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沈苏雯:从LNG产量看中小型FLNG的开发
发布时间:2015-10-19 18:00:49 | 来源: | 作者:沈苏雯


    随着对液化天然气(LNG)的开发越来越深入,运输LNG或者使用LNG燃料的船舶发展持续渐进,如何开发利用更多LNG资源成为一个值得研究的课题。以美国页岩气革命为例,现在天然气资源的生产和开发十分活跃,如何有效并经济地开发更多的资源,特别是对于目前一些技术上难以着手的油气田进行开发,我们可以把目光着眼于中小型浮式液化天然气储卸船(FLNG)的研发上。

    天然气资源和产量
    
    截止到2015年2月,由于2008年后受到页岩气市场供应量增加的影响,近年来天然气现货价格一直在2.5~3美元/百万英热单位低位徘徊。图中2014年初的高波动是由于冬季东海岸和中西部遭受大寒潮袭击的影响。

    根据预测,到2020年,天然气现货价格将升至4.38美元/百万英热单位,到2030年为6.03美元/百万英热单位,到2040年将达到7.65美元/百万英热单位。

    到2016年,美国将成为LNG纯出口国,到2018年将成为天然气纯出口国。2030年,其LNG出口量将达到巅峰值——约6900万吨,到2040年仍将维持同水准。

    FLNG开发需求

    从中长期来看,天然气资源需求量将持续走高,从全球LNG需求动向来看,发现新的LNG供给源是十分有必要的。以北美为中心的页岩气是十分有力的供给源,而通过浮式液化天然气储卸船(FLNG)开发海洋气田具有广阔的前景。

    全球未开发的油气田大部分位于远离陆地的深海中,且大部分都是283.17亿立方米以下的小规模,以常规手段开发不具备经济性,只得放置。至今为止被开发的海洋油气田基本是中大规模,采用总长超过400 米的超大型船体装载生产能力在2.5百万吨~5百万吨/年的LNG处理设施进行开发。但是,为了开发那些蕴含丰富油气资源的小规模油气田,如果仅仅简单地将大型FLNG小型化,从经济性上来说是不可行的。对这些数量大、规模小、开发困难的油气田,需要安全、高效的中小型FLNG。

    中小型FLNG开发实例 

    日本三井海洋开发(MODEC)受到日本海事协会相关课题的研究支持,推出了中小型FLNG船研发报告。
    MODEC认为,想要开发具有经济性的,适合小规模油气田使用的中小型FLNG船,有以下几个必备的特征:
●以现有船舶为基础改造而来,务必保证大部分造船厂可建造。
●尽量采用并符合现有海工标准。
●在船体所允许的范围内搭载最大处理能力的LNG设施。
●建议采用氮气作为冷媒,使用氮气膨胀方式制冷,提高有限空间内的LNG处理设施的安全性。

    中小型FLNG的设计诉求

    中小型FLNG根据现有船舶进行改造为佳,并调查其是否具备可搭载最少1 百万吨/年处理能力的LNG处理设施的技术可行性;为了提高经济性,可另外建立工程规范要求,确保普通造船厂也有改造的能力,并缩短其在建造时干船坞内的工期。

    采用效率较低而稳定的氮气,替代普遍使用的碳化氢等易燃易爆的混合冷媒,从而最大程度减少船上可燃性物质的储存量,提高安全性,并在工程中采取各种措施提高安全性和建造效率。辅助冷却用的冷冻机选择溴化锂作为冷媒,不采用具有腐蚀性、毒性的氨气。同时,将操作可燃性物质的区域与居住区尽量相互隔离最远距离设置。

    设计上应尽量减少所需设备的数量。由于LNG处理设施结构的多层化,对中小型FLNG船来说,应尽可能将结构空间设计得更紧凑。在船体允许的范围内尽量选择最大容量的处理设备,在提高经济性的同时也应最优先考虑安全性。
    考虑到以上这些设计诉求,方能进行FLNG的基本设计。

    FLNG船体和LNG液舱

    中小型FLNG船体有两种可行的建造方式,一是改造现有船舶,二是专门新建薄膜型FLNG。第二种造价高,对于无法通过改造现有船舶实现且需要较大甲板空间的大型FLNG来说较为合适。不过,这种方式要求造船厂有相应的建造能力,还要视干船坞是否有坞期来定,可能会延迟工期,增加成本。为此,中小型FLNG船的建造方式选择改造现有船舶较为合适。

    用于海洋石油生产的浮式生产储油卸油装置(FPSO)常常由原油船改造而来。同样,想用现有LNG船改造为FLNG船有若干难点需要克服。

    大型LNG船液舱通常采用MOSS型或者薄膜型。采用MOSS型的LNG船,其甲板上没有足够的空间搭载LNG处理设施,很难改造成符合要求的FLNG。薄膜型LNG船为了防止液体晃荡,需要控制液位高度,对于需要应对任意液位的FLNG来说无法满足需求。

    鉴于以上改造的难点,拥有大容量货舱容积的散货船十分符合中小型FLNG船的改造需求;甲板上平面区域较广,适合设置LNG处理设施。而且,选用SPB型LNG液舱较为合适。

    FLNG使用的LNG液化系统

    在LNG处理设施中,制冷的工段是能量消耗最集中的地方,而制冷工段操作的灵活性和有效性直接影响整个液化设施的效率。主低温换热器是制冷工段的核心,也是整个LNG液化设施最重要的换热设备。其作用是将天然气冷却液化到-162℃。

    为改善LNG生产效率,可使用三井海洋开发的LiBro系统,即溴化锂吸收式制冷装置。LiBro系统并不仅仅用于预冷,亦可用于冷却燃气轮机的供气,提高燃气轮机的功率,特别适合用在环境温度较高的热带和亚热带地区。陆地上使用的设备和制冷工艺大多用效率较高的双循环(DMR)和丙烷预冷(C3MR)两种方式,其既适合大型化设备,也具有较好的经济性。

    这种溴化锂吸收式制冷系统使用吸收力很高的液态溴化锂为吸收剂,以水为制冷剂,利用水在高真空状态下沸点变低的特点来制冷。此类制冷机可采用低压水蒸气或者75℃以上的热水为热源,因而对废气、废热、太阳能和低温热能的利用有重要的作用。

    这套系统由发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、换热器、循环泵等几部分组成。基本循环过程为,当溴化锂水溶液在发生器内受到热媒水的加热后,溶液中的水不断气化,溴化锂水溶液的浓度便不断提高,进入吸收器;而水蒸气进入冷凝器,被其中的冷却水降温后凝结,成为高压低温的液态水;当冷凝器内的水通过节流阀进入蒸发器时,急速膨胀而气化,并在气化过程中大量吸收蒸发器内冷媒水的热量,从而达到降温制冷的目的。在此过程中,低温水蒸汽进入吸收器,被吸收器内的溴化锂水溶液吸收,溶液浓度逐步降低,再由循环泵送回发生器,完成整个循环。

    如此,FLNG全船的发电机、燃气轮机的废热废气都可被LiBro系统利用。这类溴化锂吸收式制冷机在陆地上多用于集中式冷气设备,目前使用数量已超过10000组以上,使用寿命在20年以上。

    不过,这种系统虽然在陆地上有广泛的应用,然而迄今为止几乎没有在船上应用的实例,因此三井海洋开发对溴化锂吸收式制冷机系统进行了改良,使得设备即使受到影响,在颠簸的船舶上也不会影响性能。而且溴化锂对人体无害,安全性较高。

    当LNG液化系统使用的冷媒是诸如甲烷、乙烷、丙烷等易燃易爆气体时,为了防止发生火灾时蔓延、连锁爆炸等危害,含有这些高压冷媒的设备模块之间需保持尽可能远的距离,因此甲板空间要够大。LiBro系统的FLNG船采用的冷媒是不可燃的氮气,并且无毒。而且LiBro系统本身使用的冷媒溴化锂溶液也是不可燃且无毒的。因此,只要区分可燃气体区域和不可燃气体区域,即可确保居住区等区域的安全性。


 
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