10 000 m3小型LNG FSRU總體設(shè)計分析

羅文忠，鄭 坤，李 萌，雷 坤

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.天海融合防務(wù)裝備技術(shù)股份有限公司，上海 201612）

0 引言

近年，我國南海島礁開發(fā)不斷推進，三沙市的旅游開發(fā)也在不斷深入，但是南海生態(tài)環(huán)境脆弱，如何在環(huán)境保護的同時開發(fā)南海資源，降低人力活動對于南海環(huán)境的影響成為南海開發(fā)亟待解決的問題。

天然氣是當(dāng)前公認(rèn)的綠色能源，是解決當(dāng)前城市大氣污染最為經(jīng)濟有效的措施，在新興城市發(fā)展規(guī)劃中，LNG能源的布局和利用得到了充分的重視，并已逐漸取代傳統(tǒng)石化能源，在經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

LNG浮式儲存再氣化終端（FSRU）具有占地面積小、應(yīng)用靈活等特點，在陸地面積受限的島礁應(yīng)用，與傳統(tǒng)占地面積比較大的LNG接收站相比具有明顯優(yōu)勢，全球已有超過30個FSRU項目投產(chǎn)，在東南亞、南亞等地具有廣闊市場。因此，根據(jù)三沙島礁的地理位置、島嶼分布狀態(tài)、碼頭條件、水文氣象、能源需求等情況，開發(fā)其適用的小型LNGFSRU，為三沙市及島礁規(guī)劃建設(shè)提供一種綠色環(huán)保的能源供應(yīng)解決方案，具有重要意義[1－3]。

區(qū)別于大型LNG FSRU，小型LNG FSRU總體設(shè)計受成本控制、船體空間限制等方面因素的影響，在液貨艙選型、主尺度設(shè)計、主要設(shè)備選型等方面有其自有特點。

1 液貨艙選型及尺寸確定

對小型液化氣體運輸船或FSRU實船案例分析可知，其絕大部分采用C型獨立液貨艙。C型獨立液貨艙通常為球形或圓筒型壓力容器罐，其中圓筒型又可分為單圓筒型、雙圓筒型以及三葉型等。中小型LNG船通常采用單圓筒型液貨罐或者雙圓筒型液貨罐。

對比艙容10 000 m3以內(nèi)的小型液化氣船，貨艙形式基本上采用單圓筒型，如表1所示，這是由于單圓筒液貨罐具有結(jié)構(gòu)形式簡單、設(shè)計施工方便、節(jié)約材料、設(shè)備維護成本和造價較低的優(yōu)點[4]。因此，本10 000 m3小型FSRU采用的貨艙形式為獨立C型單圓筒液貨罐。

表1 部分10 000 m3以內(nèi)的小型液化氣體船C型液貨罐應(yīng)用統(tǒng)計

從設(shè)計建造和成本方面考慮，2個貨罐的尺寸宜相同，因此確定每個罐的凈艙容為5 000 m3。

在艙容一定的情況下，當(dāng)罐體為一個球體時其表面積是最小的，此時的貨罐半徑為最大，船舶的寬度也要增加，因此需要平衡各種因素，確定一個合適的罐體半徑[4－6]。

根據(jù)IGC CODE的相關(guān)要求，罐體距離船殼板的距離要在B/5范圍以內(nèi)（B為船寬），距離船底板要在B/15范圍以內(nèi)，否則按照假定破損計算的時候，罐體就需要參與破損進水，這種情況破損穩(wěn)性很難滿足。因此船寬B至少要滿足如下關(guān)系：

式中：R為罐體的半徑。

貨艙區(qū)內(nèi)殼的寬度b應(yīng)該能保證罐體放置，并有一定的間隙空間，該預(yù)留空間要滿足IACS UI GC6的要求，本方案間隙取1 m，則：

船體貨艙區(qū)分為2個部分，貨罐和艙壁的間距考慮構(gòu)件和通道的要求，則貨艙區(qū)的長度Lh要滿足如下關(guān)系：

式中：Lc為貨罐長度；lt為貨罐距內(nèi)殼的距離。

罐頂上甲板高度H根據(jù)貨罐距離船底板距離和頂部距離ht可以確定，應(yīng)考慮構(gòu)件和通道的要求，則甲板的高度H至少要滿足如下關(guān)系：

采用球形封頭，單罐艙容5 000 m3，貨罐半徑與貨罐長度、表面積關(guān)系如圖1所示；貨罐半徑與船寬、凸型甲板高、貨艙區(qū)長度關(guān)系如圖2所示。

圖1 貨罐半徑與貨罐長度、表面積關(guān)系

圖2 貨罐半徑與船寬、凸型甲板高、貨艙區(qū)長度關(guān)系

對貨罐尺寸的確定，應(yīng)該從如下方面考慮。

（1）FSRU的再氣化裝置，壓縮機室和貨罐匯管等需要布置在甲板面，因此，貨罐的半徑不易取得過小。根據(jù)調(diào)研，壓縮機室需不超過12.5 m×16.5 m的面積；本方案再氣化裝置的所需面積約26.6 m×7.0 m。

（2）罐體半徑不易過大，太大將導(dǎo)致甲板太高，視線受到阻擋，生活區(qū)前端光線不好，船舶的重心過高等不利結(jié)果。

綜合考慮上述因素，本方案的罐體半徑取6.7 m，罐體長度取40.4 m。

2 FSRU主尺度確定

罐體的尺寸確定以后，則船舶的寬度根據(jù)上面所述關(guān)系，取船寬為22.4 m。考慮貨罐絕緣和結(jié)構(gòu)通道，貨艙區(qū)船體長度約86 m。

本船甲板面需要堆裝數(shù)個約12.19 m的LNG罐箱，這些罐箱按照堆碼1層布置，因此需要一定甲板面積，為了綜合利用首部空間，在首部系泊區(qū)域架設(shè)LNG罐箱平臺?？紤]四周走道和系固空間，首部區(qū)域長度約15.4 m。根據(jù)尾部生活區(qū)和系泊區(qū)域的布置要求，尾部區(qū)域長度約26.6 m，船長約128 m。

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)肋骨間距s＝0.001 6×L＋0.5＝0.698 4 m，取肋距700 mm，最終全船取183檔肋位，船長確定為128.1 m。

考慮構(gòu)件尺寸和結(jié)構(gòu)通道，罐頂?shù)募装甯叨热?6.5 m，根據(jù)甲板上的設(shè)備布置，從最小化鋼料重量的角度，本船貨艙區(qū)設(shè)置凸型甲板，高度即為16.5 m，凸型甲板的寬度為15.4 m。

船舶的型深主要根據(jù)性能和碼頭確定。根據(jù)分析，型深取8.2 m可以滿足各方面的要求。因此，船舶的主尺度如表2所示。

表2 10 000 m3FSRU主尺度

3 FSRU總布置特點

根據(jù)三沙島礁FSRU的使用場景，本船采用非動力駁船形式，凸型甲板。全船共設(shè)2個貨艙，貨艙區(qū)為雙舷側(cè)單底結(jié)構(gòu)，并設(shè)有邊艙。每個貨艙內(nèi)設(shè)置一個獨立C型LNG液貨艙。

主甲板以下由4道橫艙壁，將主船體分隔成5個水密分區(qū)，從首至尾主要分為首部空艙、貨艙、機艙3大區(qū)域。

貨艙區(qū)域設(shè)置凸型甲板，布置裝卸集管和輸氣集管、壓縮機室和再氣化設(shè)備，凸型甲板前面和駁船首部為罐箱堆裝區(qū)域，具體布置如圖3所示。

圖3 FSRU總體布置

4 FSRU主要性能要求

4.1 完整穩(wěn)性

本船（包括船體、輪機、電氣及特殊設(shè)備等）按中國船級社（CCS）的現(xiàn)行規(guī)范和規(guī)則進行設(shè)計，根據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范，F(xiàn)SRU的完整穩(wěn)性按《海上浮式裝置入級規(guī)范》第三篇穩(wěn)性要求校核。評估的工況：（1）空船工況；（2）進塢工況；（3）壓載工況，油水100%和10%；（4）滿載工況，油水100%和10%；（5）貨艙滿工況，油水100%和10%；（6）任一貨艙空工況，油水100%和10%。

4.2 破損穩(wěn)性

根據(jù)規(guī)范，本船采用確定性破損評估破損穩(wěn)性，假定在其船長范圍內(nèi)的任何部位均能經(jīng)受破損，但不包括船尾部的機器處所的后艙壁及前艙壁位置（即兩艙破損，機艙區(qū)域單獨破損）。

殘存要求：不對稱浸水引起的最大橫傾角應(yīng)不超過25°，若甲板邊緣無浸沒，則為30°；復(fù)原力臂曲線在其超過平衡位置以外應(yīng)有一個20°的最小范圍；此范圍內(nèi)最大剩余復(fù)原力臂大于或等于0.1 m；此范圍內(nèi)復(fù)原力臂曲線下的面積應(yīng)大于或等于0.017 5 m·rad；最終水線應(yīng)在任何風(fēng)雨密開口的下緣之下。

同時，還需要考慮風(fēng)速影響情況下的破損要求，具體如下。

（1）最大破損范圍：垂直范圍3 m；水平貫入1.5 m；垂直范圍為自底板向上無限制。

（2）殘存要求：在來自任何方向風(fēng)速為25.8 m/s（50 kn）的風(fēng)傾力矩作用下，最終水線應(yīng)低于可能發(fā)生繼續(xù)浸水的任何開口的下緣。

4.3 系泊

本船采用纜繩系泊固定在碼頭，便于靈活調(diào)度或一旦發(fā)生強烈臺風(fēng)時可以進行調(diào)離。本船共布置纜繩12根，沿船長方向?qū)ΨQ分布，其中首尾纜各2根，橫纜4根，倒纜4根[7－10]。

根據(jù)《海上浮式裝置入級規(guī)范》，系泊索的張力安全系數(shù)對于風(fēng)暴自存工況，動力載荷安全系數(shù)取1.67。系泊索選取8股聚酰胺錦綸復(fù)絲纜繩（尼龍復(fù)絲），這種纜繩具有手感好、輕度高、伸長率大，對于紫外線、腐蝕、沖擊的耐性均較好等優(yōu)點。

5 FSRU主要設(shè)備

本船采用獨立C型單圓液貨罐，設(shè)計溫度為－164℃，設(shè)計壓力約為0.35 MPa。貨物系統(tǒng)的設(shè)計允許在正常大氣壓下儲運LNG。

液貨罐中的LNG先通過LNG輸送泵送到甲板罐，然后通過LNG供液泵送到水/乙二醇循環(huán)水加熱器進行氣化后，變成常溫的天然氣，最后通過過濾計量撬塊并加臭后直接供給岸上用戶。LNG的蒸發(fā)氣（BOG）用作主發(fā)電機和雙燃料鍋爐的燃料。BOG壓縮機用燃?xì)鈮嚎s機來升高蒸發(fā)氣壓力以達(dá)到主發(fā)電機和雙燃料鍋爐燃燒所需的壓力。在低艙壓情況下，燃?xì)庥蒐NG燃料泵將液態(tài)天然氣輸送至蒸發(fā)器而產(chǎn)生。由于液貨在艙內(nèi)會膨脹，因此必須遵守規(guī)范對充裝率的限制。

液貨系統(tǒng)與裝置設(shè)計應(yīng)滿足IGC規(guī)則、IGF規(guī)則和船級社的最新要求，并參照SIGTTO和OCIMF等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

FSRU的另一個關(guān)鍵設(shè)備是氣化系統(tǒng)，其中氣化能力和氣化形式要根據(jù)實際需要進行選擇。根據(jù)三沙能源統(tǒng)計數(shù)據(jù)，當(dāng)前三沙島礁的LNG能源需求約5 t/h，考慮到政府的長遠(yuǎn)規(guī)劃及開發(fā)，未來島能源需求將會持續(xù)增長，要保證FSRU的未來也能滿足當(dāng)?shù)氐哪茉葱枨?，因此氣化能力?0 t/h設(shè)計。

氣化器主要有溫控式氣化器、空溫式氣化器、開架式氣化器、浸沒燃燒式氣化器和中間介質(zhì)式氣化器等幾種類型，以水/乙二醇為中間介質(zhì)的氣化器可以采用海水或蒸汽作為熱源，具有運行可靠性高、體積較小、綜合成本適中的特點，而且其他如開架式，溫控式和空溫式等類型的氣化器體積通常較大，對于小型FSRU而言，布置較為困難，不合適[11－12]。

因此，本FSRU采用以水/乙二醇為中間介質(zhì)的氣化器，主要由下列設(shè)備及附件組成：（1）3個水/乙二醇循環(huán)水氣化器，兩用一備，氣化能力20 t/h；（2）1個甲板罐；（3）6個LNG供液泵，四用兩備；（4）1個循環(huán)水增壓氣化器；（5）1個輸出氣體穩(wěn)壓罐；（6）1個輸出氣體處理撬塊（包括過濾、計量、加臭等）。

另外，本FSRU設(shè)有LNG罐式集裝箱充裝設(shè)施。LNG罐式集裝箱作為LNG相對靈活的分銷載體，如果其他島礁設(shè)有小型加氣站或者發(fā)電站，可以采用轉(zhuǎn)運船舶將LNG罐式集裝箱運輸過去，實現(xiàn)對外加注業(yè)務(wù)空間上的無限制拓展，相當(dāng)于在FSRU與其他島礁之間架設(shè)了一條虛擬的LNG運輸管道，加強了FSRU的對外供給能力。

6 結(jié)束語

本文針對適用于島礁的10 000 m3小型LNG FSRU總體設(shè)計進行分析，包括液貨艙尺度確定、主尺度確定、總布置特點、主要性能要求、主要設(shè)備等方面，形成設(shè)計要點如下，可為相似船型設(shè)計提供有效參考。

（1）小型LNG FSRU的液貨罐布置和類型與常規(guī)LNG運輸船類似，需重點考慮貨艙容積、布置特點以及對船舶主尺度的影響。

（2）船舶主尺度首先受到貨罐的尺寸影響，應(yīng)該考慮布置需求、碼頭系泊、艙容限制、建造預(yù)算等方面因素綜合論證。

（3）FSRU的性能要求需符合《海上浮式裝置入級規(guī)范》，相對IGC CODE更為嚴(yán)格。

（4）LNG再氣化系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)需求確定經(jīng)濟可行的氣化能力和氣化器形式。