衍射和輻射分析，計(jì)算衍射波載荷和6自由度運(yùn)動(dòng)RAO。這些分析將用于驗(yàn)證船模和數(shù)值結(jié)果。

3）舷靠舷衍射/輻射分析，該任務(wù)對(duì)相連兩船體進(jìn)行水動(dòng)力分析。

4）對(duì)FSRU單獨(dú)進(jìn)行隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)分析。

5）對(duì)LNG船和FSRU舷靠舷系泊進(jìn)行隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)分析。

7、LNG船停運(yùn)期操作模擬

為了評(píng)估海上的可操作性以及靠泊可行性，需要從LNG供應(yīng)終端開(kāi)始直至FSRU的每個(gè)步驟進(jìn)行完整的模擬。模擬過(guò)程中，在FSRU上的操作，以及LNG船的到達(dá)將使用不連續(xù)事件模擬進(jìn)行建模，這些模擬包含了所有操作的過(guò)程，從LNG船離開(kāi)供應(yīng)終端開(kāi)始，進(jìn)行跨洋航行，到達(dá)FSRU附近的引水員登船站，最終靠近FSRU并靠泊，系泊至FSRU，進(jìn)行LNG轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)，離開(kāi)FSRU，以及引水員下船。

兩個(gè)典型的模擬模型如下圖所示：模型1包括了從LNG船從LNG供應(yīng)終端開(kāi)始，進(jìn)行跨洋航行，到達(dá)FSRU，至LNG船離開(kāi)FSRU，直至再次進(jìn)行跨洋航行為止；模型2僅包括LNG船從引水員登船站至離開(kāi)FSRU的操作過(guò)程。

圖6：典型的FSRU/LNG船操作模擬模型

一般來(lái)說(shuō)，從LNG船到達(dá)FSRU至離開(kāi)FSRU所需的全部周轉(zhuǎn)時(shí)間約為30～40小時(shí)，LNG船大小不同所需的時(shí)間也不同。另外，到達(dá)FSRU和離開(kāi)FSRU的操作還會(huì)受到風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素的影響。

每個(gè)模擬事件都需以100年為期進(jìn)行模擬運(yùn)行，這是為了給統(tǒng)計(jì)分析提供足夠的結(jié)果。模擬中將記錄下列參數(shù)：

1）引水員時(shí)間：從引水員登船開(kāi)始至LNG船離開(kāi)引水員登船站。假設(shè)在整個(gè)作業(yè)過(guò)程中是同一個(gè)引水員停留在船上。

2）等候（或稱(chēng)停運(yùn)）時(shí)間：從LNG船到達(dá)引水員登船站開(kāi)始，包括由于不良?xì)夂驐l件所造成的等候靠泊時(shí)間。

3）交互到達(dá)時(shí)間：連續(xù)2艘LNG船抵達(dá)引水員登船站之間的時(shí)間。

4）兩次關(guān)閉間的時(shí)間：從引水員登船站的等候時(shí)間開(kāi)始直到下一次等候時(shí)間的開(kāi)始。

5）間隔時(shí)間：在一段等候期后，從首艘LNG船到達(dá)開(kāi)始，至下一次等候期之前，最后一艘LNG船離開(kāi)為止。

6）跨洋航行期間的延誤：如果模擬包括從LNG供應(yīng)終端至FSRU間LNG船的跨洋航行，則還需記錄由于不良?xì)夂驐l件所造成的延誤。

除了基礎(chǔ)事件模擬，還可執(zhí)行敏感度模擬事件，以評(píng)估改變LNG儲(chǔ)存能力的影響，LNG船隊(duì)的組成（大小和數(shù)量），操作（靠泊、離開(kāi)、系泊和卸載）環(huán)境限制、夜間時(shí)段和能見(jiàn)度限制。停運(yùn)模擬結(jié)果也可用于評(píng)估LNG設(shè)計(jì)儲(chǔ)存能力是否合適，LNG船隊(duì)的最優(yōu)數(shù)量和尺度大小，以及為FSRU預(yù)報(bào)操作停運(yùn)期。

專(zhuān)家觀點(diǎn)

LNG-FSRU作為一種浮式LNG接收終端具備經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)，且技術(shù)可行，隨著清潔能源的大量應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。政策方面，2012年8月，工信部發(fā)布的《海洋工程裝備科研項(xiàng)目指南（2012年）》中確定了5種類(lèi)型裝備作為研發(fā)中的重點(diǎn)。其中包括LNG-FSRU總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，以及LNG-FSRU再氣化模塊總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)設(shè)備作為關(guān)鍵系統(tǒng)和設(shè)備領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)。FSRU在建造上的難度并不大，但FSRU需要從LNG船上接收液貨再進(jìn)行處理，這涉及到LNG的海上轉(zhuǎn)運(yùn)、大型浮式結(jié)構(gòu)間的水動(dòng)力交互作用，以及操作中的諸多規(guī)劃問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)者從初步設(shè)計(jì)階段直至詳細(xì)工程設(shè)計(jì)階段均進(jìn)行周密的考慮。