姚志義，夏華波

(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)

FSRU是浮式儲(chǔ)存再氣化設(shè)施的簡(jiǎn)稱，相比LNG陸地接收站，能夠快速投產(chǎn)，迅速搶占天然氣市場(chǎng)[1]，具備審批快、工期短、投資低的優(yōu)勢(shì)[2-3]。目前市場(chǎng)上不少LNG船營(yíng)運(yùn)過(guò)剩，與新建的市場(chǎng)主流LNG船相比，燃料消耗高，自動(dòng)化程度低，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較差。一些沿海或島礁海域，建設(shè)LNG接收站困難，如果采用FSRU供給天然氣則能快速解決問(wèn)題。將舊LNG船改造成FSRU，一方面可解決LNG船市場(chǎng)過(guò)剩的問(wèn)題，另一方面可盤(pán)活舊資產(chǎn)。關(guān)于LNG船改造為FSRU，世界范圍內(nèi)案例較少，國(guó)內(nèi)滬東船廠有一定研究，其中主要關(guān)注的問(wèn)題包括：再氣化裝置選型及布置[4]、電力改造、系泊分析[5]、貨物蒸發(fā)氣(BOG)[6]等，但LNG船改造FSRU方案尚有不少重要問(wèn)題需要解決。為此，考慮以國(guó)內(nèi)首批建造的14.7 萬(wàn)m3LNG船為例，分析改造設(shè)計(jì)過(guò)程中的幾個(gè)重要問(wèn)題。

1 方案概述

1.1 原船簡(jiǎn)介

原船尺度為總長(zhǎng)290 m、型寬43.35 m、型深26.25 m、設(shè)計(jì)吃水11.43 m，艙容14.7萬(wàn)m3，采用蒸汽輪機(jī)單槳推進(jìn)，動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)備主要有主鍋爐(2臺(tái)61.8bar×515℃×65 t/h)、主透平(1臺(tái)6.0 MPa×510 ℃×27 300 kW)、透平發(fā)電機(jī)(2×3 200 kW)、柴油發(fā)電機(jī)(2×1 800 kW)、應(yīng)急發(fā)電機(jī)(1臺(tái)600 kW)；液貨系統(tǒng)主要有4個(gè)No.96薄膜型LNG 液貨艙、泵塔、主液貨泵、掃艙噴淋泵、應(yīng)急液貨泵、揮發(fā)氣(BOG)回氣壓縮機(jī)(2臺(tái)0.196 MPa×15 000 m3/h)、燃?xì)鈮嚎s機(jī)(2臺(tái)0.2 MPa×3 250 m3/h)等。

1.2 改造后FSRU總體方案

改造后，保留航行功能，實(shí)現(xiàn)3條單鏈250 mmscfd的再氣化能力。如圖1所示，改造新增主要包括：首部再氣化模塊、再氣化吊、高壓透氣桅、再冷凝器/緩沖罐、再氣化附屬設(shè)備艙(含海水系統(tǒng)、乙二醇系統(tǒng)、再氣化配電系統(tǒng)等)；中部高壓氣輸出管匯、氣體計(jì)量單元、BOG壓縮機(jī)撬；貨艙燃?xì)獗?、再氣化泵；尾部原蒸汽鍋爐改造、電站/再氣化鍋爐模塊；以及快速釋放鉤等系泊設(shè)備。

圖1 改造后FSRU總布置示意

2 再氣化選型及其布置

1)再氣化選型問(wèn)題。在再氣化技術(shù)發(fā)展初始階段，主要采用蒸汽或海水直接加熱LNG的方式，但由于存在凝水結(jié)冰或海水結(jié)冰的風(fēng)險(xiǎn)，后引入了以丙烷作為中間加熱介質(zhì)，但丙烷本身具有揮發(fā)性，會(huì)產(chǎn)生可燃?xì)怏w，因此在丙烷存儲(chǔ)、補(bǔ)給、安全釋放等系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面較為復(fù)雜。最新的再氣化系統(tǒng)引入了乙二醇水作為中間介質(zhì)，可以規(guī)避和LNG加熱過(guò)程中結(jié)冰問(wèn)題，不會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性可燃?xì)怏w，系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，基本上完美解決了丙烷作為中間介質(zhì)的安全問(wèn)題。本方案以乙二醇水作為再氣化中間加熱介質(zhì)。根據(jù)服務(wù)區(qū)域的環(huán)境條件，有2種不同的熱源選擇方式，當(dāng)海水溫度滿足再氣化裝置加熱溫度要求時(shí)，選擇海水加熱中間介質(zhì)水乙二醇，當(dāng)海水溫度低時(shí)(約13 ℃)，選擇蒸汽加熱中間介質(zhì)水乙二醇，水乙二醇將LNG加熱、氣化并輸出為0 ℃以上，4～10 MPa的CNG，原理見(jiàn)圖2。

圖2 再氣化原理

配置3條再氣化鏈，每條鏈處理量為250 mmscfd，輸出范圍為20%～100%，輸出壓力4～10 MPa，輸出溫度0～10 ℃。

2)蒸汽量問(wèn)題。由于再氣化每條鏈需要的蒸汽加熱量較大約為80 t/h，因此需要對(duì)原船主鍋爐和蒸汽系統(tǒng)進(jìn)行改造。需要滿足再氣化加熱要求，同時(shí)要作為應(yīng)急狀態(tài)下燃燒過(guò)剩BOG的功能。原主鍋爐改造后可以產(chǎn)生約150 t/h的再氣化使用蒸汽，滿足不了2×250 mmscfd。如果需要滿足750 mmscfd的再氣化能力，需要再增加2臺(tái)50 t/h的雙燃料蒸汽鍋爐。2條鏈工況下，啟用1臺(tái)再氣化鍋爐和2臺(tái)原主鍋爐；3條鏈工況下，啟用2臺(tái)再氣化鍋爐和2臺(tái)原主鍋爐。

3)改造量問(wèn)題。再氣化模塊一般布置在船舶艏部或者貨物機(jī)械室前方。通過(guò)對(duì)艏部側(cè)推、艏部重油艙的改造，將海水加熱系統(tǒng)布置在船舶艏部，可避免對(duì)原機(jī)艙的改動(dòng)，海水加熱系統(tǒng)基本就在再氣化系統(tǒng)下方，管路短，施工方案簡(jiǎn)單。若將再氣化模塊布置在貨物機(jī)械室前方，需要對(duì)原機(jī)艙進(jìn)行改動(dòng)，工作量大，并且需要新增海底門(mén)，結(jié)構(gòu)分析和改動(dòng)難度也大幅上升，因此改裝方案將再氣化裝置布置在船舶艏部，可大幅減少改裝工作量。

4)視線問(wèn)題。由于本船需保留航行功能，因此必須滿足SOLAS對(duì)于航行視線的布置要求。

FSRU改裝項(xiàng)目采用再氣化模塊布置(見(jiàn)圖3)在船舶艏部的技術(shù)方案，再氣化模塊設(shè)計(jì)容量為3×250 mmscfd，將海水加熱系統(tǒng)布置于船舶艏部空間，增加再氣化海水泵、乙二醇循環(huán)泵、消防水泵以及乙二醇海水換熱器等，原艏部重油艙取消，對(duì)應(yīng)的空間安裝乙二醇/海水換熱器，蒸汽/乙二醇換熱器等。

圖3 再氣化模塊布置

3 電站配置

根據(jù)開(kāi)閉混合式再氣化系統(tǒng)2種狀態(tài)下的電力負(fù)荷估算(見(jiàn)表1)，開(kāi)式系統(tǒng)的電力負(fù)荷需求略大于閉式系統(tǒng)，開(kāi)式氣化工況的貨物電力負(fù)荷需求在15 MW左右，總電力最大需求為再氣化峰值且在STS卸載工況，此時(shí)電力為21 996 kW，原船的蒸汽透平發(fā)電機(jī)和柴油發(fā)電機(jī)，最大負(fù)荷約為9 MW，不能滿足750 mmscfd的需求，因此需要新增電站模塊?？紤]到電站發(fā)電機(jī)組的布置空間要求，只有將電站模塊設(shè)置在船艉。這種方案對(duì)原船系統(tǒng)的影響最小，可減少改造的工作量和成本。其布置見(jiàn)圖4。其中，新增的2臺(tái)50 t/h的再氣化鍋爐布置在電站模塊中。

表1 電力負(fù)荷估算表

圖4 新增電站模塊布置

電站模塊配置為：3臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)組，原動(dòng)機(jī)功率為9 160 kW，發(fā)電機(jī)輸出功率為8 840 kW。

4 BOG解決方案

FSRU主要分為2個(gè)運(yùn)行模式：FSRU模式和LNG運(yùn)輸船模式。分析和研究?jī)蓚€(gè)模式下的各種運(yùn)行工況。

4.1 FSRU模式

如表2所示，F(xiàn)SRU模式下，BOG的去處主要為雙燃料發(fā)電機(jī)、原雙燃料鍋爐、再氣化鍋爐、BOG冷凝器、GCU。不同工況下去處不盡相同。

表2 FSRU模式下BOG處理方式

1)再氣化滿負(fù)荷運(yùn)行，無(wú)裝卸貨操作。在正常設(shè)計(jì)工況下，貨艙產(chǎn)生的BOG約4.5 t/h，由于再氣化LNG泵一直在給再氣化模塊供給LNG，流量為1 500 m3/h，對(duì)應(yīng)的貨艙頂部空間會(huì)增大，產(chǎn)生的BOG可以存在貨艙中，多余的BOG首先輸送到3臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)和雙燃料鍋爐。由于再氣化處于運(yùn)行過(guò)程中，貨艙中的LNG不斷地輸往再氣化模塊，貨艙一般不會(huì)產(chǎn)生過(guò)多的BOG，通過(guò)監(jiān)測(cè)貨艙壓力的變化，若有多余的BOG，可以將BOG輸送至再氣化模塊內(nèi)的冷凝器中進(jìn)行冷凝液化回流進(jìn)艙，再冷凝器一般設(shè)計(jì)能力8 t/h，覆蓋貨艙多余的BOG完全沒(méi)有問(wèn)題。若再氣化裝置采用閉式循環(huán)，則貨艙產(chǎn)生的BOG還不夠雙燃料鍋爐燃?xì)庑枨?，還需進(jìn)行強(qiáng)制蒸發(fā)LNG為鍋爐提供燃?xì)狻?/p>

2)再氣化滿負(fù)荷運(yùn)行，有裝卸貨操作。FSRU裝貨速率按8 000 m3/h考慮，貨艙產(chǎn)生的BOG氣約22 t/h，回流LNG船上的BOG約13 t/h，F(xiàn)SRU上剩余的BOG約9 t/h，F(xiàn)SRU上發(fā)電機(jī)燃?xì)夂牧吭? t/h，剩余約6 t/h的BOG可以輸送至再氣化裝置再冷凝單元，如前所述，該工況下，貨艙BOG的處理是完全沒(méi)有問(wèn)題的。若再氣化裝置采用閉式循環(huán)，剩余6 t/h的BOG首先輸送至雙燃料鍋爐，對(duì)于不足的部分，還需進(jìn)行強(qiáng)制蒸發(fā)LNG為鍋爐提供燃?xì)狻?/p>

3)再氣化不運(yùn)行，無(wú)裝卸貨操作。該工況可以參照LNG船常規(guī)的BOG處理方式，本方案BOG約4.5 t/h，雙燃料發(fā)電機(jī)氣耗約1.5 t/h，剩余3 t/h的BOG需要處理，一般FSRU貨艙的設(shè)計(jì)壓力為70 kPa,貨艙內(nèi)允許一定升壓，可以將多余的BOG積蓄在貨艙里面，積蓄時(shí)間根據(jù)項(xiàng)目不同，有一定差異，一般可以存5 d以上，等待再氣化裝置運(yùn)行后，將BOG輸送至再氣化再冷凝單元冷凝，這樣會(huì)最大限度減少BOG的浪費(fèi)。若運(yùn)營(yíng)方不準(zhǔn)許貨艙摒壓，首選將BOG輸送至雙燃料鍋爐焚燒，產(chǎn)生的蒸汽冷凝，但該方式不產(chǎn)生實(shí)際效益，BOG等于白白燒掉。若改造后FSRU的使用工況經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)并且是持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間不用的情況，建議配置再液化裝置，排量3 t/h左右，但FSRU的經(jīng)濟(jì)性會(huì)變差，本方案不考慮此工況。

4)再氣化不運(yùn)行，有裝卸貨操作。該工況是FSRU的BOG處理最具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)工況，也是最為復(fù)雜的設(shè)計(jì)工況，F(xiàn)SRU以8 000 m3/h進(jìn)行裝卸貨，BOG為22 t/h，向LNG船回氣13 t/h，剩余9 t的BOG，去發(fā)電機(jī)2 t/h，剩余7 t/h的BOG需要處理，本FSRU現(xiàn)有的鍋爐也無(wú)法處理，可以配置一個(gè)大容量的GCU，但這在經(jīng)濟(jì)性上不是好的選擇。因此最好的方式是調(diào)整FSRU的運(yùn)營(yíng)操作，在再氣化裝置不運(yùn)行的工況，若一定要進(jìn)行裝卸貨操作，可適當(dāng)延長(zhǎng)裝卸貨的操作時(shí)間，降低裝卸貨的操作速率，減少BOG的產(chǎn)生量，給予FSRU處理多余BOG的時(shí)間。

如果在FSRU運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，這種工況非偶發(fā)性出現(xiàn)，可在設(shè)計(jì)之初，將FSRU的裝卸貨速率設(shè)計(jì)為一個(gè)范圍，如從6 000～12 000 m3/h不等，從設(shè)計(jì)之初就考慮到規(guī)避貨艙可能需要摒壓的問(wèn)題。

4.2 LNG船模式

航行船模式下，貨艙產(chǎn)生的BOG可以作為燃料供給雙燃料發(fā)電機(jī)使用，電力主要用于船舶推進(jìn)，同時(shí)若有多余的BOG，可以供至雙燃料鍋爐，在大部分工況下，貨艙產(chǎn)生的BOG和船舶運(yùn)行的需求維持在平衡的狀態(tài)，無(wú)需特殊考慮BOG的處理，若在特殊工況下有多余的BOG產(chǎn)生，可以將BOG輸送至雙燃料鍋爐或通過(guò)安裝在船艏部的透氣桅排出。

5 系泊分析

FSRU存在單船靠碼頭，及LNG船與FSRU并靠碼頭的布局。如圖5所示，F(xiàn)SRU采用雙船并靠的平面布置形態(tài)，不僅可節(jié)約碼頭岸線、降低工程造價(jià)，而且由于液相管線距離的縮短而增加了安全性。本方案在原14.7萬(wàn)m3LNG船的基礎(chǔ)上改造，原系泊布置采用艏艉各10根，共20根直徑44 mm的系泊纜。船靠船的系泊采用共14根直徑44 mm的系泊纜(以14.7萬(wàn)m3級(jí)別LNG船靠泊為例)。碼頭布置護(hù)舷4個(gè)錐2 000(計(jì)算按壓縮1 m時(shí)反力2 460 kN)，靠球選用直徑×長(zhǎng)度為4.5 m×9 m(壓縮1 m時(shí)反力約900 kN)。在靠海的右舷配置10個(gè)套雙式快速釋放鉤(全船共20鉤)，系泊鉤單鉤許用負(fù)荷1 500 kN。

圖5 FSRU與LNG船雙船并靠示意

采用Optimoor軟件進(jìn)行計(jì)算分析。分別取2種浪高，2種吃水，風(fēng)浪流為360°組合數(shù)據(jù)，進(jìn)行10種工況計(jì)算，見(jiàn)表3。

表3 系泊分析工況狀態(tài)的計(jì)算表

計(jì)算結(jié)果表明:①波浪的影響遠(yuǎn)大于風(fēng)及水流的影響，而且危險(xiǎn)的浪向集中在相對(duì)船長(zhǎng)角度 80°～100°范圍；波浪的周期越長(zhǎng)，影響越大，系纜力和撞擊力結(jié)果均隨波高和波周期的增大而增大；②船靠船由于纜繩位置及數(shù)量受限于系泊鉤的布置，允許作業(yè)波高更低；③建議應(yīng)采取措施，遮擋或避開(kāi)危險(xiǎn)角度的波浪，尤其應(yīng)削減與船長(zhǎng)夾角80°～100° 來(lái)的波浪；計(jì)算中拉力值是取最不利浪向，如適當(dāng)避開(kāi)與船長(zhǎng)夾角80°～100°波浪，則相應(yīng)可承受較高的波高。

6 結(jié)論

1)再氣化選型方面，宜選用乙二醇水作為中間介質(zhì)，過(guò)程無(wú)相變，不冰堵，不揮發(fā)可燃?xì)?，可作為類似方案的理想再氣化中間介質(zhì)。

2)舊船改造方案，再氣化模塊宜布置在船艏，能充分利用船艏艙室空間，可減少改造工作量，其中船艏再氣化模塊對(duì)航行視線的影響可通過(guò)撬塊設(shè)計(jì)與布置優(yōu)化解決。

3)舊船的主鍋爐一般難以滿足當(dāng)前主流再氣化容量的需求，需要進(jìn)行原主鍋爐改造，并需適當(dāng)增加再氣化鍋爐。

4)早期舊船一般為蒸汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)，其電力難以滿足再氣化負(fù)荷需求，需要新增較大負(fù)荷的電站，宜布置在船艉，有利于較短的線纜鋪設(shè)和足夠的布置空間。

5)BOG管理方案的設(shè)計(jì)中，F(xiàn)SRU模式下，通過(guò)合理操作，一般可設(shè)置BOG冷凝器處理大多數(shù)BOG，其余的由發(fā)電機(jī)、鍋爐消耗；航行船模式下按照原船配置和操作即可解決BOG問(wèn)題。

6)FSRU通過(guò)合理系泊配置能夠在2 m有義波高下進(jìn)行安全作業(yè)，超過(guò)2 m有義波高，需要采取措施，限制作業(yè)工況。