液化天然氣卸料傳輸系統(tǒng)選型與配置

夏華波 ，王磊 ，劉洪亮 ，孫延國 ，劉劍楠

（1. 中海油能源發(fā)展采油服務(wù)公司，天津300452；2. 上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前 言

液化天然氣（LNG）浮式儲存及再氣化裝置（FSRU）是集LNG 接收、儲存、轉(zhuǎn)運(yùn)、再氣化外輸?shù)榷喾N功能于一體的特種裝備，通常也稱為LNG-FSRU（以下簡稱“FSRU”）。LNG 以氣相及液相的形式，通過專用的傳輸管系或裝置在船與船之間或船與岸之間進(jìn)行接收（裝載）或外輸（卸載）作業(yè)，通常包括船對船過駁作業(yè)和船對岸過駁作業(yè)。 LNG 的傳輸相態(tài)包括液相傳輸、氣相傳輸（低溫、低壓）和高壓氣相傳輸（常溫、高壓）。 FSRU 既可以接收 LNG 運(yùn)輸船運(yùn)送的液態(tài)LNG 儲存于自身的貨物圍護(hù)系統(tǒng)中， 也可通過再氣化裝置將液態(tài)LNG 氣化成氣體，然后通過管路輸送至陸上管網(wǎng)。

FSRU 裝卸系統(tǒng)采用剛性卸料臂和軟管傳輸方式，見圖1 和圖2，實現(xiàn)船對船過駁和船對岸過駁的LNG 液相傳輸和氣相傳輸，是FSRU 的關(guān)鍵系統(tǒng)之一。 法國船級社（BV）規(guī)范（Classification of Floating Gas Units 2019）NR 542 中 FSRU 適用傳輸系統(tǒng)有 3種：旁靠式剛性臂傳輸、串靠式傳輸臂傳輸和軟管傳輸， 基本覆蓋了當(dāng)前技術(shù)可執(zhí)行的所有方式。LNG-FSRU 的卸料系統(tǒng)是一個綜合性的系統(tǒng)，也是FSRU 設(shè)計的重要技術(shù)點(diǎn)， 其布置及選型受制約因素較多，具體配置要求應(yīng)根據(jù)相關(guān)國際公約、規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)，國家法令、法規(guī)和船級社規(guī)范，并結(jié)合油氣產(chǎn)品的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選用及配置。

圖1 剛性卸料臂傳輸

圖2 軟管式傳輸

1 相關(guān)適用性規(guī)范、規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)體系

相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系包括LNG 產(chǎn)業(yè)專用或通用的設(shè)計、施工、材料及設(shè)備、安全、管理以及環(huán)保等標(biāo)準(zhǔn)。國外（北美、歐盟、日本）的LNG 產(chǎn)業(yè)由于起步早，經(jīng)過幾十年的發(fā)展逐步成熟，建立了相對完善的LNG 法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系。我國LNG 產(chǎn)業(yè)發(fā)展較晚，法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系多借鑒歐美相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

國際海事組織（IMO）是聯(lián)合國負(fù)責(zé)海上航行安全和防止船舶造成海洋污染的專門機(jī)構(gòu)，LNG 領(lǐng)域主要遵循2016 版 《國際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》（IGC Code，Amendments to the International Code for the Construction and Equipment of Ships Carrying Liquefied Gases in Bulk，2016）。IGC 規(guī)則適用于所有散裝運(yùn)輸液化氣體船舶，其中船舶布置、液體管系的布置、管系工藝技術(shù)要求、軟管材料、管系試驗等內(nèi)容的適用部分，可以作為FSRU 卸料系統(tǒng)設(shè)計的要求與借鑒。 該規(guī)則未提及FSRU 卸料系統(tǒng)的具體機(jī)電儀控制、操作維護(hù)、緊急脫離等內(nèi)容，需要參照其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則。

主要船級社規(guī)范及相關(guān)國際公約是必須遵循的規(guī)范規(guī)則，相對于FSRU 卸料系統(tǒng)來說都有提及，但都僅規(guī)定了綱領(lǐng)性的要求，主要注重的是船舶安全性保障。 其中，對于卸料系統(tǒng)各部件的設(shè)計部分，這些規(guī)范規(guī)則只提及了相關(guān)要求（主要是與船體貨物系統(tǒng)的連接等）， 沒有具體明確設(shè)計、 制造的要求，需要結(jié)合相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和指南來選用相應(yīng)卸料系統(tǒng)的組成部件，從而形成完善的卸料系統(tǒng)設(shè)計要求。 BV、DNV、ABS 及 LR 船級社對船用傳輸裝置產(chǎn)品的要求直接指向EN 1474 標(biāo)準(zhǔn)和IGC 規(guī)則，相較于其他幾大船級社，BV 船級社關(guān)于傳輸系統(tǒng)的規(guī)范內(nèi)容相對獨(dú)立及全面。 中國船級社（CCS）發(fā)布的與LNG 相關(guān)的規(guī)范主要有：CCS 《船對船過駁指南（2019）》、CCS 《散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范（2018）》、CCS《液化天然氣浮式儲存和再氣化裝置構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范（2018）》以及《浮式儲存和再氣化裝置法定檢驗暫行規(guī)則》等。

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）與LNG 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要是 ISO／TC 67 和 ISO／TC 8 技術(shù)委員會制定的，主要涉及浮式LNG 裝置的設(shè)計、設(shè)備與安裝，輸送臂的設(shè)計和試驗及船舶LNG 燃料加注連接接頭等。美國消防協(xié)會（NFPA）制定的防火規(guī)范、操作規(guī)程、手冊、指南及標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)等有許多被美國國家標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（ANSI） 吸納， 制定了 LNG 安全方面的權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)（NFPA 59A）。 歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會 LNG 裝置和設(shè)備技術(shù)委員會負(fù)責(zé)歐洲LNG 專用標(biāo)準(zhǔn)的采標(biāo)和制定（歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 1474）， 該標(biāo)準(zhǔn)對傳輸裝置相關(guān)設(shè)備（如傳輸臂、傳輸軟管等）提出了設(shè)計、安全性和功能的最低要求，規(guī)定了檢查和試驗程序，旨在為產(chǎn)品的設(shè)計、制造和試驗提供技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，為制造廠獲得產(chǎn)品認(rèn)可提供指導(dǎo)，以確保傳輸作業(yè)安全。 該標(biāo)準(zhǔn)適用于傳輸裝置相關(guān)設(shè)備（如剛性輸送臂、輸送軟管等）的產(chǎn)品設(shè)計，是傳輸裝置相關(guān)設(shè)備本身的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)主要是OCIMF（石油公司國際海運(yùn)協(xié)會）和SIGTTO（國際氣體船和岸站經(jīng)營者協(xié)會）制定的，對管匯設(shè)備、系泊設(shè)備、產(chǎn)品安全運(yùn)輸和裝卸操作方面都有詳細(xì)規(guī)定，是行業(yè)內(nèi)推薦的通用指南。

我國國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局、交通運(yùn)輸部等部委為了加強(qiáng)海洋石油安全生產(chǎn)工作，保障從業(yè)人員生命和財產(chǎn)安全，制定了《國家安監(jiān)總局4 號令》、《浮式生產(chǎn)儲油裝置安全規(guī)則 （2010）》、《船舶載運(yùn)危險貨物安全監(jiān)督管理規(guī)定（2018）》等政策法規(guī)。 交通運(yùn)輸部海事局等單位制定了GB 18180—2010《液化氣體船舶安全作業(yè)要求》國家標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了液化氣體船舶安全作業(yè)的技術(shù)和管理要求，為強(qiáng)制性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 天津海事局等單位制定了JT/T 1200—2018 《浮式儲存氣化裝置安全作業(yè)要求》推薦性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國LNG 產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化主要參照IMO和ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)開展， 標(biāo)準(zhǔn)編制結(jié)合實際需要，以采標(biāo)為主。 SY/T 7029—2016《液化天然氣船對船輸送作業(yè)指南》， 參照國際氣體船和岸站經(jīng)營者協(xié)會（SIGTTO）《液化天然氣船對船輸送作業(yè)指南（2011）》編制。

通過對卸料傳輸系統(tǒng)適用的規(guī)范、規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)指南梳理分析，歸納總結(jié)了該類規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的適用性，如表1 所示。

表1 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)適用性總結(jié)表

2 卸料傳輸方式

2.1 旁靠式剛性臂傳輸方式

旁靠式剛性臂外輸是在FSRU 上或碼頭、 港口上裝設(shè)剛性臂及管系連接兩端進(jìn)行傳送的方式，其操作模式為LNG 船與FSRU 或FSRU 與碼頭港口旁靠系泊，并排系泊在一起通過剛性臂及管系進(jìn)行卸料，如圖3 所示。 其特點(diǎn)是：1） 對海況的要求高，相應(yīng)的作業(yè)氣候窗口較短；2） 由于設(shè)備本身結(jié)構(gòu)的限制，對相對運(yùn)動要求高，因此對傳輸設(shè)備匹配要求高；3）傳輸速度相對較快。

圖3 旁靠式剛性臂外輸方式

2.2 串靠式傳輸臂傳輸方式

串靠式傳輸臂外輸方式用于能使FSRU 隨風(fēng)向改變方位的單點(diǎn)系泊系統(tǒng)（Single-Point Mooring，簡稱SPM，內(nèi)設(shè)轉(zhuǎn)塔）長期系泊于海上。 氣化后的天然氣通過柔性立管輸送到海底氣體管路，再送到陸上終端，典型方式見圖4。 其特點(diǎn)是：1）連接終端在海上，遠(yuǎn)離陸上終端，安全性高；2）通過SPM 牢固地錨泊在海床上， 惡劣海況下FSRU 可圍繞其SPM 旋轉(zhuǎn)，能有效減少FSRU 所受的環(huán)境載荷。 因此，相對于旁靠式剛性臂外輸方式，串靠式傳輸臂外輸方式適應(yīng)的海況能力更強(qiáng)，作業(yè)氣候窗口更廣。 但是，目前該種卸料方式僅限于研究階段， 未有工程實施，且該方式造價特別昂貴，成熟度有待驗證，目前階段不作為推薦卸料方式。

圖4 串靠式外輸方式

2.3 軟管傳輸方式

軟管傳輸方式采用柔性低溫軟管與LNG 運(yùn)輸船進(jìn)行連接卸料，可分為旁靠跨接式低溫軟管方式（一般用于旁靠式船船過駁，如圖5 所示）及串靠漂浮式低溫軟管方式 （一般用于串靠式外輸， 如圖6所示）。 旁靠跨接式低溫軟管傳輸方式，其特點(diǎn)是相關(guān)技術(shù)要求較為成熟，但易于受到相鄰船體在風(fēng)浪中耦合運(yùn)動的影響，作業(yè)窗口期有限制。 串靠漂浮式低溫軟管傳輸方式類似于傳統(tǒng)FPSO 的逆向操作模式，即將傳統(tǒng)的漂浮式海上輸油管由漂浮式低溫LNG 管系代替。 串靠的優(yōu)點(diǎn)在于船體之間沒有通過系泊和靠球組成一個耦合體，避免了風(fēng)浪引起的兩船相對運(yùn)動的影響，有利于增加作業(yè)窗口期。 但是串靠方式的可行性在很大程度上取決于LNG 低溫漂浮軟管的技術(shù)發(fā)展，目前低溫漂浮軟管產(chǎn)品已進(jìn)行了工程試應(yīng)用，只是造價昂貴，經(jīng)濟(jì)性較差。

圖5 旁靠跨接式低溫軟管傳輸方式

圖6 串靠漂浮式低溫軟管傳輸方式

3 卸料傳輸系統(tǒng)

3.1 剛性臂傳輸系統(tǒng)

旁靠式剛性臂傳輸系統(tǒng)主要包括： 卸料臂、液壓站、電控柜，如圖7 所示。 卸料臂傳輸系統(tǒng)組成如圖8 所示，卸料臂在高點(diǎn)繩輪和中部轉(zhuǎn)軸箱處配備可拆卸彎頭，用于在兩處旋轉(zhuǎn)接頭出現(xiàn)泄漏時方便維修與更換，設(shè)有機(jī)械式復(fù)位鎖緊裝置，當(dāng)卸料臂不進(jìn)行裝卸作業(yè)時，將臂鎖緊在復(fù)位位置，并可防止水平方向上的風(fēng)載荷。 立柱是用地腳螺栓連接在現(xiàn)場基礎(chǔ)上的裝卸臂主要支撐件，過流管道從內(nèi)部通過， 此部件主要用來支撐整體裝卸臂的自身重量、介質(zhì)重量、偏心力矩及風(fēng)載荷等，底部用法蘭接口與碼頭管線相接。 立柱頂部通過回轉(zhuǎn)支撐與轉(zhuǎn)軸箱相連，回轉(zhuǎn)支撐的轉(zhuǎn)動使裝卸臂左右旋轉(zhuǎn)。 內(nèi)臂通過支撐箱與立柱頂部相連，支撐箱上部與上繩輪相連，上繩輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。 外臂上端與上繩輪相連，下端與三維接頭相連。 外臂的運(yùn)動依靠外臂驅(qū)動裝置實現(xiàn)，能夠順利與接受船集管法蘭對接。 三維旋轉(zhuǎn)組件由3 個可拆卸旋轉(zhuǎn)接頭、（可配置緊急脫離裝置ERC、快速聯(lián)結(jié)裝置QC/DC）及管件等組成，快速聯(lián)結(jié)裝置的法蘭始終為垂直方向，以便快速地與接受船集管法蘭連接。

圖7 剛性臂傳輸系統(tǒng)示意圖

圖8 剛性臂傳輸系統(tǒng)組成示意圖

卸料臂電控系統(tǒng)主要包括防爆電控柜、 遙控裝置、防爆接線盒、聲光報警裝置、控制電纜等，通過遙控裝置或電控柜操作面板實現(xiàn)卸料臂的內(nèi)臂擺動、外臂伸展及水平回轉(zhuǎn)運(yùn)動， 調(diào)整三維接頭的空間位置，保證裝卸臂與接受船的正確對接。 當(dāng)卸料臂運(yùn)動到各極限位置或槽船漂移至極限位置時， 控制系統(tǒng)將發(fā)出信號，觸發(fā)報警器發(fā)出聲光報警，提醒操作人員及時采取措施。 報警系統(tǒng)也可將信號傳入碼頭中控室，便于中控室人員對碼頭設(shè)施進(jìn)行保護(hù)控制。

卸料臂液壓系統(tǒng)主要由液壓總站、 液壓分站、ERS 安全閥箱（配ERC 裝卸臂）、驅(qū)動裝置以及液壓附件等組成， 液壓總站設(shè)計有高/低雙速驅(qū)動功能，通過電控系統(tǒng)的高/低速按鈕轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)對卸料臂運(yùn)動速度的控制， 滿足與接受船安全聯(lián)結(jié)的需要。 液壓分站內(nèi)裝有電磁換向閥組，將液壓總站送來的液壓油通過換向閥的換向來控制卸料臂的動作，以及通過換向閥進(jìn)行卸料臂狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。 卸料臂配備三套液壓驅(qū)動裝置，分別驅(qū)動內(nèi)臂、外臂和水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，驅(qū)動裝置通過遙控裝置或電控柜操作面板進(jìn)行操作，以便操作人員在碼頭或接受船上都能控制卸料臂的運(yùn)動和對接/分離操作。

3.2 軟管傳輸方式

整個軟管傳輸系統(tǒng)由：柔性低溫軟管、軟管鞍座、快速連接接頭、應(yīng)急釋放連接器（ERC）、軟管吊及吊具、動力單元及控制單元等組成，各部件組成如圖9 和圖10 所示。 快速連接接頭的作用是在任何環(huán)境情況下都能夠快速便捷地將軟管與管匯連接在一起，提高操作效率。 以液壓驅(qū)動為例，應(yīng)急釋放連接器（ERC）通過軟管連接液壓動力裝置（HPU）組成應(yīng)急釋放連接系統(tǒng) （ERS），HPU 會提供一個持續(xù)運(yùn)行的液壓油循環(huán)系統(tǒng)，以保證所有連接的ERC可以正常工作。 應(yīng)急釋放系統(tǒng)同時具有遠(yuǎn)程控制模塊，以便在遠(yuǎn)離HPU 的位置啟動ERC 應(yīng)急釋放。 Y型三通連接于貨物集管接頭與駁運(yùn)軟管之間，作用是將一根大通徑的貨物集管接頭分成兩路小通徑的管路。 同時起到減小貨物對系統(tǒng)沖擊的作用。 為了提高應(yīng)急釋放系統(tǒng)的安全性與可靠性，該系統(tǒng)內(nèi)部配有獨(dú)立的分離檢測儀（VSD），檢測儀的目的是為了檢測駁運(yùn)軟管和管匯是否產(chǎn)生較大偏移，以及在此情況下受到拉伸載荷的影響，同時向HPU 提供啟動ESD 程序的信號。

圖9 軟管傳輸系統(tǒng)

圖10 軟管傳輸系統(tǒng)部件

3.3 卸料傳輸方式性能對比

旁靠式剛性臂外輸方式由于剛性臂自身的結(jié)構(gòu)原因， 其作業(yè)范圍只有10 m 左右， 船寬較大的FSRU，需要在兩舷各設(shè)一臺傳輸系統(tǒng)。 由于陸上作業(yè)多為單邊靠岸，剛性臂外輸方式較為合適（安裝在碼頭側(cè)）。 FSRU 卸至陸上終端通常是常溫的高壓（～10 MPa）天然氣，高壓氣體不宜采用軟管輸送，采用剛性臂輸送更好。 旁靠軟管傳輸方式其相關(guān)技術(shù)較為成熟，適用性強(qiáng)，作業(yè)范圍約20 m，通過轉(zhuǎn)換接頭和增減軟管數(shù)量，可以很靈活地應(yīng)對各種受注對象，但不適用于高壓氣體的傳輸。 旁靠剛性臂和旁靠軟管傳輸方式具體性能對比，參見表2。

表2 傳輸方式性能對比

總體而言，LNG 運(yùn)輸船向FSRU 裝載LNG 貨物以旁靠式船對船過駁方式，采用軟管輸送系統(tǒng)較為合適。 FSRU 向岸上卸料（液相或氣相）采用剛性臂輸送系統(tǒng)較為合適。

3.4 卸料傳輸作業(yè)安全系統(tǒng)

卸料傳輸作業(yè)安全系統(tǒng)由傳輸作業(yè)雙方各自獨(dú)立的LNG 貨物應(yīng)急切斷系統(tǒng) （ESD） 和實現(xiàn)船-岸、 船-船應(yīng)急切斷功能及其他安全通信信號的連接系統(tǒng)（SSL）組成。

ESD 作為卸料傳輸作業(yè)安全系統(tǒng)組成之一，其核心功能是在應(yīng)急狀態(tài)下切斷傳輸作業(yè)雙方液態(tài)貨物和氣體的流動，使得整個貨物裝卸系統(tǒng)處于安全靜止?fàn)顟B(tài)。 ESD 系統(tǒng)的設(shè)計和布置需要滿足SIGTTO、OCIMF 以及 ISO 20519∶2017 的要求。 在SIGTTO-ESD 的要求中， 需要將ESD 系統(tǒng)設(shè)計成“ESD-1”和“ESD-2”兩級。 典型的 ESD-1 控制邏輯圖如圖11 所示，典型的ESD-2 控制邏輯圖如圖12所示。

圖11 典型的ESD-1 控制邏輯圖

圖12 典型的ESD-2 控制邏輯圖

船-岸以及船-船SSL 也是 LNG 船卸料傳輸作業(yè)安全系統(tǒng)的重要組成部分。 船-岸之間的信號連接通過船對岸SSL 實現(xiàn)，船-船之間的信號連接通過船對船SSL 實現(xiàn)。 連接系統(tǒng)的連接形式包括光纖連接、電氣連接、氣動連接。其中電氣連接形式又分為Pyle-National 電氣連接系統(tǒng)、ITT-Cannon電話連接系統(tǒng)、Miyaki 電氣連接系統(tǒng)和SIGTTO 電氣連接系統(tǒng)。 目前最常用的連接方式為光纖連接方式和電氣連接方式，光纖連接作為主用，電氣連接作為備用。 典型的船岸連接系統(tǒng)的連接如圖13所示。

圖13 典型的船岸連接系統(tǒng)

FSRU 項目需要考慮同時進(jìn)行船對船以及船對岸過駁作業(yè)， 通常情況FSRU 需同時配置船岸連接系統(tǒng)和船船連接系統(tǒng)。

4 結(jié) 語

卸料傳輸系統(tǒng)是一個綜合性系統(tǒng)， 其設(shè)計、布置及選型的制約因素較多。 為確保卸料系統(tǒng)安全、可靠地作業(yè)，通過解析相應(yīng)的規(guī)范、規(guī)則和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的適用性，比較分析不同卸料傳輸系統(tǒng)的性能特點(diǎn)， 提出卸料傳輸系統(tǒng)選型與配置的總體原則，根據(jù)項目的特點(diǎn)做出相應(yīng)適合的選擇， 具體歸納如下：

1）設(shè)計任務(wù)書或技術(shù)規(guī)格書；

2）需入船級的相應(yīng)船級社規(guī)范；

3）需滿足的公約和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和指南；

4）項目所在地主管當(dāng)局的法規(guī)政策要求；

5）項目的整體規(guī)模和建設(shè)計劃；

6） 項目所在地的FSRU 靠泊資源及海洋環(huán)境條件；

7）FSRU、LNG 運(yùn)輸船及碼頭之間尺度匹配；

8）卸料管系的相對位置；

9）卸料速率和BOG（蒸發(fā)氣）處理能力；

10）貨物壓力和溫度匹配；

11）風(fēng)險控制、安保及應(yīng)急響應(yīng)計劃的匹配；

12）與卸料系統(tǒng)方案相關(guān)聯(lián)的必要圖紙；

13）技術(shù)成熟性；

14）經(jīng)濟(jì)性要求。