FLNG存储技术的探讨

汪建平

（中海油能源发展南美区域中心 北京 100027）

引言

众所周知，在我国除了陆地还有海洋还存有大量的天然气资源尚未被开发和利用，它们有些是没有被发现，有些是发现了，但是考虑到技术及经济的原因还没有被开发，比如海上的边际气田，但是随着科学技术的发展，一种针对海上气田开发的FLNG新型模式被创立，它的产生，将大大减少海上天然气田开发的成本（大概能减少1/3）这使原来处于经济效益边缘或者根本没有经济效益的气田也将被列入开发计划中。作为新型的FLNG开发模式，面临的技术挑战有很多，其中一个最主要的技术挑战是液态天然气的存储技术。

1 围护系统介绍

天然气，它的主要成分是甲烷，在常压条件下它的液化温度是-162度，而要存储这种超低温介质，传统材料制成的容器已经无法满足要求，随着科技的发展，目前已经有多种形式的容器可以使用，根据IMO分类，大致可以分为如下几种类型：

（1）自支撑A型舱。

（2）自支撑B型舱。

（3）自支撑C型舱。

（4）薄膜舱。

1.1 自支撑型舱

自支撑型舱相对于船体结构是完全独立的，它的外形不需要与船体的结构形状完全一致，另外，它也不能给船体结构提供支撑力。根据IGC规范和设计压力的不同，它可分成A、B、C三种类型。

（1）A 型舱

A型舱主要由各种平面构成，在蒸汽区，它的最大允许设计压力是0.7barg；仅适合存储常压下完全液化的液货，下面有幅插图1，是存储LPG的液货舱剖视图，它属于自支撑式内部加强多边形舱，在这个舱的周围，需要铺设一层泡沫或花岗岩绝缘，它需要将液货舱与船体之间所有的空隙都填满。

图1

A型舱所需要的材料是不具备抗裂纹扩展的，因此，为了保证万一出现泄漏情况下的安全，对于液化温度低于-10度的介质，它都需要增加第二层储存系统的保护。针对常压下完全液化的LPG（温度低于-55度），第二层存储系统作为船体的一部分必须设计成在指定的最大横倾角下能存储所有第一层液货舱所能存储的量，如图所示，一般都是采用这种方法设计，通过这种方法，船体的部分结构必须使用特殊的能够承受-55度的材料制成，或者采用单独的第二层存储系统将第一次液货舱包围住。根据IGC法规规定，第二层存储系统必须能够存储泄露的介质达到15天的能力。这种类型的液货舱，在第一层与第二层存储舱之间是中空的，假如介质是可燃的，该空间内必须加满惰性气体。

（2）B型舱

B型舱可以是平面型的也可以是球面型的，与A型舱相比，它在设计上需要更多的应力分析，它还必须考虑疲劳寿命和裂纹扩展分析。

大部分B型舱的布置是像下面插图2一样是球形的，这种类型的舱由Kvaerner Moss设计，所以我们也习惯的称之为MOSS型舱，因为安全系数的增加，B型舱的第二层存储系统仅仅需要在第一层第最底部安装一小部分，两层之间的中空部分需要充满惰性气体，然而，如果中空部分装有气体探头，它也可以只是填充干燥气体就可以，在主甲板面上，装有一层拱形的金属保护顶盖住了第一次的存储系统，B型舱几乎只用在LNG舱，很少用于LPG舱。

图2

还有一种B型舱，就是目前有IHI设计的SPB型舱，如图3图4它是由各种平面组成的，它可以完全将整个独立的舱室放在船体的主甲板面以下，而让甲板面保持原来的平整，内胆与的材料是铝合金，外面包有PUF绝缘面板，其最大的在蒸汽空间设计的可承受压力是0.7BAR。

图3

图4

（3）C型舱

C型舱一般是球形或者圆柱形的压力舱，它的设计压力可以高于4BAR，圆柱形的可以水平或者垂直安装。这种类型的液货舱一般都用于气体在半压或者全压状态下，半压设计的液货舱可以用于存储完全液化的气体，这时候，液货舱的材料必须采用能够承受相应低温的性能，C型舱采用传统的压力罐法规进行设计，需要进行准确的应力分析，但是设计强度可以保持在较低水平，C型舱不需要第二层保护系统，与船体间的空间部分可以用惰性气体或者干燥的空气填充，如果是全压式的C型舱，普通的空气就可以。

典型的全压式C型舱（在常温下保存液化气），它的最大工作压力可以是18bar。半压式的C型舱，工作压力一般在5至7bar,最大真空度为0.3bar。

如图5所示，它是C型舱的典型布置，不难看出，该类型的舱对船舱的体积利用率相对较低。

图5

1.2 薄膜舱

薄膜舱是将一层很薄的覆盖层通过绝缘层的支撑形成，它不属于自支撑型舱，目前世界上只有法国的GTT公司拥有此项技术，并在LNG运输船中大量使用，在新建的FLNG中如壳牌的PRELUD FLNG中有使用。目前GTT已经开发出两款产品，NO 96和Mark 3。

（1）GTT NO96

如下图6所示，NO96它在舱室的内表面包有一层薄薄的殷瓦钢，殷瓦钢是一种不锈合金钢，含有约36%的镍和0.2%的碳。覆盖在用在做绝缘材料的用珍珠岩填充的胶合板箱内表面上。这些箱子厚度在200到300毫米之间，箱子的另外一面与第二层的殷瓦钢相接触，同样的第二层殷瓦钢与另外一组相似的作为二次绝缘的珍珠岩填充盒相连。由于殷瓦钢具有非常低的热膨胀系数，所以采用了膜式设计，同样在整个舱室的内表面也不需要设计膨胀节或波纹。NO96系统的新设计采用了0.5米宽的0.7毫米厚的殷瓦钢和内部填充珍珠岩的加强胶合板箱作为绝缘。珍珠岩用硅进行处理，使其具有不渗水特性。通过调节绝缘板箱的厚度可以控制不同的绝缘要求，实现不同的FLNG蒸发率要求。

图6

（2）MARK III

如图7说示，MARK III系统具有1.2毫米厚的不锈钢主要屏障，在表面具有波纹或皱纹，允许膨胀和收缩。在最早的MARK I设计中，支撑初级膜的绝缘体由夹在两个胶合板层之间的层压轻木板组成；胶合板个另外一个表面形成了第二个屏障。轻木木板与专门设计的接头相互连接，该接头由PVC泡沫楔和胶合板痂组成并通过木制基础与船体相连。

图7

2 FLNG围护系统选择

通过对以上几种维护系统的分析，从存储温度上考虑（-162摄氏度），目前适用于FLNG的维护系统包含有如下四种，卡瓦那的MOSS型，C型舱，IHI的SPB型以及GTT的薄膜型。但是它们作为FLNG的维护系统，又各有优缺点，具体对比如下表1：

表1 FLNG围护系统选型对比

据上表的综合对比分析得出：

（1）C型液货舱晃荡影响小，LNG蒸发率小，可国内建造。但其液货舱容积小，舱容利用率低，不适用于中大型的FLNG。因此C型液货舱不适合于本FLNG的围护系统。

（2）MOSS液货舱晃荡影响小，LNG蒸发率小。但其对船体舱容利用率低，上部凸出主甲板，导致主甲板不连续，影响船体的总纵强度。凸出的液货舱部分，不利于上部模块的总体布置，且投资成本高，并且国内未有实船建造经验。因此MOSS球型液货舱不适合于本FLNG的围护系统。

（3）SPB型液货舱对船体舱容利用高；主甲板宽、平坦，利于上部模块总体布置；晃荡影响小；LNG蒸发率低；隔离舱不需加热系统；安装、维修简单。但其液货舱仅能在日本船厂建造，国内没有相应建造经验的船厂；绝缘箱的安装需要经过IHI专门培训及现场指导监督；建造成本高。

（4）薄膜型液货对船体舱容利用率较高；主甲板宽，可利用率高；晃荡小；LNG蒸发率低；国内船厂已有丰富的实船建造经验（GTT NO96薄膜型），见表1；绝缘箱尺寸标准化，可国内制造；建造成本相对较低。但缺点是需设置隔离舱加热装置。

表2 围护系统建造业绩

根据上述关键问题的综合分析，从技术角度选择，薄膜型围护系统和SPB围护系统均可应用于FLNG装置上。但具体采用哪种类型这需要看实际的项目实际分析。

3 薄膜型围护系统和SPB系统在南海使用的挑战

两种维护系统，虽然都有很好的绝缘性，很低的蒸发率，但是在LNG运输船上及在建的几条FLNG上它都有持续的制冷系统在运行，而在我们中国南海，持续的制冷系统并不能保证，因为每年的台风季节，我们的油田设施上是不允许有人的，因此目前的这两个系统是否都能满足我们的使用要求呢？为此，按照IMO标准进行了如下蒸发率BOR计算分析：

可见，在IMO设定的环境条件下，蒸发压力在42小时后达到释放阀设定值，虽然目前两种围护系统的蒸发率SPB 0.15/d,GTT 0.16/d都低于IMO假定值，但是也难以满足南海台风撤离的平均4天的要求，所以台风期间，FLNG将会有大量的气化甲烷通过释放阀泻到大气中，这些气体会在FLNG上空积聚吗？会有爆炸风险吗？为此专门做了模拟分析计算，通过分析计算，能够满足安全要求。

结语

本文主要针对SPB型及薄膜型两种维护系统用于FLNG的优缺点进行了对比，同时也分析并得出了结论在中国南海的特殊使用条件及环境下，两种系统都能满足技术上的及安全上的使用要求，期望对业界同仁有所参考与帮助。