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海洋浮式生产 LNG 多功能平台 方华灿 2012 年 4 月 中国石油大学 ( 北京 ). 主要内容. 一、天然气资源的概况 二、 FLNG 的结构组成 三、 FLNG 的适用范围 四、 FLNG 的关键技术 五、 发展 FLNG 的建议. 一、天然气的资源概况 1 、从全球海洋来看. 天然气属于清洁能源，天然气的二氧化碳排放量是原油的 1/10 ，而原油的二氧化碳排放量又是煤炭的约 1/40 。
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海洋浮式生产LNG多功能平台 • 方华灿 • 2012年4月 • 中国石油大学(北京)
主要内容 • 一、天然气资源的概况 • 二、FLNG的结构组成 • 三、 FLNG的适用范围 • 四、 FLNG的关键技术 • 五、 发展FLNG的建议
一、天然气的资源概况1、从全球海洋来看 • 天然气属于清洁能源，天然气的二氧化碳排放量是原油的1/10，而原油的二氧化碳排放量又是煤炭的约1/40。 • 海洋占地球表面的71％，海洋石油天然气资源占全球油气资源总量的49％左右。据美国地质调查局和《油气杂志》公布．世界石油资源总量约为4041亿吨．其中海洋约为1900亿吨。液化天然气在全球已实现６．９％的年增长速率，而气体燃料和其它形式的能源则分别仅为３．１％和１．８％。
一、天然气的资源概况2、从我国南海来看 我国南海海域面积约200*104KM2，油气资源主要分布在总面积约41万平方公里的曾母暗沙、万安西和北乐滩等十几个盆地。美国地质调查局1993年对南海上述盆地的资源所做的估计为：石油：280亿桶，天然气266万亿立方米；我国的估计为：石油1050亿桶，天然气2000万亿立方米。最有潜力的含油气盆地为曾母暗沙、南徽、万安和东纳土纳盆地，其中，仅曾母暗沙盆地油气质储量就有约126至137亿吨。故有“第二波斯湾”之称。
一、天然气的资源概况3、从近期南海来看 • 我国南海油气勘探近期已取得重要进展，在珠江口盆地钻成的LW3-1-1井中，获得天然气重大发现。根据数据初步估算，该井天然气资源超过1000亿立方米，有望成为我国海域最大的天然气发现。LW3-1-1井位于我国东部南海珠江口盆地，北距香港250公里。该井水深1480米，完钻井深3843米，是我国第一口水深超千米的深水钻井。它的发现，证明我国南海珠江口盆地白云凹陷是一个有利的油气富集区，南海深水海域具有较大的油气资源潜力 。
LW3-1深水气田水下生产系统 深水管线 乙二醇贫液 PY34-1CEP 深水气田接收系统 中心平台各系统 浅水管线 乙二醇再生&脱盐系统 乙二醇富液 凝析油处理系统 气/液分离系统 陆上终端天然气处理厂 浅水管线 天然气脱水系统 PY气区干气和凝析油 我国南海荔湾气田的生产流程
一、天然气的资源概况4、从资源开发来看 • 海上天然气的资源开发，传统方式是通过天然气管道输送到陆上的液化厂进行液化；或是至管道终端将天然气储存，再与陆上管道相接外输。这种方式不仅面临海底管道施工困难，而且成本高，经济效益差。 • FLNG（Floating Liquefied Natural Gas System）系统，它与相同规模的岸上液化天然气工厂相比，投资减少20%，建设工期减少25%，且在天然气的液化过程中，其体积骤缩600倍，从而有利于对天然气的储存。
二、FLNG的结构组成1、天然气液化生产系统 • FLNG通常通过单点系泊系统定位于作业海域，其船体上装设有天然气液化系统。 • 天然气液化系统（Liquefaction）相当于将岸上天然气液化工厂安置于FLNG船体的甲板上。但是，甲板面积仅有岸上天然气液化工厂面积的1/4，因而就要使天然气液化系统工艺流程十分紧凑。流程中主要包括有：制取制冷剂的氮膨胀机循环系统；液化及冷凝抽提系统；气体处理系统等。整个系统要紧凑、安全性好、对船体运动的敏感性低。
二、FLNG的结构组成2、液化天然气储存系统 LNG储存系统，主要包括有：液化天然 气储罐（LNG tank）、液化石油气储罐 （LPG tank)装置等。 • 由于LNG在储存过程中始终处在常压和-162℃左右的低温条件下，储罐内会产生一定的蒸气压，因而为了避免上述情况出现，储罐的材料以及绝缘性必须满足要求。LNG的储罐一般可分为独立球型（MOSS型）、SPB型及薄膜型（GTT型）三种类型。
二、FLNG的结构组成3、 FLNG单点系泊系统 • 采用转塔系泊方式，它是将FLNG通过一定的连接方式，固定于海上的系泊点上，使之可随风、浪和流的作用，进行3600全方位的自由旋转。单点系泊系统由转塔、液体传输系统、旋转系统及界面连接系统四部分组成，其中，转塔不仅是FLNG的系泊点，而且也是立管和脐带系统经海底到达船体的通道。通常分为内转塔和外转塔两种系泊方式。内转塔一般设在船艏，而外转塔则设在外悬臂上。
二、FLNG的结构组成4、LNG卸载系统 • 目前，提出的卸载方式，主要分为尾输与旁靠两种方式。 • 尾输方式：它是将LNG运输船的首部通过系泊缆与FLNG船的尾部相连，LNG通过长距离的输送软管卸载至LNG运输船。 • 旁靠方式：它是将LNG运输船与FLNG船采用并排方式排列，两船通过系泊缆和防碰垫等连接在一起，两船之间的距离由防碰垫的尺寸来决定。
二、FLNG的结构组成6、FLNG的工艺流程 • (1)气井采气 • (2)转塔进气 • (3)冷凝抽提 • (4)气体处理 • (5)进行液化 • (6)舱内储存 • (7)卸载外输
三、FLNG的适用范围1、适合深水气田开发 • FLNG系统最主要的是适用于深水气田开发。它与海底采气系统和LNG运输船可以组合成一个完整的深水采气、油气水处理、天然气液化、LNG储存和卸载系统，从而完美地实现深水气田的高速度，高质量、高效益的开发。这是因为它具有 适应深水采气（与海底完井系统组合）的能力；具有在深水海域中较强的抗风浪的能力；具有大产量的LNG液化和油气水生产处理能力；具有大容量的LNG储存能力。
三、FLNG的适用范围2、适合边际气田开发 • 边际气田，是指从经济效益上衡量，处于可获利开发与获利少可不开发的边界的气田，它往往需通过采用先进技术与装备等措施，才能开发。 FLNG具有良好的经济性，它与相同规模的岸上液化天然气工厂相比，投资减少20%，建设工期减少25% ；FLNG具有良好的移动性，可在开发完某气田之后，移动至下一油气田使用，重复利用率高。 FLNG灵活性高，可以与导管架井口平台组合，也可以与自升式钻采平台组合。
三、FLNG的适用范围3、适合气田早期生产 • 早期生产（early production），是指在油气田勘探过程中，当探井发现可开采气田之后，在全面开发方案未准备好及天然气生产设施未建成之前，在气田开发早期短期内利用FLNG使局部气田投入生产，尽早获得经济效益的开发方式。由于FLNG既可与导管架井口平台组合，也可与自升式或浮式钻采平台组合成为完整的海上采气、液化、油气处理和LNG储存、卸载系统，因而深水、浅水还是近海均可应用它进行气田早期生产。
四、FLNG的关键技术1、容器内LNG的减晃技术 • 由于液舱内LNG的流动性远高于原油的流动性，因而FLNG船体的运动将会引发舱内LNG的晃荡。 LNG的晃荡带来的危害是： • (1)船体受到较大伤害：由于舱内LNG的晃荡反过来会影响FLNG船体的整体运动，故而在产生共振的情况下，将引起船体疲劳损伤。 • (2)液化装置效率降低：船体在风、浪、流等影响下而产生的剧烈运动，使得安装于FLNG甲板上的液化装置处在不断运动的环境中，剧烈运动的液化装置引起的LNG的晃荡，将使液化工作效率大大降低。
减小LNG在容器内晃动的主要措施(1)合理布置液化装置减小LNG在容器内晃动的主要措施(1)合理布置液化装置 • 液化装置在FLNG上的位置与方向对减小其运动响应有直接关系。 • 例如，在六个自由度的运动中，通常是以纵摇最为有害，故液化装置的轴向若能布置成沿最小的纵摇方向，则可使纵摇减轻。 • 再如，若能使液化装置尽量靠近船体的重心位置来布置，则可使液化装置沿垂直轴(Z轴)方向的升沉运动的响应，保持在一个最小值。
减小LNG在容器内晃动的主要措施(2)合理设计液化装置减小LNG在容器内晃动的主要措施(2)合理设计液化装置 • 液化装置的尺寸和内部构件的几何形状、尺寸等均应合理设计。如卧式液化装置，应尽可能地增加其直径和减小长度尺寸。从内部构件来看，应增设堰板，但其数量及几何形状（如采用弯月形等)，则应通过优化设计，合理确定。一般应使液化装置能经受600横摇和300纵摇。中国石油大学研制的专利28626号“一种减少容器内部液面晃动的阻晃装置，”就是从优化设计理论出发，通过反复实验，得出的提高生产效率的成果。
四、FLNG的关键技术2、尾输卸载的软管技术 • FLNG尾输卸载作业时，是通过一根系泊缆与穿梭油轮连接，并使用输送LNG的软管进行卸载。通常一个卸载过程大约20小时左右，这就要求输送软管需要全程浮于水面之上。但是，由于LNG必须保持零下162℃的超低温，因而不仅要求输送软管的材料能承受超低温；而且软管本身还要不受海水较长时间的温度影响，保持恒超低温。此外，输送软管还需要克服FLNG与穿梭油轮两船相对运动的影响。目前我国尚无这种高端产品。
具有最佳保持恒低温及防漏性能的高级真空绝热环空系统的冷冻软管具有最佳保持恒低温及防漏性能的高级真空绝热环空系统的冷冻软管 • 此种冷冻软管系由耐超低温(-1600C)材料的 输送软管及其真空绝热环空系统组成，具体构 成如下： • 1、保护壳 • 2、柔性不锈钢外管 • 3、具有最佳保持恒低温及防漏性能的高级真 空绝热环空系统 • 4、不锈钢铠甲 • 5、柔性不锈钢内管
四、FLNG的关键技术3、旁靠卸载的防碰技术 • 旁靠卸载作业时，由于近靠的两船体之间会相互产生强烈的非线性水动力影响，因而有时会导致两浮体之间的碰撞。因此，就需要对两浮体之间的相互水动力影响进行研究，对两浮体之间的相对运动响应做出准确的预报，尤其是要准确预报FLNG的运动响应。为此，不仅要开展非线性水动力学研究，给出预报软件；而且，还要通过实验水池试验，研究抗撞措施(例如，自由液面处加一盖子等)。
我国研制的一种新吸能防撞器 • 这种吸能防撞器与常用的橡胶防撞器不同，它是由钢絲绳制成。它选用受压弯时内摩擦大的品种的钢絲绳；采用紧密堆垒排列的绕层方式；用铝合金压接技术紧固其绳端，从而使其在多次冲击载荷下绳圈不会失效。钢絲绳内摩擦能够大量消耗掉撞击能量，它的消耗能量比率高达70%~80%，为橡胶防撞器所消耗能量的2~3倍(同一试验机上作试验，橡胶防撞器所消耗能量仅为30%)。这种防撞器已为我国专利：ZL93224217.0。
四、FLNG的关键技术4、液化工艺的改进技术 • (1)液化流程的紧凑：甲板面积仅为岸上天然气液化工厂面积的1/4，这就要求天然气液化的工艺流程，要设计得十分紧凑。 • (2)制冷剂的高性能：船上制备的制冷剂，要具有对不同产地的天然气的高适应性，还要热效率高；并且在面临恶劣天气时能快速停机，移动至另一生产位置后能迅速开机。 • (3)循环模式的优选：液化流程的循环模式要按照结构紧凑、安全性好、制冷剂始终保持气相、冷箱小、无需分馏塔、对船体运动的敏感性低等要求，依优化设计理论优选。
四、FLNG的关键技术5、 FLNG的动力定位技术 • 动力定位系统(DPS)是通过声波测量系统测出船体位移，再运用计算机自位移算出来自海洋环境的动力及力矩，然后，指令可变矩螺旋桨给出相反的抵抗力及力矩，从而实时保持船体定位的技术。有了动力定位技术，即可使FLNG适应海况的能力大大增强；也更有利于LNG的卸载作业，使卸载作业可以在更为恶劣的环境条件下进行。因此，这就需要从FLNG的船型特点及服役的海域海况实际出发，设计出适应的FLNG的动力定位系统。
动力定位的声波测量系统(海底声波发生器，接受器（声纳）)动力定位的声波测量系统(海底声波发生器，接受器（声纳）)
计算机计算的主要内容 • (1)位移的计算：它是通过自声波发生器至声纳的传播时间的变化来测算出位移的。 • t1=R1/VL, t2=R2/VL, ···, tn=R/VL • VL为声波在海水中传播速度，为1500m/s • (2)力及力矩的计算：自位移、速度、加速度、角加速度等，即可算出动力F及动力矩。 • [M][X”] = [F] • [ I ][θ”]=[ML] • M为质量，I为转动惯量； X”为线加速度；角加速度为θ”，已自位移及角位移算出。
五、发展FLNG的建议 • 当前，从陆地走向海洋已成为全球油气资源开发的必然趋势。为了经济高效地开发深海气田，尤其是海洋边际气田、小型气田，国际上提出了FLNG概念，FLNG技术正处在海洋工程领域的最前沿。近年全球对FLNG的投资呈快速增长趋势，很快即将迎来大发展。 • 我国海洋天然气资源丰富且分散，深海气田、边际小气田和低品味天然气资源不少，非常适宜用FLNG。因此发展FLNG对我国发挥海洋天然气资源的潜力具有重要意义。
五、发展FLNG的建议1、充分发挥我闰优势 • (1)我国具有建造生产储油轮(FPSO)的经验 • 据统计，至今我国已自主设计与建造了生产储油轮(FPSO)11艘。我国建造的生产储油轮的最大载重量为30万吨(国外为34万吨)与国外基本持平。通过11艘的设计与建造，积累了丰富经验。 FLND与生产储油轮(FPSO)基本上类似，虽然，如前所述有不少差别，但是相同之处很多。因此，只要发挥这方面的优势，依靠这些丰富经验，就会给我国建造FLND创造了极其有利的条件。
我国设计建造的渤中34-2油田用的“渤海常青”号生产储油轮（FPSO）我国设计建造的渤中34-2油田用的“渤海常青”号生产储油轮（FPSO）
1、充分发挥我国优势(2)我国具有建造单点系泊(SMS)的经验1、充分发挥我国优势(2)我国具有建造单点系泊(SMS)的经验 • FLNG是通过单点系泊系统（Single-Point Turret Mooring System）定位于目标海域的。单点系泊系统可以使FLNG在海洋环境条件下产生良好的风标效应，从而使FLNG船体所受环境载荷趋于最小，进而降低船体的运动响应及其系泊系统所受的载荷。我国已建造SPM多座，具有实验研究、设计、建造单点系泊系统的丰富经验，而且还可以借鉴FPSO的经验对FLNG船体运动与其系泊系统间的耦合响应问题进行研究。
1、充分发挥我国优势(3)我国具有设计建造FPDSO的经验1、充分发挥我国优势(3)我国具有设计建造FPDSO的经验 • 世界首座最先进的圆筒型超深水第六代半潜式钻井采油储油卸载多功能平台，已于2010年在我国中远船务工程有限公司的启东基地成功建成，被命名为“SEVAN DRILLER”号，并已交付给买方巴西，目前正在巴西海域投入使用。这座高135米，直径84米，工作水深3050米的多功能平台是由南通中远船务工程有限公司独立设计、自主建造的。因其与FPSO相类似，但功能更全、尺度更大，故这些设计、建造经验，对FLND具有重要价值。
我国研制的世界首座最先进的超深水浮式园筒型多功能平台“SEVAN DRILLER”号
五、 发展FLNG的建议2、借鉴国外先进经验 • 目前，国外一些石油和天然气公司正在研究FLNG技术，并且不断取得技术创新。如： • (1)皇家荷兰壳牌公司：它将投资30亿美元建造世界上第一艘FLNG，该FLNG将在距西澳大利亚州200公里的前奏曲气田（Prelude gas field）进行作业，拟于2016年投产。 • (2)马来西亚石油公司：它已于2011年2月，委托法国德西尼布公司与大宇造船和船舶工程公司合作，对应用于马来西亚海域的FLNG开始了前端工程设计。
2、借鉴国外先进经验 • (3)日本国际石油开发公司 ：它正在评估在帝汶海的阿巴迪天然气田（Abadi gas field）投入FLNG的可行性。 • (4)美国的雪佛龙石油公司：它正在考虑在西澳大利亚的埃克斯茅斯海台（Exmouth Plateau）投产一艘FLNG，进行资源开发。 • (5)美国的埃克森美孚公司：它正在积极寻找机会开始他们的FLNG项目。 • 总之，这些国外公司在研制FLND过程中的先进经验，均是值得我国借鉴的。
