FLNG上部模塊總體布置研究

王春霞，李亞菲，王戰(zhàn)勇

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

FLNG上部模塊總體布置研究

王春霞，李亞菲，王戰(zhàn)勇

海洋石油工程股份有限公司，天津300451

結(jié)合國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）的深水油氣勘探開發(fā)技術(shù)項目課題的子課題“FLNG上部模塊及系泊系統(tǒng)設(shè)計研究”，探討了FLNG上部模塊總體布置的方法。FLNG船型采用傳統(tǒng)的FPSO船型，總體布局的關(guān)鍵是從海洋環(huán)境、工藝要求、危險性等級等角度出發(fā)，綜合考慮各個功能模塊之間的相互關(guān)系。參照FPSO項目的設(shè)計經(jīng)驗及FLNG工藝、安全的特殊要求，介紹FLNG上部模塊的總體布局、單點系泊、外輸布置、主甲板高度、安全間隔、生產(chǎn)工藝模塊規(guī)劃的設(shè)計原理及關(guān)鍵技術(shù)，為FLNG上部模塊設(shè)計提供技術(shù)參考。

FLNG；上部模塊；總體布置；管廊

浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置（FLNG）是一種集海上天然氣／凝析油的液化、儲存和裝卸、發(fā)電、供熱、人員居住為一體的新型FPSO裝置。它具有投資相對低、建造周期短、機動性和運移性較好的特點，具有適應(yīng)深水采氣的能力——在深水海域中具有較大的抗風浪能力和LNG存儲能力。FLNG在深水海域的應(yīng)用將有效地避免深水海域管道鋪設(shè)所面臨的技術(shù)難題，同時也為海上邊際油氣田的開發(fā)提供了經(jīng)濟有效的方案[1]。目前國內(nèi)還沒有一套成熟的FLNG技術(shù)和完善的規(guī)范可作為指導(dǎo)。通過FLNG上部模塊總體布置研究，提出船體上部模塊設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，完成一套適合南海領(lǐng)域FLNG的基礎(chǔ)設(shè)計資料，為建造我國第一艘FLNG提供了技術(shù)準備。

1 上部模塊的總體布置原則

FLNG裝置是FPSO中比較特殊的一種，上部模塊的布置原則與常規(guī)的FPSO比較接近，總體布置必須滿足規(guī)范對防火、防爆、逃生的要求，使生活、指揮、消防、電站、救生、直升飛機甲板等安全區(qū)與油氣處理危險區(qū)盡量遠離。由于FLNG涉及天然氣預(yù)處理、液化等過程，其工藝要比FPSO復(fù)雜得多，對FLNG裝置的安全、可靠、緊湊、高效提出更高的要求，以確保FLNG工作人員、儲存系統(tǒng)、系泊系統(tǒng)、卸貨系統(tǒng)的安全。

2 主甲板總體布置

2.1 總體布置

FLNG上部模塊布置的關(guān)鍵是生活樓、單點系泊裝置、外輸設(shè)施、火炬、生產(chǎn)工藝模塊的布置方案的確定。目前渤海海域FPSO上部模塊采用的是：生活樓在船首、外輸油系統(tǒng)及火炬塔在船尾的格局布置方式。這種布局的優(yōu)點是：生活樓處于油、氣、水處理模塊和尾部外輸油系統(tǒng)危險油氣區(qū)的上風向，避免工作人員長期處于油氣裝置的下風向。南海海域FPSO上部模塊采用的是：生活樓及外輸油系統(tǒng)在船尾、火炬塔在船首的布置格局方式。生活樓處于尾部外輸油系統(tǒng)油氣上風向，但處于首部輸油管和油、氣、水處理模塊危險油氣區(qū)的下風向。

本研究的FLNG全長402 m，型寬62 m，外輸方式為旁靠卸載，必須處于船體中部，所以FLNG的主甲板布置順序推薦為：生活樓-單點-卸貨區(qū)-電站-公用站-安全間隔-生產(chǎn)裝置模塊（外輸系統(tǒng)）-火炬塔。此布置方案的優(yōu)點是，生活樓布置在單點的上部，減少防火墻的布置，連接單點系泊裝置的管道不跨越生活樓，不需要設(shè)置消防噴淋設(shè)備；卸貨區(qū)分離單點和電儀房間，降低單點的危險對電儀房間的影響；電儀房間靠近生活樓，便于后續(xù)操作；工藝處理流程較順暢。方案存在的問題是單點出口的管道需穿越電儀房間、電站等安全區(qū)；總體布置處于安全-危險-安全交替布置。FLNG主甲板總體布置和全船立面布置分別見圖1和圖2。

圖1 FL NG主甲板總體布置

圖2 FL NG全船立面布置

2.2 生活樓布置

原則上生活樓應(yīng)位于主風向的上風頭，但生活樓的實際位置主要與FLNG的系泊類型、單點系泊裝置的位置有關(guān)。對于采用軟剛臂單點系泊系統(tǒng)或外轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)的FLNG，系泊系統(tǒng)基本不占用船艙，僅占部分甲板面積，生活樓最好設(shè)于船首；對于采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊系統(tǒng)的FLNG，系泊系統(tǒng)占用首部船艙和部分主甲板，生活樓建議設(shè)于船尾。為減少人員因船體劇烈運動而疲勞，SBM公司建議在惡風浪海域作業(yè)的FLNG采用將生活樓設(shè)置于尾部，模型試驗與實踐都說明尾部運動較首部緩和。

本研究將生活樓布置于船首，優(yōu)點是當海面發(fā)生火災(zāi)時，火勢順流而下，不會對首部生活樓產(chǎn)生不利的影響：當甲板上發(fā)生火災(zāi)或爆炸時，尾部是熱輻射與煙霧的下風口；如果生活樓在首部，火炬則在尾部，火炬不會對油氣處理設(shè)施不利；當船體設(shè)計有自航動力系統(tǒng)時，生活樓位于首部可以開闊駕駛員的視野。

2.3 單點系泊布置

FLNG單點系泊可以分為內(nèi)轉(zhuǎn)塔和外轉(zhuǎn)塔2種系泊形式。本研究采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔，布置在船首生活樓之后。內(nèi)轉(zhuǎn)塔系泊系統(tǒng)的轉(zhuǎn)塔裝置一般設(shè)置在船首，技術(shù)成熟、安全可靠。缺點是占用大量船體及甲板空間，F(xiàn)LNG船體結(jié)構(gòu)需要有針對性地加強。內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊裝置可以抵御惡劣的海況，它也是人們走向深水的理想系泊裝置。

對于內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊裝置而言，如果浮體為船舶型，根據(jù)流體動力學原理，應(yīng)將單點系泊裝置設(shè)置在首部，此時，風向標功能明顯，但船體運動比較激烈，會造成系泊系統(tǒng)受力大，需采用龐大部件以滿足受力要求，規(guī)劃設(shè)計時應(yīng)總體協(xié)調(diào)考慮。由于浮體中部的運動較首尾兩端平緩，單點系泊裝置往中部靠有利于改善受力狀況，但將占用寶貴的中部艙容和甲板面積，且風向標功能大為下降。因此，綜合考慮后，本研究采用內(nèi)轉(zhuǎn)塔式單點系泊裝置。

2.4 外輸設(shè)施布置

FPSO主要的卸載方式為尾輸卸載與旁靠卸載。尾輸卸載可用于較惡劣的海況條件，F(xiàn)LNG船與LNG運輸船距離較遠，且LNG的溫度過低，輸送LNG需要特定的軟管，目前尚未實現(xiàn)工程應(yīng)用。旁靠卸載是將穿梭運輸船的一舷系靠在FLNG一舷，靠輸油臂進行卸載作業(yè)。旁靠卸載較佳的匹配方式是FLNG與LNG運輸船的噸位大小相接近，如果大FLNG匹配小LNG運輸船，會造成兩船的主甲板間落差很大，不利于系纜作業(yè)。在旁靠系泊方式中，F(xiàn)LNG與LNG運輸船兩舷非常接近，它們中間僅間隔幾米，常用橡膠防碰墊隔離，但遭遇大風浪時，兩船的橫搖運動易產(chǎn)生船體碰撞，所以旁靠外輸方式對海況要求非常嚴格，LNG運輸船系靠在FLNG時，操船人員須注意力高度集中，避免發(fā)生危險。

2.5 火炬的布置

本研究的火炬布置于船體尾部。這樣設(shè)計的優(yōu)點有：處于浮式裝置的下風向，減少煙、熱以及非正常情況噴出的液體對浮式裝置的影響；火炬位于船尾，而直升機甲板布置在船首的生活樓上，兩者最大限度地遠離，保證了直升機的安全；火炬靠近火炬分液罐布置，方便管道的設(shè)計；火炬位于船尾也避免了與吊機的干涉。

2.6 主甲板的高度

FPSO安全規(guī)則中規(guī)定：上部模塊宜設(shè)置在高于干舷甲板3 m以上的平臺上。國內(nèi)FPSO設(shè)計采用的主甲板高度有3、4.4、4、4.5 m。主甲板高度設(shè)計需考慮的因素主要有：甲板設(shè)備自身高度及維修提升高度、甲板梁高、甲板下管道及電纜托架布置的高度、工藝管道的尺寸和數(shù)量、船體的管道尺寸及數(shù)量、日常操作活動所需空間等。綜合以上設(shè)計參考，本研究課題的FLNG上部主甲板高度為5 m。

2.7 安全間隔

FPSO安全規(guī)則中規(guī)定：油氣水處理模塊應(yīng)距離通用設(shè)備模塊3 m以上。國內(nèi)FPSO通常采取的間距為5、6 m，最小要求為3 m。由于LNG具有低溫、易燃、易爆、易蒸發(fā)的特點，一旦發(fā)生泄漏會產(chǎn)生嚴重的安全事故，因此相比FPSO其安全間距要求更高。安全間隔越大，危險區(qū)離引火源和引爆源越遠，越能減少火災(zāi)和爆炸的發(fā)生，對于防止火勢的擴大和蔓延效果越好。但設(shè)計間距的增大會增加成本，造成材料和空間的浪費。本研究課題安全間隔按照3 m考慮，預(yù)留模塊（30 m）及公用模塊緊靠安全間隔區(qū)布置，增大了安全間隔的距離，整體上可以滿足陸上規(guī)范NFPA 59A“Standard for the Production，Storageand Handling of Liquefied NaturalGas（LNG）”的間距要求。

3 工藝流程模塊的布置

3.1 模塊的劃分與排列

根據(jù)船體的尺寸和以往的FPSO設(shè)計經(jīng)驗，本研究中FLNG的上部模塊尺寸定義為30 m×25.5 m，設(shè)計應(yīng)考慮：工藝流程需要、易于建造、設(shè)備尺寸要求、后期模塊調(diào)整的可能性、預(yù)留模塊面積要求、外輸模塊尺寸要求、模塊內(nèi)設(shè)備的操作維修要求等。

根據(jù)工藝處理模塊的不同要求進行模塊劃分，根據(jù)危險性等級依次排列，則從船首到船尾的危險性逐漸升高。另外，根據(jù)不同功能模塊設(shè)備數(shù)量及尺寸協(xié)調(diào)模塊數(shù)量，保證模塊的重心盡量低，左右舷不偏心。各個模塊之間設(shè)計1 200 mm的間隙用于減弱船體變形對上部模塊的影響。上部模塊布置如圖3所示。

圖3 FL NG上部模塊布置

3.2 模塊分層布置

模塊的總體布置設(shè)計，一方面與模塊的功能有關(guān)，與模塊內(nèi)的設(shè)備數(shù)量有關(guān)；另一方面也與明確的設(shè)備、管道和儀表的操作維修要求，逃生和操作維修通道要求有關(guān)?？傮w設(shè)計必須綜合考慮工藝、設(shè)備、安全和操作等的要求，選擇最合理的分層設(shè)計方案。

FLNG上部模塊的布置可分為單層布置和多層布置兩種方案。單層布置理念要求船體主甲板的可用面積大，油田的工藝處理流程相對簡單。單層布置的上部模塊重量相對較輕，有利于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計。多層布置理念與油田的工藝處理流程復(fù)雜有關(guān)。多層布置很好地協(xié)調(diào)了生產(chǎn)過程中設(shè)施的工藝處理、操作、維修、人員安全、逃生等設(shè)計要求。多層布置的缺點是高度越高，模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和管道設(shè)計的難度就越大，不利于應(yīng)力和疲勞計算。

本研究采用多層布置，主工藝模塊主要選擇兩層或者三層布置。主要原因是船體可供上部模塊使用的面積有限，而工藝處理流程復(fù)雜、設(shè)備多，并且有些塔器的高度本身就達到三十多米高。

3.3 臥式容器的布置

由于FLNG發(fā)生橫搖的幾率比縱搖大得多，對于大的臥式容器如分離器等沿船的中軸線平行布置，可以減小船體搖擺對罐內(nèi)液面的影響。本研究課題中的所有臥式容器均沿船的中軸線平行布置，并且盡量靠近中軸線的兩側(cè)。

3.4 設(shè)備操作維修

本FLNG研究課題上部模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計緊湊，甲板上模塊較多，設(shè)備和管道布置密集，對機械設(shè)備的操作維修設(shè)計要求較高。機械設(shè)備的維修方案與總體布置、管網(wǎng)規(guī)劃、結(jié)構(gòu)設(shè)計、安全通道等都密切相關(guān)，因此在設(shè)計過程中應(yīng)本著人性化的安全理念，對設(shè)備的操作維修方案進行精細化研究。

本FLNG研究課題對于操作維修的設(shè)計理念如下：首先，最大限度地利用吊機的作用。4臺吊機分別布置在FLNG的左右舷，并且錯開布置，以覆蓋盡可能大的面積。吊機的覆蓋面包括了卸貨區(qū)，對于操作頻率高、維修重量大的設(shè)備都盡可能地運用吊機來進行操作。其次，每個模塊與船體舷邊的距離為2 000 mm，可以根據(jù)設(shè)計研究的不斷深入，分析各個模塊的操作維修要求，適當?shù)卦龃竽K的尺寸，或調(diào)整維修區(qū)域，以協(xié)調(diào)設(shè)備操作維修的要求。最后，吊機和滑道梁相結(jié)合，并考慮船體運動對吊裝的影響，利用滑道梁來移動設(shè)備到可以吊裝的區(qū)域進行維修操作，減小船體運動對吊裝方案的影響。

3.5 管廊布置

管廊設(shè)置在左右舷上部模塊中部，由于模塊之間設(shè)置了安全間隙，連接不同模塊間設(shè)備的管路均布置在管廊上。對各個工藝模塊的管道尺寸和數(shù)量總和預(yù)估后，管廊的寬度設(shè)置為6 m。管廊分5層布置，第一層距船體甲板6 m，為船體管道的布置、設(shè)備維修、電纜托架等布置預(yù)留足夠的空間，二至五層的間隔為2～3 m。按照管廊布置的原則，大直徑的管路布置在兩側(cè)，小管徑的管路布置在中間；與管廊左側(cè)設(shè)備聯(lián)接的管道優(yōu)先布置在管廊的左側(cè)，與管廊右側(cè)設(shè)備聯(lián)接的管道優(yōu)先布置在管廊的右側(cè)；容器頂部的管路優(yōu)先布置在上層管廊，容器底部的管路優(yōu)先布在下層管廊；考慮到管廊上管路長度較大，由于熱脹冷縮會產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力作用，所以管廊上的管路在液化區(qū)域設(shè)置偏向右舷的膨脹彎。

4 結(jié)束語

FLNG是目前海洋工程領(lǐng)域研究的熱點之一，具有建設(shè)周期短、可獨立開發(fā)、使用靈活、可移動等優(yōu)點，能適合深水油田、邊際油田的開發(fā)需求，F(xiàn)LNG將成為我國南海深海油氣田開發(fā)的重要設(shè)施。目前國內(nèi)還沒有一套成熟的FLNG技術(shù)和完善的規(guī)范可作為指導(dǎo)。通過本課題的研究，提出了FLNG船體上部模塊設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，完成一套適合南海領(lǐng)域FLNG的基礎(chǔ)設(shè)計資料，為我國建造第一艘FLNG船提供了技術(shù)準備。

[1]趙文華，楊建民，胡志強，等.大型浮式液化天然氣開發(fā)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國海上油氣，2013，25（1）：82-86，90.

[2]王戰(zhàn)勇.FPSO上部模塊總體設(shè)計探討[C]//第十五屆中國海洋（岸）學術(shù)討論會論文集.太原：海洋出版社，2011：137-142.

[3]楊思明，趙英年，王春升.浮式生產(chǎn)儲油裝置生活樓位置的確定及其對總體布置的影響[J].中國海洋平臺，2006，21（6）：35-39.

Research ofgenerallayout ofFL NGtopside modules

WANG Chunxia，LIYafei，WANG Zhanyong
Offshore OilEngineering Co.，Ltd.，Tianjin 300451，China

Based on sub-project research of FLNG topside module and mooring system for the deepwater oil and gas exploration and development projects of national high technology research and development program（863 program），the general layout of FLNG topside modules is discussed.The ship type adopts the conventional FPSO.The key matters of general layout is to consider comprehensively the interaction between modules from the view of marine environment，process and hazard.Referring to the successful design experience of FPSO and considering the special requirements of FLNG in process and safety，the paper describes the principle and criticaltechnology for the generallayout of FLNG topside modules，signal-point mooring，export arrangement，main deck elevation，safety space and the layout of production process modules，providing technology reference for FLNG topside module design.

FLNG；topside modules；generallayout；pipe rack

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.02.006

王春霞（1983-），女，遼寧大連人，工程師，2008年畢業(yè)于東北大學，碩士，現(xiàn)從事海洋石油平臺總體布置和管道設(shè)計工作。Email：174616619@qq.com

2016-11-10