東海邊際氣田開發(fā)多邊形FLNG裝置技術(shù)方案

東海邊際氣田開發(fā)多邊形FLNG裝置技術(shù)方案韋曉強;孫恪成;歐陽麗虎;夏華波【期刊名稱】《《船海工程》》【年(卷)，期】2019(048)005【總頁數(shù)】5頁(P16-20)【關(guān)鍵詞】邊際氣田;多邊形;艙壓控制;FLNG【作者】韋曉強;孫'恪成;歐陽麗虎;夏華波【作者單位】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【正文語種】中文【中圖分類】U674.38多邊形FLNG(LNGFloatingProductionStorageandOffloadingUnits)方案確立是以滿足全海式滾動開發(fā)東海天然氣(產(chǎn)能規(guī)模在80萬方/天邊小氣田)為目標，本文從浮體型式、海況適用性、液化工藝、夕卜輸方式、液貨艙選型等方面論證裝置在東海海域作業(yè)的技術(shù)可行性。1設(shè)計基礎(chǔ)1.1環(huán)境條件生產(chǎn)裝置按滿足東海海域100a—遇環(huán)境條件設(shè)計；設(shè)計水深150m，設(shè)計壽命是25a。參考東海海域水文氣象環(huán)境，風、波浪和海流極值見表1。表1環(huán)境條件極值環(huán)境要素重現(xiàn)期100a^速/(m-s-1)1min5110min471h43波高/mHs(m)13.4Hmax(m)23.5波浪周期/sTz11.6Tp16.3海流流速/(cm-s-1)表層267中層220底層761.2設(shè)計規(guī)范本浮式生產(chǎn)裝置用于國內(nèi)海域，入CCS級。參考設(shè)計規(guī)范包括國內(nèi)法律法規(guī)、IMO公約、船級社規(guī)范及其他國際標準。為實現(xiàn)東海邊際氣田的有效滾動開發(fā)，借鑒目前國內(nèi)外海上浮式生產(chǎn)裝置全海式開發(fā)項目案例。經(jīng)綜合分析，選擇“水下井口+多邊形FLNG+LNG運輸船”的開發(fā)模式，見圖1。圖1多邊形FLNG開發(fā)示意2LNG罐艙選型4種典型LNG儲罐艙型見圖2。圖2LNG儲罐艙型在布置空間足夠的前提下，綜合各因素，從降低造價、縮短建造周期、應(yīng)對避臺期間控制艙壓的角度考慮，確定采用TypeC型艙方案。3結(jié)構(gòu)型式選擇海上石油氣的液化及儲存是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對浮式裝置有特殊的要求［1］。目前FPSO工程上應(yīng)用較多的結(jié)構(gòu)型式有船形和圓筒形。在中國南海、英國北海以及巴西等海域，使用船形浮式裝置需采用造價和維護成本高昂的單點系統(tǒng)，圓筒形浮式裝置環(huán)境方向性不敏感，整體運動性能更優(yōu)，良好的耐波性使惡劣海況生存能力更強，可降低單點系統(tǒng)帶來的高昂造價和維護成本。多邊形近似圓形，多邊形浮式生產(chǎn)裝置目前還處于研究階段。綜合考慮，本方案采用多邊形筒體的結(jié)構(gòu)型式。4工藝處理模塊多邊形FLNG工藝處理模塊應(yīng)滿足現(xiàn)行標準及規(guī)范、規(guī)則的要求，適合在海上高鹽霧、高濕度、日溫差大的環(huán)境里生產(chǎn)。滿足橫搖不大于8°，縱搖小于2°,工作環(huán)境溫度-6°C~35°C,最大相對濕度95±3%（20°C）的正常生產(chǎn)需要；具有抵抗100a一遇臺風能力。具有小型化、模塊化、分散化的特性，適合在FLNG有限空間內(nèi)布置。FLNG工藝的選擇主要從液化裝置的規(guī)模和安全性兩方面進行分析和決策。對于小型液化工藝，常采用單混合制冷劑流程和膨脹流程［2］。凈化工藝采用應(yīng)用于LNG領(lǐng)域成熟的工藝，選擇MDEA吸收法脫除酸性氣體、分子篩脫水、浸硫活性炭脫汞、及洗滌法脫重烴，見圖3。液化工藝選擇比較節(jié)能的混合冷劑液化流程，見圖4。圖3天然氣凈化流程示意5主尺度及總布置5.1主尺度多邊形FLNG主尺度主要控制因素包括：液貨儲量、工藝模塊甲板面積、耐波性、穩(wěn)性、系泊系統(tǒng)、排水量等。為貼合C型液罐形狀，盡量減少C型液罐占據(jù)的主體空間，以十邊形FPSO作為母型參考，確定本FLNG采用10邊形筒體。圖4天然氣液化流程示意通過定性和計算分析，隨著主尺度降低，垂蕩固有周期減小，考慮多邊形方案為永久性系泊裝置，為保障作業(yè)安全性，降低垂蕩共振和甲板上浪風險，應(yīng)使其固有周期避開波浪能量集中范圍。本方案主尺度取值見表2。表2主尺度m筒體外徑（內(nèi)切圓直徑）53.0主甲板外徑（內(nèi)切圓直徑）54.8工藝甲板夕卜徑（內(nèi)切圓直徑）58.8主甲板高度24.0工藝甲板高度28.0設(shè)計吃水14.55.2總布置多邊形FLNG是一個帶電站和油氣水處理系統(tǒng)的浮式生產(chǎn)系統(tǒng)，帶有30人生活樓，具有發(fā)電、生產(chǎn)和生活支持、油氣處理、LNG存儲和外輸功能，可為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供電力和控制?；谶\動性能和甲板面積的需求，采用底部阻尼板和上部外飄結(jié)構(gòu)的形式。總體布置見圖5。圖5多邊形FLNG總布置主甲板與工藝甲板之間的區(qū)域，主要用于錨泊定位設(shè)備、管纜、應(yīng)急發(fā)電機室、無須自然采光的公共生活設(shè)施處所的布置。采用3組錨泊定位系統(tǒng)，并且在主甲板外圍和工藝甲板之間設(shè)計有向外延伸的防浪墻，在主甲板接近防浪墻附近還有擋板，有效保護區(qū)域內(nèi)的設(shè)備及管纜等不受到海水的侵蝕。工藝甲板位于主甲板之上4m，滿足規(guī)范至少3m的安全設(shè)計范圍，在控制重心高度的前提下提供了較為寬裕的空間以保證主甲板上設(shè)備的維修吊裝及其工藝甲板下管纜的布置。在對應(yīng)下方C型液罐氣室的位置開設(shè)有平式艙口蓋，便于吊裝維修液貨泵。生活樓、直升機甲板、卸貨設(shè)備、火炬塔、氮氣系統(tǒng)和工藝處理設(shè)備位于上甲板上方的工藝甲板上。火炬塔向舷外傾斜延伸于舷側(cè)之外和生活樓相對布置，盡量減少火炬熱輻射區(qū)對生產(chǎn)區(qū)和生活區(qū)的影響。左右舷各布置一臺輸送軟管絞車，絞車位于吊車覆蓋范圍內(nèi)，用于向海面釋放低溫漂浮軟管用于外輸LNG作業(yè)。左右兩舷主體設(shè)置2m寬的雙殼結(jié)構(gòu)和2.5m高的雙層底結(jié)構(gòu)，雙殼空間根據(jù)調(diào)載和破艙要求劃分成若干個邊壓載水艙，雙層底空間根據(jù)調(diào)載要求劃分成若干個底壓載水艙和艙底水艙、污油艙等液艙。主體中心部位設(shè)置垂向的圓柱形海底立管連接通道和平臺。主體其他空間在水平方向上前后左右共劃分成4個類扇形空間，左右2個類扇形空間用于安放TypeC型LNG儲罐（總艙容12600m3）。6穩(wěn)性及耐波性分析6.1穩(wěn)性分析對于風傾力矩計算，主要考慮主船體、吊車、生活樓、工作模塊、火炬等的風載荷，不考慮構(gòu)件的遮蔽效應(yīng)。計算風模型采用三維面積模型，計算0°、45°、90°方位不同吃水下的風傾力矩。按照船級社規(guī)范關(guān)于穩(wěn)性衡準的要求，經(jīng)計算，完整穩(wěn)性和破艙穩(wěn)性均能滿足規(guī)范要求。6.2耐波性分析多邊形FLNG浮式結(jié)構(gòu)物的耐波性計算采用三維頻域勢流理論求解，橫搖和垂蕩粘性阻尼采用CFD方法計算得到。通過分別模擬平臺的橫搖和垂蕩靜水自由衰減運動，根據(jù)衰減曲線計算得到相應(yīng)的阻尼系數(shù)。縱搖粘性阻尼系數(shù)采用與橫搖相同的數(shù)值。通過計算獲得FLNG6自由度運動RAO曲線，以及指定4個位置P1~P4三向加速度RAO曲線，指定位置見圖6。圖6指定計算加速度的位置不規(guī)則波波浪譜采用Jonswap譜，譜峰因子Y采用DNV規(guī)范方法計算。計算浪向為0°~180°,間隔30°。計算結(jié)果表明，在100a—遇的海況下，有義波高為13.4m,對應(yīng)的橫/縱搖單幅有義值最大為1.953°,均滿足工藝處理設(shè)備要求幅度。各考察點的各向運動加速度均小于0.2g，處于正常范圍內(nèi)。7系泊定位分析系泊系統(tǒng)采用常規(guī)的多點系泊設(shè)計，包括3套錨鏈傳動裝置、錨泊鏈以及必要的導(dǎo)鏈輪及導(dǎo)纜器。錨泊鏈共9根，3根為一組，采用3x3的形式布置，每組相鄰錨泊鏈水平內(nèi)夾角為3°,由錨鏈+鋼絲繩+錨鏈組合而成，布置形式見圖7，主要參數(shù)見表3。立管區(qū)域布置在主體中心，由剛性管道組成導(dǎo)向立管，從主船體最下端延伸到主甲板，柔性立管自下而上貫穿在剛性立管中，在主甲板立管區(qū)域與工藝模塊的進口管匯系統(tǒng)相連。采用CFD方法計算不同風向下的風力系數(shù)和不同流向下的流力系數(shù)。根據(jù)BV規(guī)范要求，對于風、浪和流環(huán)境的重現(xiàn)期采用3種組合方式，見表4。圖7系泊纜布置示意表3系泊系統(tǒng)主要參數(shù)泊距/m1500預(yù)張力/kN1000底端錨鏈長度/m300底端錨鏈直徑（GR3有檔錨鏈）/mm180底端錨鏈破斷負荷/kN18805底端錨鏈水中重量/（kg?m-1）608鋼絲繩拋出長度/m~1226鋼絲繩公稱直S/mm180鋼絲繩水中重>/（kg-m-1）106鋼絲繩破斷負荷/kN18076系泊系統(tǒng)縱向固有周期（初始位■）/s~80系泊系統(tǒng)橫向固有周期（初始位置）/s~80系泊系統(tǒng)首搖固有周期（初始位置）/s~62表4生存工況環(huán)境條件重現(xiàn)期組合a環(huán)境組合類型波浪風流波浪主導(dǎo)環(huán)境1005010風主導(dǎo)環(huán)境5010010流主導(dǎo)環(huán)境1010100每種環(huán)境組合類型從0~360方向內(nèi)選擇9個主浪向，分別為0、45、60、90、135、180、225、270、和315。風、流及浪的方向夾角組合見表5。表5風和流向與浪向組合（°）風向與浪向夾角流向與浪向夾角00+22.50-22.500+22.50-22.5+22.5+22.5-22.5-22.5系泊計算結(jié)果表明，采用GR3有檔錨鏈，鏈徑180mm，破斷負荷18076kN的180mm公稱直徑鋼絲繩可以滿足規(guī)范要求的纜繩安全系數(shù)。8LNG外輸方式FLNG的作業(yè)方式和FPSO類似，目前可用的外輸方式都是基于FPSO的作業(yè)方式。經(jīng)過幾十年的經(jīng)驗積累，F(xiàn)PSO夕卜輸方式有串靠卸油、旁靠卸油、串旁靠聯(lián)合卸油、懸鏈式浮筒單點系泊系統(tǒng)和HiLoad等多種方式。并靠卸料系統(tǒng)適用于允許最大有義波高<2.5m的相對溫和海況。串靠卸料系統(tǒng)允許最大有義波高達4.5m[3]。根據(jù)作業(yè)海域風浪流的方向特征，主要方向集中在南北兩個方向，為了便于利用風標效應(yīng)使提LNG運輸船位于安全船位，考慮在兩個方向都具有外輸能力，多邊型FLNG外輸設(shè)備在兩舷各配置1套LNG外輸系統(tǒng)，每套系統(tǒng)由軟管絞車、液壓系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等組成，具有軟管收放、排管、靜態(tài)制動、管系吹掃、安全保護（應(yīng)急釋放等）等功能，在絕大多數(shù)的情況下，下風側(cè)安全外輸。多邊型FLNG外輸方案采用雙外輸點方案，使用動力定位LNG運輸船或者常規(guī)LNG運輸船增加艏側(cè)推及增加拖輪輔助靠泊和在泊。9LNG艙壓控制方案中LNG儲罐產(chǎn)生的BOG蒸發(fā)氣可以經(jīng)BOG回收作為再生氣被凈化單元利用，從凈化單元出來的再生氣進入燃料氣收集系統(tǒng)用于雙燃料發(fā)電機組。但在避臺風期間，LNG生產(chǎn)裝置需要停止運行，所有人員撤離平臺。考慮外輸限制和后續(xù)恢復(fù)生產(chǎn)的需要，LNG儲罐需要保持在裝貨狀態(tài)，因此在該期間，LNG儲罐產(chǎn)生的BOG蒸發(fā)氣的處理需要有適當?shù)目紤]和對應(yīng)方案。在此條件下，為使液貨艙的壓力和溫度保持在設(shè)計范圍內(nèi)，采用壓力積聚（蓄壓）的方法。TypeC型艙IGC最小設(shè)計壓力0.36MPa（g）。經(jīng)計算，一個設(shè)計釋放壓力為0.4MPa（g）、蒸發(fā)率為0.3%的6000m3的LNG儲罐，在97%的裝載率下，可以維持約7d，在此期間內(nèi)艙壓大概上升30~35kPa（g）。TypeC型艙的承壓能力完全可