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LNG FSRU

标签: LNG FSRU

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简介编辑本段回目录

LNG-FSRULNG-FSRU
      LNG-FSRU,英文全称LNG-Floating Storage and Regasification Unit,即浮式LNG储存和再气化装置、浮式液化天然气存储再气化装置。作为陆上天然气气化终端的海上“替代品”,FSRU既可作为LNG运输船使用,又具有LNG储存及再气化功能,可作为海上浮式终端,远离发电厂、工业区或人口密集区停泊。

      LNG-FSRU一般配备储存和再气化LNG的模块装置,因此既可作为LNG运输船具有运输LNG的功能,又有替代陆上LNG储罐储存LNG的功能。使用LNG-FSRU比常规的LNG接受终端可以有效的节约技术投资,并且可以提高供气的灵活性。根据LNG船尺度和气体输出率的不同,通常只需20~30小时就可完成全部卸载工作。

特点编辑本段回目录

LNG-FSRU作业流程图LNG-FSRU作业流程图
      LNG-FSRU既可作为LNG运输船具有运输LNG的功能,又有替代陆上LNG储罐储存LNG的功能。LNG-FSRU的LNG浮式接受终端相比陆上常规LNG接受终端的特点:

      一是可以直接利用国际上先进的FSRU技术节约投资,提高供气的灵活性;

      二是占用填海陆域面积小,节约填海用地时间,缩短工程建设周期,可尽快实现供气,满足当地用气需求;

      三是特别适合环境敏感地区或人口稠密地区,如临港经济发达地区;

      四是设备大型化,载货量一般为25万~35万立方米,能够接受更大容量LNG运输船,可用于飓风海域;

      五是改善航海/航道的安全性,确保陆域财产/生命安全,方便选址和搬迁,可采用灵活的租赁或者承包经营方式,为环境友好型工程。

系统组成编辑本段回目录

LNG-FPSO再汽化系统LNG-FPSO再汽化系统
      现有的LNG-FSRU主要包括锚泊系统、卸货系统、船壳及货物围护系统、再气化系统、蒸发气处理系统等五大系统。其中,锚泊系统采用能使LNG-FSRU随风改变方位的单点系泊系统(SPM) , 将LNG-FSRU牢固地锚泊在海床上,系泊和挠性立管系统要求的最小水深为40~60 米。非良好海况时LNG-FSRU可围绕其单点系泊系统打转。SPM配备内部转塔,可减少锚泊负荷,使生活区随时处于货物区域的上风侧。而卸货系统采用串联卸货方式,在LNG-FSRU尾部设有SYMO 卸货系统,该系统能在浪高3.5米的情况下与接卸端连接,并保持牢固。

优点及问题编辑本段回目录

      1、大型化。载货量一般为25万-35万m3,几乎为现行LNG 船的两倍,降低运输成本;

      2、深海停泊。替代陆上终端,非常具有成本优势,而且安全——远离发电厂、工业区或人口密集区;

      3、可长期单点系泊在深海海床上,减少当前岸上终端对LNG船的吃水限制,或免除LNG船舶对港口水深的要求;

      4、LNG不需从船上卸至岸上终端,减少了运输次数和卸货次数,降低部分卸货危险。

      LNG-FSRU虽然具有诸多优点,但仍存在挑战:

      一是大型LNG运输船在靠泊LNG-FSRU时通常选择旁靠方式卸载LNG,由于海况等诸多复杂因素,在接卸时稳定性不如陆上接收站,存在碰撞的风险;

      二是若出现危险情况,海上紧急疏散难度会增大;三是LNG-FSRU扩容能力较差,虽可依项目需求再建一艘,但会导致投资总额大幅增加。

 LNG-FSRU市场发展趋势编辑本段回目录

      近年来,得益于LNG热潮,国际上主流的浮式LNG接收装备数量不断增长。截至2014年6月,全球共有19艘LNG-FSRU投入使用,分别由4家船东所有,其中美国船东Excelerate公司拥有数量最多,达到9艘,挪威的Golar LNG和Hoegh LNG分别拥有5艘和4艘。在建船队方面,由于各船东看好该型装备后市表现,纷纷进一步扩大自有船队规模,以求更多获益。目前全球共有7艘LNG-FSRU在建,其中Hoegh LNG和Golar LNG各有2艘在建,日本商船三井和挪威BW Gas作为该类装备运营市场的新来者也即将拥有其各自的首艘浮式LNG船舶。除此之外,还有近30个FSRU项目在准备阶段,其中9个在亚太地区,11个在美洲地区,7个位于中东和非洲地区。

      随着石油资源的日益枯竭和天然气应用技术的不断成熟,全球对LNG的需求量也在不断上升。Wood Mackenzie相关数据显示,2013年全球LNG需求总量为236mmtpa,共有30个国家需要进口LNG满足需求。进口LNG的国家中,亚洲国家的需求量较大,日本(37%)、韩国(17%)和中国(8%)的需求量分列全球前三名。Wood Mackenzie预测到2025年,全球LNG需求总量将增长超过90%,达到458mmtpa,需要进口LNG的国家将达到近40个。以日本(需求占比21%)、韩国(需求占比10%)和中国(需求占比15%)为首的亚洲国家到时仍将是LNG的主要消耗国。需求的增长导致LNG产量也不断走高,2011年全球LNG产量为2.42亿吨,按照目前的增速,预计到2017年产量可达到3.3亿吨,涨幅超过30%。

      由于LNG主要需求区域集中在亚洲地区,而主要产地分布在欧洲、美洲等地区,由此拉动了对LNG运输和转运再气化装置的需求。BP公司报告认为,从2010年到2020年,全球LNG接收装置(包括陆上和海上)数量将增长近六成,主要增量将集中在浮式LNG,即LNG-FSRU上。BP预测,到2020年,全球将有超过30艘LNG-FSRU投入运营。

LNG-FSRU的相关技术问题编辑本段回目录

      作为一种清洁能源,LNG的市场需求量一直在稳定增长,截至2010年年底,全球已建成LNG接收终端60多个,但是LNG接收终端与LNG需求之间的缺口仍在不断扩大。另一方面随着人们环保意识越来越强,在沿海建设陆上LNG接收终端受到越来越多的限制,另外还有投资大、建设周期长及对地理条件要求高等局限。在这样的背景下,人们开始考虑将LNG接收终端建设在海上。

      目前工业界提出的海上浮式LNG接收终端概念中主要的两种是LNG-FSRU和LNG再气化船。LNG再气化船通常由LNG船改装而成,船上装备有再气化设施。LNG再气化船将运送LNG液货至接收终端,并通过水下转塔装载浮筒(STL)系泊,随后LNG再气化船将LNG气化为天然气,再通过柔性立管将气体输送到海底气体管路至最终市场。完成卸载工作(一般为5~7天内)后,LNG再气化船与STL解除连接,离开接收终端再次运送LNG液货。

      而FSRU的操作模式则不同,首先在海上建造、安装船型的浮式储存再气化装置,LNG-FSRU每几天一次从LNG穿梭船上接收LNG,船上设置有储存和再气化LNG的设备,通常永久系泊于一个海上单点系泊(SPM)系统,该系统可抵抗极端海况。工作时,一艘LNG船与FSRU通过使用浮式船用护舷板和常规系泊线舷靠舷系泊。然后LNG船将LNG卸载至FSRU,根据LNG船尺度和气体输出率的不同,通常需20~30小时完成全部卸载工作。LNG储存在FSRU船体内的储存舱中。加温后,LNG将被气化成气体,然后通过柔性立管输送到海底气体管路,再送到最终市场。

      一、LNG-FSRU项目的经济性

LNG-FSRU的总成本LNG-FSRU的总成本
      Hoegh LNG公司曾对该公司一艘18万m3、再气化能力为0.5~1.5 bscf/d(十亿标准立方英尺/天)的LNG-FSRU进行过成本计算,如表1所示。

三种方式的经济性曲线三种方式的经济性曲线

      对LNG船-陆上接收终端、LNG再气化船和LNG-FSRU三种方式进行成本比较,如图3所示。从图中可以看出,LNG再气化船在中短程海运距离以及较低的气体输出能力的情况下较有竞争优势,但LNG-FSRU在LNG供应终端与最终市场相距较远,以及拥有较高的气体输出能力时会明显呈现出竞争优势。且无论何种情况下,LNG-FSRU均比陆上接收终端的成本低很多。


      二、LNG-FSRU的建造方式

      LNG-FSRU的建造方式主要有3种:由LNG运输船改装、新造钢质船壳以及新造混凝土结构。其核心技术主要包括系泊技术、卸载技术、船壳及货物维护技术和再气化技术。新建LNG-FSRU可有三种不同的储罐形式:

      (1)Moss型球体储罐,其特点是甲板面积受限,船体空间利用率低;

      (2)SPB方体储罐,其特点是充足的甲板面积,可解决各种液位晃动载荷问题,制造工艺简单,周期短,便于操作/维护;

      (3)薄膜方体储罐,需解决晃动载荷问题,有一定的制造工艺难度。

      FSRU上部设施比常规的FPSO设施少,单点系泊系统也比FPSO简单,船体结构没有自航系统,储罐结构和制造工艺与传统造船相同,仅使用的材料不同。

      三、建造LNG-FSRU时需考虑的工程技术问题

      建造FSRU之前,首先需对整个工程进行可行性评估,其中涉及到几个关键的工程技术问题需要予以考虑。

      1、建立FSRU系统设计基础

      为了建立FSRU系统的设计基础,首先需明确以下工程设计任务:

      1)FSRU的技术指标,如LNG储存能力、排水量、尺度、甲板布置等。

      2)FSRU系泊系统详细信息-提供FSRU单点系泊系统的技术特性。

      3)LNG船技术特性-详细的LNG船队数量、尺度及其他特性。

      4)LNG船/FSRU舷靠舷系泊布置-系泊模式,系泊线、海上护舷板和FSRU上系泊点的数量和特性。

      5)拖船技术特性-包括拖船类型、尺度、波浪中的效率等。

      6)海上操作场景-描述几个关键的海上操作模式的作业过程(靠近、停泊、系泊、离开和使用拖船)。

      另外,下列基本设计数据是确定船舶设计尺度所需的关键数据:

      1)LNG设计生产能力和气体的设计输出率-通常由市场需求和项目的总体经济指标来决定。

      2)LNG设计储存能力-通常由LNG设计生产能力以及LNG船队的数量和尺度确定,该指标决定了LNG船的到访频率以及FSRU的最优LNG储存能力。

      3)LNG船队的数量和尺度-由LNG供应终端的位置、项目总体经济指标决定。需要进行工程研究以确定最优的LNG船队组成。

      例如,一艘FSRU设计气体输出率为1.0 bscf/d,相当于每天48000m3的LNG。如使用货物容量为250000m3的LNG船供应液货,LNG船的到访频率为每5天一次。但是,如果使用165000 m3的LNG船则需每3.5天到访一次。FSRU的最小储量应大于250000m3,以便一次接收所有的LNG,最优的LNG储量则应为300000~350000m3,或约6~7天的LNG供应量。

      2、操作Metocean标准和极端Metocean标准

      为评估FSRU系统的可操作性,需要使用两套不同的Metocean标准:

      1)操作环境条件(风、浪、流、可见度、温度、水温、冰等),用于LNG船停运期模拟的数据输入,以及FSRU/LNG船舷靠舷动态系泊分析。

      2)极端设计环境条件(含热带和强热带风暴),用于设计FSRU和系泊系统。

拖船在波浪中的动态操作效率曲线拖船在波浪中的动态操作效率曲线
      3、拖船在波浪中的性能效率

      根据LNG船的尺度和当地的Metocean环境,在靠泊和离开的过程中,需要2~4艘系柱拉力约50~60吨的远洋拖船协助LNG船。

      LNG船靠泊和离开操作限制主要取决于拖船在波浪中的动态性能指标。根据船型和装机功率的不同,波浪中拖船的动态操作效率总体来说随着波高的增加而下降。当波高到达一个特定值时,拖船操作效率将从100%降至零。

      通常需要进行模型试验以确定拖船在波浪中的动态操作效率曲线。拖船通常在“推-拉”模式下操作。拖船在“推”模式下的操作效率一般比“拉”模式低。当海况条件不允许进行“推”模式时,拖船可以转为传统的“长线”拖曳。

      4、实时船舶操作模拟

      为了建立LNG船在拖船协助下靠泊和离开FSRU作业时的操作环境限值,可进行船舶操纵模拟。另外,为了LNG船安全地靠近、系泊和离开FSRU,以及确定会限制这些操作的Metocean条件,必须对操作过程进行规划和评估。为了评估总体靠泊有效性,还需要FSRU/LNG船停运模拟所需的Metocean限值。

      实时船舶操作模拟须在有经验的引水员指挥下,在有资质的全任务船舶模拟设施中进行。引水员根据在监视器中对LNG船、FSRU和拖船的观察指挥船舶操纵,再由模拟器操作员在驾驶桥楼执行引水员的操作指令。

      5、海上船至船LNG转运技术

      目前实现LNG在LNG船和FSRU之间转运有两种主要的方式:采用柔性软管或采用全钢的卸载臂。现在普遍认为LNG海上转运率最小应为10000m3/h。为满足该要求,需要使用直径为16英寸或更大的大口径柔性软管或卸载臂。尽管柔性软管和卸载臂在石油工业中已有应用,但对于海上LNG转运来说仍然是一个相对较新的课题。

      大口径(16英寸或更大)柔性软管在受保护水域的海上LNG转运中应用的可行性只是刚刚被论证。目前,LNG在船对船转运中,还未完全使用柔性软管。当前石油工业界正在进行联合研究项目,以提升分析方法,并确保柔性管疲劳寿命预报的精确度。考虑到每周的卸载次数和全球海况,柔性软管的预期服务寿命为5~7年。为了确保柔性软管结构疲劳完整性,应执行严格仔细的工程分析、原型操作试验以及常规的操作和维护监控。

      使用16英尺直径或更大的全钢卸载臂的可行性已经由FMC通过陆上比例模型进行过论证,但是仍未用于海上转运实际操作。

      6、LNG船和FSRU间的动态相对运动和系泊分析

由于在操作时,LNG船和FSRU距离很近,评估两个大尺度浮体间的水动力交互作用十分重要。LNG船和FSRU间的动态相对运动和系泊载荷预报对于定义LNG船系泊至FSRU操作时的安全环境限值以及更好地定义金属卸载臂的设计操作包络线是至关重要的。

      许多研究者已经对两个舷靠舷系泊体间的三维水动力交互影响进行过报告。

舷靠舷动态相对运动舷靠舷动态相对运动
      动态运动分析将采用FSRU所在位置的Metocean气候长期时间关系曲线图。这些分析将产生LNG船-FSRU航向、相关的多种运动、系泊线张力和护舷板载荷等指标的长期时间关系曲线图。

      运动分析中需包括风浪流方向,风浪流方向通常可被分成三种:

      1)平行(±15度)

      2)倾斜(15~45度)

      3)交叉(45~90度)

      为了确定LNG船和FSRU舷靠舷动态相对运动,将进行下列分析:

      1)建造FSRU和LNG船模型,并使用不同的方式核查,包括试验以及采用第三方软件进行验证。

      2)对LNG船和FSRU单独进行衍射和辐射分析,计算衍射波载荷和6自由度运动RAO(response amplitude operator)。这些分析将用于验证船模和数值结果。

      1)舷靠舷衍射/辐射分析-该任务对相连两船体进行水动力分析。

      2)对FSRU单独进行随时间变化的运动分析。

      3)对LNG船和FSRU舷靠舷系泊进行随时间变化的运动分析。

      7、LNG船停运期操作模拟

      为了评估海上的可操作性以及靠泊可行性,需要从LNG供应终端开始直至FSRU的每个步骤进行完整的模拟。模拟过程中,在FSRU上的操作,以及LNG船的到达将使用不连续事件模拟进行建模,这些模拟包含了所有操作的过程,从LNG船离开供应终端开始,进行跨洋航行,到达FSRU附近的引水员登船站,最终靠近FSRU并靠泊,系泊至FSRU,进行LNG转运作业,离开FSRU,以及引水员下船。

典型的模拟模型典型的模拟模型
      两个典型的模拟模型如下图所示:模型1包括了从LNG船从LNG供应终端开始,进行跨洋航行,到达FSRU,至LNG船离开FSRU,直至再次进行跨洋航行为止;模型2仅包括LNG船从引水员登船站至离开FSRU的操作过程。

      一般来说,从LNG船到达FSRU至离开FSRU所需的全部周转时间约为30~40小时,LNG船大小不同所需的时间也不同。另外,到达FSRU和离开FSRU的操作还会受到风、浪、流等环境因素的影响。

      每个模拟事件都需以100年为期进行模拟运行,这是为了给统计分析提供足够的结果。模拟中将记录下列参数:

      1)引水员时间:从引水员登船开始至LNG船离开引水员登船站。假设在整个作业过程中是同一个引水员停留在船上。

      2)等候(或称停运)时间:从LNG船到达引水员登船站开始,包括由于不良气候条件所造成的等候靠泊时间。

      3)交互到达时间:连续2艘LNG船抵达引水员登船站之间的时间。

      4)两次关闭间的时间:从引水员登船站的等候时间开始直到下一次等候时间的开始。

      5)间隔时间:在一段等候期后,从首艘LNG船到达开始,至下一次等候期之前,最后一艘LNG船离开为止。

      6)跨洋航行期间的延误:如果模拟包括从LNG供应终端至FSRU间LNG船的跨洋航行,则还需记录由于不良气候条件所造成的延误。

      除了基础事件模拟,还可执行敏感度模拟事件,以评估改变LNG储存能力的影响,LNG船队的组成(大小和数量),操作(靠泊、离开、系泊和卸载)环境限制、夜间时段和能见度限制。停运模拟结果也可用于评估LNG设计储存能力是否合适,LNG船队的最优数量和尺度大小,以及为FSRU预报操作停运期。

      四、小 结

      综上所述,LNG-FSRU作为一种浮式LNG接收终端具备经济性优势,且技术可行,随着清洁能源的大量应用,具有广阔的发展前景。政策层面上,2012年8月,工信部发布的《海洋工程装备科研项目指南(2012年)》中确定了5种类型装备作为研发中的重点,其中就包括LNG-FSRU总体设计关键技术,同时还有LNG-FSRU再气化模块总体设计关键技术及相关设备作为关键系统和设备领域的研发重点。FSRU在建造上的难度并不大,但是FSRU需要从LNG船上接收液货再进行处理,这涉及到LNG的海上转运、大型浮式结构间的水动力交互作用,以及操作中的诸多规划问题,需要设计者从初步设计阶段直至详细工程设计阶段均进行周密的考虑。本文中的第三部分-建造LNG-FSRU时需考虑的工程技术问题来自于2008年美国休斯顿OTC(Offshore Technology Conference)的会议论文,希望对工程技术人员有一定的借鉴作用。

参考资料
[1].  LNG-FSRU的相关技术问题;李源   

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