摘要：基于近年各种液化天然气浮式生产储卸装置（FLNG）概念设计，分析了 FLNG 在船体、LNG 储舱、液化工艺、低温换热器和产品装卸等技术的研究历史和最新进展。有关 FLNG 的研究不断完善，通过计算机模拟和实验模拟的方式验证了FLNG 关键技术的可行性和可靠性；FLNG 概念设计一般采用双壳式船体，SPB 型 LNG 储舱，简单液化工艺（如混合制冷剂或膨胀制冷工艺）以及并排卸货方式。通过分析 FLNG 装置的建设投资和运营收益，指出使用二手 LNG 货轮改造为 FLNG以及采用简单液化工艺可以使 FLNG装置获得更好的经济效益。

关键词：液化天然气浮式生产储卸装置；液化天然气；液化工艺；低温换热器；并排卸货

近年来，越来越多的深海气田、边际小气田、伴生气田被发现，其数量较多，储量可观；但若采用传统的开发模式，建设周期长、生产设施投资大、现金回收慢，许多资源将因为没有经济效益而无法投入开采。为此，世界许多大型石油公司正加紧研究液化天然气浮式生产储卸装置，利用 LNG 易于运输与储存的特点，降低边际小气田、深海天然气及伴生气资源的开采成本，实现边际效益资源的开发。

液化天然气浮式生产储卸装置即 LNG FPSO，通常称为 Floating LNG，简写为 FLNG。FLNG 可采用驳船或 LNG 货轮改装，直接停泊在气田上方进行作业，能够避免陆上液化工厂建设可能对环境造成的污染问题。此外，该装置便于迁移，可重复使用，当开采的气田衰竭后，可以迁移到新的气田使用，尤其适合于边际气田的开发。FLNG 的开发研究最早始于20世纪70年代早期，90年代之后，随着天然气工业的不断发展，天然气需求量的不断增加，天然气价格的不断上升和海洋石油工程技术的不断进步，海上边际气田日益受到重视，国际各大石油公司和造船公司均投入到 FLNG 的开发中来，提出多种概念设计，并在FLNG 船体与产品储存方式、液化工艺、换热器形式、装卸方式等方面取得一定进展，使其开发成为可能。

1 船体和LNG储舱

最初，FLNG 概念设计采用混凝土制造船体，在其上放置球形、圆柱形或薄膜型 LNG 储舱。混凝土壳体吃水深，承载能力大，具有低温性能好、不易老化的优点，但是这种结构的船身笨重，迁移和锚泊将是巨大的挑战。代表性的 FLNG 概念设计有：Mobil 公司的 Floating LNG 和 Bouygues Offshore 公司的 Azure项目（图1）。

随着 LNG 货轮技术的不断进步，最近几年提出的 FLNG 概念设计均采用钢质船体，配以不同形式的LNG 储舱（图2）。如 Shell 公司投资建造了一艘巨型 FLNG，采用双壳式船身，SPB 型储舱，长488m，宽74m；空载质量达26×10⁴t，相当于6艘航空母舰，满载质量达60×10⁴t。该 FLNG 投资估计超过30×108美元，每年至少生产530×10⁴t 液态产品，包括360×10⁴t LNG、130×10⁴t 凝析油和40×10⁴t LPG。

目前，全球营运的大约140艘 LNG 货轮，主要有球形（MOSS）、薄膜型（Membrane）和自立棱柱型（Self-supporting Prismatic shape IMO type B，SPB）型3种储舱形式。其中球形储舱在早期的 LNG 货轮中占有较大优势，但是球形储舱占用巨大的甲板空间，而且甲板下的部分船体空间也被浪费，属于逐步淘汰的储舱技术，不适用于 FLNG。在新的 LNG货轮订单中，薄膜型超过三分之二，是储舱技术的发展方向。薄膜型和自立棱柱型储舱完全位于甲板以下，不占用甲板上的空间，比较有利于 FLNG 的设计制造。但是由于FLNG工作环境与 LNG 货轮不同，船体经常晃动，薄膜型储舱中液体的晃动幅度较大，容易对储舱上部的转角造成冲击而使焊缝失效（图3），需要进行适应性改造。

近几年提出的 FLNG 概念设计通常选用 SPB 型储舱储存 LNG、LPG 和凝析油等液化产品（表1）。SPB 型储舱（自立方型储舱）技术由日本石川岛播磨重工独立开发，其甲板平整，上部空间大，便于安装各种设备，用于 FLNG 的最大优点是液舱中部设有防止液体流动的隔壁，不存在晃动问题，且在设计时可以通过准确的有限元分析和实验确认安全性。

2 液化工艺

　　随着 LNG 工业的不断发展，世界上许多公司开发出多种天然气液化工艺和设备^[1-2]。依据基本的制冷原理，主要有3种液化工艺：级联式液化工艺；混合制冷剂液化工艺，包括闭式、开式、丙烷预冷及 CII等；膨胀制冷液化工艺，包括天然气膨胀、氮气膨胀、氮-甲烷膨胀等。在实际的 LNG 液化工程中，通常组合使用上述各种液化工艺^[3]。

陆上液化天然气项目通过增大工艺设备规模、提高液化效率来降低单位投资和项目运行成本，因此，陆上天然气液化工艺的发展趋势是级联式制冷工艺及设备的大型化。如 APCI 公司开发的 AP-X®液化工艺、ConocoPhillips 公司开发的 Cascade®液化工艺、Linde 公司开发的 MFC®（Mixed Fluid Cascade）液化工艺等。

由于海上作业环境特殊，FLNG 液化工艺的选择主要从处理能力、船体甲板空间和负荷能力以及船体的稳定性等方面考虑，应该具有以下特点：①流程简单、设备紧凑、占地少、满足海上浮船的安装需要；②液化工艺对不同产地的天然气适应性强，热效率高；③安全可靠，船体的晃动不会明显地影响其性能；④能够快速启动与停止运行；⑤生产自动化程度高，装置运行可靠性强。因而 FLNG 一般选取比较简单的液化工艺，如单级或多级混合制冷剂液化工艺、单级或多级氮气膨胀制冷工艺（表1）。

David Franklin等^[4]对 FLNG 采用简单液化工艺和复杂液化工艺的经济效益进行比较，发现采用简单液化工艺效益更好（表3），液化能力同为100×10⁴t·a^-1的浮式天然气液化装置项目，采用简单液化工艺的净现值是采用复杂液化工艺净现值的1.69倍，内部收益率高出3.2%。可见，与陆上 LNG工厂不同，FLNG 对初始投资更敏感。简单液化工艺具有占用甲板面积小、设备少、检修时间短、可在有限甲板空间上获得较高产量等优点，更适用于 FLNG。

3换热器

FLNG 设计的一个重要方面是液化工艺低温换热器的选择。近年提出的各种 FLNG 概念设计中，通常根据其选用的液化工艺，而选用不同的换热器。

混合制冷剂液化工艺一般选择缠绕管式换热器（图4a）作为主低温换热器。缠绕管式换热器本质上属于管壳式换热器的一种，但由于其独特的结构使之具有强制湍流换热系数高、温度压力限制小、安全性高、结构小队紧凑、承压能力高、热胀冷缩自补偿等优点。混合制冷剂液化工艺中天然气和制冷剂都会产生相变，缠绕管式换热器的换热效果受两相流动的影响较小，Linde 公司通过模拟实验发现船身晃动对换热效果影响也很小。因而缠绕管式换热器十分适用于采用混合制冷剂液化工艺的 FLNG概念设计。

膨胀制冷液化工艺一般选择板翅式换热器（图4b）作为主低温换热器。板翅式换热器具有体积小、重量轻、换热效率高、坚固耐用、适应性强、可设计成多股流体同时换热等优点，其单位体积换热面积比管壳式换热器高十倍以上。但是许多文献指出：当换热器中出现两相流动时，气液两相的分布对换热效果影响较大。膨胀制冷液化工艺一般使用氮气作制冷剂，氮气的液化温度为－195.8 ℃，低于天然气的液化温度-162 ℃，液化过程中氮气不会出现相变，对板翅式换热器的换热效果影响很小。李玉星^[5]通过模拟实验研究了使用板翅式换热器的氮气膨胀制冷液化工艺，发现船体的晃动对液化工艺的影响很小。因此，板翅式换热器适用于采用膨胀制冷液化工艺的 FLNG概念设计。

4 FLNG的产品装卸

产品卸货是 FLNG 的重点和难点技术之一。通常有 LNG、LPG 和凝析油等多种产品需要从 FLNG 向货轮卸货。FLNG 和货轮均漂浮于水上，在波浪的作用下不断晃动，两者之间的相对运动对卸货影响很大；LNG 为低温液体，整个卸货系统均需要满足低温的严苛要求。因此，实现 LNG 在海洋环境下的安全、高效传输非常复杂，目前 FLNG概念设计中主要有两种卸货方法。

4.1并排卸货

FLNG 和 LNG 货轮并排停靠（图1，Shell 公司概念设计），两船体之间通过强度很高的装置连接在一起，防止相对运动幅度过大。并排卸货方式由陆上 LNG 码头向 LNG 货轮卸货发展而来，可以直接使用陆地的硬管输送臂，同时提供水幕等防火措施。其优点是结构简单、节约投资、LNG 输送与控制快速方便。但是，FLNG 和 LNG 货轮的相对运动可能导致硬管输送臂连接处泄漏，造成周边环境温度骤降及泄漏介质遇到火源引发爆炸，不适用于波浪较大的海洋环境。随着 LNG 专用低温软管的成功开发并应用于 FSRU（浮式 LNG 气化和接收装置）的卸货，许多概念设计提出采用低温软管进行 LNG 装卸，从而减小 FLNG

和 LNG货轮相对运动对卸货安全性的影响。

4.2串联卸货

FLNG 和 LNG 货轮采用首尾相接的串联系泊方式，这是 FPSO 向油轮输油的常用方式。串联卸货时两船之间距离较大，一般在50～100 m，同时采用动态定位技术控制两船距离在合理的范围内。因此，串联卸货能够适应较大的波浪，适于海洋环境较为恶劣的海域，但由于两船之间距离较大，需要较长的 LNG输送臂，在技术上存在一定风险。AZURE 项目开展了硬管输送臂串联卸货的小型实验，但其坚固性有待进一步研究，而 LNG 专用低温软管用于长距离 LNG 输送的安全性和可靠性尚待确定。因此，串联卸货目前仅仅是作为 FLNG概念设计的一种可行性讨论。

总体上，采用何种卸货方式，需要根据具体海域的特点和环境参数（包括平均海平面、最大波高、最大波周期、温度和湿度范围、风速和风向等）而定。低温输送臂结构则取决于输送距离、输送量、输送速度、输送时间等。采用串联卸货方式、使用低温软管输送 LNG是发展趋势。

5 LNG 货轮改造为 FLNG

目前，许多20世纪末期服役的中小型 LNG 货轮进入运输合同后期，今后几年这些货轮将结束服役，作为二手船舶进入买卖市场。与由大型油轮改造 FPSO类似，由 LNG货轮改造为 FLNG具有诸多优点^[4]。

（1）降低项目投资：15×104m3陆上 LNG 储存设施及管道建设投资约1～1.5×108美元，新建同样储量的 LNG 货轮需要投资约2.2×108亿美元（LNG World Shipping，Dec 2011），而最近市场12.5×104m3的二手 LNG 货轮最新市场价格仅0.3～0.5×108美元，仅为新建 LNG 船体的13~23%。因新 LNG 船体约占项目总投资的25～40%，故可使浮式天然气液化装置的项目投资降低25%。

（2）加快项目进度：LNG 储罐和船体设计、建造完成时间通常需要3～4年，在液化天然气项目周期中占很大比例，而二手 LNG货轮可以立即进行适应性改造，从而使整个项目工期缩短1～2年。

（3）易取得运营许可。在运 LNG 货轮均已被评级并进行良好维护，使用 LNG 货轮改造为 FLNG 的海上浮式天然气液化项目比陆上液化天然气项目取得许可更具优势。

6 结论

综上所述，通过评析液化天然气浮式生产储卸装置（FLNG）船体结构、储舱形式、液化工艺、换热器和产品装卸等关键技术的开发历史和研究现状，可以发现目前对 FLNG 的技术研究和概念设计已经比较完善。FLNG 具有初始投资低、建造周期短、运营操作灵活、对环境危害小等诸多优点，经济性好，安全性和可靠性高，可以用于海上边际气田天然气资源的开发，具有广阔的应用前景。

参考文献：

[1] 王春节，魏林瑞，张磊.浮式液化天然气液化工艺综述[J].化学工业，2010，28（3）：27-29.

[2] Meek H J，Cariou H，Schier M.LNG FPSO Development-bringing two industries together[C].Houston，Texas，USA，2009

Offshore Technology Conference，4–7 May 2009.

[3] 施林圆，马剑林.LNG 液化流程及管道输送工艺综述[J].天然气与石油，2010，28（5）：37-40.

[4] David Franklin，Henry Reeve，Brad Hubbard.Converting existing LNG carriers for floating LNG applications[C].Houston，

Texas，USA，2010 Offshore Technology Conference，3-6 May 2010.

[5] 李玉星，王武昌，朱建鲁，等. 紧凑式天然气液化浮式生产工艺：中国，CN101787314 A[P].2010-07-28

(本文作者：马华伟¹ 刘春杨² 徐志诚³ 1.中国石油天然气股份有限公司规划总院，北京 100032；2.中国石油天然气集团公司规划计划部，北京 100007；3.中国石油天然气管道分公司，河北廊坊 065000)