浮式液化天然气生产储卸平台中海油讲稿

浮式液化天然气生产储卸平台中海油讲稿第1页/共76页FPSO

（2-LPG）LPGFPSO[除了OIL的FPSO外，CHEVRONTEXACO在日本造了13.5万立方米的LPG的FPSO，SANHA，这种类型的FPSO是世界第一条，该FPSO接LPG后会直接加工成丙烷和丁烷，2004年建造完成，2005年投入使用。]第2页/共76页FPSO

（3-LNG）LNGFPSO[ABB公司LNGFPSO效果图。]第3页/共76页LNGFPSO的优点集液化天然气的生产、储存与卸载于一身，简化了边际气田的开发过程。建造周期短、投资低、投产快、高效益，便于迁移、可重复使用等优点。第4页/共76页LNG简介LNG是气田开采出来的天然气，经过脱水、脱酸性气和重质烃类，然后压缩、膨胀、液化而成。LNG为-160℃的超低温液体，气化至常温、常压有约840kJ/kg冷能放出，LNG接受终端的冷能可用于空气分离、冷能发电、冷冻仓库等。液化后的LNG，其体积只有液化前的1/600。第5页/共76页LNG是清洁高效能源天然气在联合循环发电利用中，热能利用率可达55%，高于原油和煤的热能利用率，1立方米天然气热值约为9300千卡｡液化天然气是安全能源，着火温度高，自燃温度约为590℃，而且不含一氧化碳，不会引起一氧化碳中毒，比空气轻，如有泄漏易于扩散｡液化天然气价格稳定，受油价波动影响小，有利于国民经济长期稳定发展，与轻柴油、液化石油气相比，便宜了20%-30%｡液化天然气不仅点火方便，火焰稳定，容易控制，而且气化后采用管道供气，和燃料油、罐装液化石油相比无需仓储，搬运｡第6页/共76页LNG用途LNG主要用途是发电、城市燃气和工业及汽车燃料｡作为工业燃料，它可用于造纸、冶金、采石等行业；作为汽车燃气，它是环保型能源｡

。LNG已经成为全球新建电厂的主要能源｡与此同时，“优先使用天然气，限制煤制气，合理使用液化石油气”是国家有关部门对城市燃气发展的基本政策｡第7页/共76页LNG生产能力及前景预测LNG生产能力增长及其前景预测第8页/共76页中国能源消费结构变化趋势预测

年份能源消费总量[Mt标准煤]煤炭[%]石油[%]天然气[%]一次电力[%]2000(实际)1280.006723.62.56.920051434.1564244.67.420101617.1561.225.25.6820151841.505726.58.28.320202119.6554279.89.2第9页/共76页海洋天然气分布第10页/共76页海洋天然气概貌海底天然气储量约140万亿立方米，约占天然气总量的45%｡目前，海上油气开采量约占全球油气开采量的30%｡海洋天然气的勘探开发，发展速度很快｡海底天然气资源勘探开发状况｡海底天然气资源勘探从1887年美国在加利福尼亚沿海打第一口探井算起，至今已有一百多年的历史随着海洋天然气产业的快速发展，海洋天然气将日益成为我国天然气增量的重要来源｡2004年，我国海洋天然气产量58亿立方米，比2003年增长32.5%｡例如，广东省海洋油气业产值已占全国海洋油气业产值的49.6%，居全国首位｡第11页/共76页LNG流程天然气液化流程据制冷方式不同可分为：级联式循环混合制冷剂循环膨胀机循环流程第12页/共76页级联式流程串联蒸发冷凝液化流程

第13页/共76页级联式流程特点优点是：①能耗低；②制冷剂为纯物质，无配比问题；③技术成熟，操作稳定｡缺点是：①机组多，流程复杂；②附属设备多，要有专门生产和储存多种制冷剂的设备；③管道与控制系统复杂，维护不便｡

第14页/共76页混合制冷剂液化流程

1934年，美国的波特北尼克提出了混合制冷剂液化流程(MRC)的概念｡之后法国Tecknip公司的佩雷特，详细描述了混合制冷剂液化流程用于天然气液化的工艺过程｡MRC是以C1至C5的碳氢化合物及N2等五种以上的多组分混合制冷剂为工质，进行逐级冷凝、蒸发、节流膨胀得到不同温度水平的制冷量，以达到逐步冷却和液化天然气的目的｡MRC既达到类似级联式液化流程的目的，又克服了其系统复杂的缺点｡

第15页/共76页MRC特点优点是：①机组设备少、流程简单、投资省，投资费用比经典级联式液化流程约低15%~20%；②管理方便；③混合制冷剂组分可以部分或全部从天然气本身提取与补充｡缺点是：①能耗较高，比级联式液化流程高10%~20%左右；②混合制冷剂的合理配比较为困难；③流程计算须提供各组分可靠的平衡数据与物性参数，计算困难｡第16页/共76页MRC流程原理（闭式）闭式混合制冷剂液化流程：制冷剂循环和天然气液化过程分开，自成一个独立的制冷循环｡第17页/共76页MRC流程原理（开式）开式混合制冷剂液化流程：天然气既是制冷剂又是需要液化的对象｡丙烷预冷混合制冷剂液化流程：结合了级联式液化流程和混合制冷剂液化流程的优点，流程既高效又简单｡目前世界上80%以上的基本负荷型天然气液化装置中，采用了丙烷预冷混合制冷剂液化流程｡整体结合式级联型液化流程(IntegralIncorporatedCascade)，简称为CII液化流程。CII流程精简、设备少｡

第18页/共76页MRC流程原理（CII）1、6、7、13－气液分离器

2－低压压缩机

3、5－冷却器4－高压压缩机

8－分馏塔

9,10,11－节流阀

12－冷箱第19页/共76页带膨胀机的液化流程

带膨胀机液化流程(Expander-Cycle)，是指利用高压制冷剂通过透平膨胀机绝热膨胀的克劳德循环制冷实现天然气液化的流程｡气体在膨胀机中膨胀降温的同时，能输出功，可用于驱动流程中的压缩机｡当管路输来的进入装置的原料气与离开液化装置的商品气有“自由”压差时，液化过程就可能不要“从外界”加入能量，而是靠“自由”压差通过膨胀机制冷，使进入装置的天然气液化｡流程的关键设备是透平膨胀机｡

第20页/共76页EXPANDERCYCLE优点是：①流程简单、调节灵活、工作可靠、易起动、易操作、维护方便；②用天然气本身为工质时，省去专门生产、运输、储存冷冻剂的费用｡缺点是：①送入装置的气流须全部深度干燥；②回流压力低，换热面积大，设备金属投入量大；③受低压用户多少的限制；④液化率低，如再循环，则在增加循环压缩机后，功耗大大增加｡。第21页/共76页膨胀机循环适用：根据制冷剂的不同，可分为氮气膨胀液化流程和天然气膨胀液化流程｡由于带膨胀机的液化流程操作比较简单，投资适中，特别适用于液化能力较小的调峰型天然气液化装置｡第22页/共76页天然气膨胀液化流程

第23页/共76页天然气膨胀机循环利用高压天然气在膨胀机中绝热膨胀到输出管道压力而使天然气液化的流程｡流程的最突出优点是它的功耗小、只对需液化的那部分天然气脱除杂质，因而预处理的天然气量可大为减少(约占气量的20%~35%)｡液化流程不能获得像氮气膨胀液化流程那样低的温度、循环气量大、液化率低｡膨胀机的工作性能受原料气压力和组成变化的影响较大，对系统的安全性要求较高｡第24页/共76页氮气膨胀液化流程第25页/共76页氮气膨胀液化流程特点氮气膨胀液化流程(N2Cycle)较为简化、紧凑，造价略低｡起动快，热态起动1~2小时即可获得满负荷产品，运行灵活，适应性强，易于操作和控制，安全性好，放空不会引起火灾或爆炸危险｡制冷剂采用单组分气体｡但其能耗要比混合制冷剂液化流程高40%左右｡第26页/共76页氮-甲烷膨胀液化流程特点为了降低膨胀机的功耗，采用N2-CH4混合气体代替纯N2，发展了N2-CH4膨胀液化流程｡与混合制冷剂液化流程相比较，氮-甲烷膨胀液化流程具有起动时间短、流程简单、控制容易、混合制冷剂测定及计算方便等优点｡由于缩小了冷端换热温差，它比纯氮膨胀液化流程节省10%~20%的动力消耗｡第27页/共76页氮-甲烷膨胀液化流程图1-预处理装置

2/4/5-换热器

3-重烃分离器

6-透平膨胀机

7-制动压缩机8/9-水冷却器

10-循环压缩机

11-储罐

12-预热器

13-压缩机第28页/共76页带丙烷预冷的

天然气膨胀液化流程图第29页/共76页液化流程能耗比较液化流程能耗比较级联式液化流程1单级混合制冷剂液化流程1.25丙烷预冷的单级混合制冷剂液化流程1.15多级混合制冷剂液化流程1.05单级膨胀机液化流程2.00丙烷预冷的单级膨胀机液化流程1.70两级膨胀机液化流程1.70第30页/共76页液化循环特性比较指标级联式MRC膨胀机技术成熟是是是总空间要求大*大*小制冷剂储存灾害有有无对船运动敏感性中中低操作简单性中低高开停方便中低高进气改变适应性高中**高效率高中低复杂程度高中低换热器类型小大小换热面积小大小适应性高中高总投资高高/中低*需要储存烃制冷剂；**需要调整制冷剂组成｡第31页/共76页浮式液化天然气生产储卸平台的液化装置

LNGＦＰＳＯ第32页/共76页ＬＮＧＦＰＳＯ基本要求天然气液化装置是LNGFPSO的关键技术，直接影响到整个平台运行的安全性和经济性｡海上作业的特殊环境对液化装置提出了如下要求：①装置的流程简单，设备布置紧凑，占地少，满足海上的安装需要；②液化装置有制取制冷剂的能力，对不同产地的天然气适应性强，热效率较高；③安全可靠，船体的运动不会显着地影响其性能｡第33页/共76页ＬＮＧＦＰＳＯ液化装置单一混合制冷剂液化循环流程图第34页/共76页单一混合制冷剂循环液化装置第35页/共76页ＬＮＧＦＰＳＯ装置特点美孚石油公司浮式液化天然气装置：消除了丙烷储存可能带来的危害｡该流程以板翅式换热器组成的冷箱为主换热器，结构紧凑，性能稳定｡出于安全性的考虑，BHP石油公司采用改进的氮膨胀液化循环作为浮式液化天然气装置的液化流程｡氮膨胀循环以氮气取代了常用的烃混合物作为制冷剂，安全可靠，流程简单，设备安装的空间要求低，缺点是能耗较高｡第36页/共76页ＬＮＧＦＰＳＯ预处理装置充分考虑波浪引起的船体运动对设备性能可能产生的不良影响｡由于填料塔工作性能稳定，酸气脱除模块中的吸收塔和再生塔。应优先选择填料塔，分配器的类型和塔径也要合理选择，以保证工质在填料中的合理分配｡天然气中二氧化碳体积浓度高于2%时，可考虑采用胺洗和膜吸附相结合的酸气脱除系统｡液化及分馏模块中的蒸馏塔的直径和高度，由于远小于吸收塔和再生塔，对塔盘、堰板进行改进后，可以选用塔盘塔｡需要注意的是，固定不变的倾斜，无论对填料塔还是塔盘塔都将产生不良影响，因此压载系统必须保证浮式液化天然气装置的平稳｡第37页/共76页LNGFPSO装置设备选择设备在浮动液化天然气装置流程选择中起着重要的作用，因为它对船的尺寸也有很大影响｡燃气透平的尺寸和重量差别很大｡由于气体诱导式燃气透平比一般工业用透平机更加紧凑，为此，比较适合用于驱动流程的压缩机中｡例如，Rolls-Royce的双轴气体诱导式燃气透平的输出功和效率均高于26MW的Frame5型普通双轴透平，可用于产量为0.75Mt/a的膨胀机循环液化天然气装置｡第38页/共76页LNGFPSO流程选择设计公司LNGFPSO流程时间备注ABBLummusGlobal双膨胀机流程2005ABS批准。采用Niche公司卸货装置。储液系统由IHI公司设计。挪威公司膨胀机流程2005-3-15LNGEXPRESSMerlinProductionInc双膨胀机流程2002合作方：Costain油气工艺公司、MossMaritimeAS公司BHP/Linde改进的双氮膨胀机流程2000s在印尼帝汶海域Bayu-Undan气田采用Costain油气工艺公司双膨胀机流程1990s与ThreeQuaysMarineSerices合作FosterWheelerPetroleum公司膨胀机流程1980s可行性论证Costain/DavidBrown-Vosper

带机械制冷的氮膨胀机循环1980s北海海上液化天然气装置第39页/共76页offersadvantagesovertraditionalliquidrefrigerantprocessesverysimplecyclelowerinherentefficiencyforsimplecycles(single-expander)单一膨胀机循环第40页/共76页膨胀机循环LNGFPSO膨胀机循环除了紧凑和安全外，其制冷剂始终保持气相、冷箱小、无需分馏塔、对船运动的敏感性低等特点｡几乎在所有指标上，膨胀机循环均优于级联式循环和混合制冷剂循环｡虽然较早的海上装置采用了一些其它循环形式，如美孚石油公司浮式液化天然气装置的液化流程设计采用了单级混合制冷剂液化循环，但采用膨胀机循环在近期正在成为共识｡第41页/共76页液化装置关键设备预处理设备膨胀机压缩机换热器第42页/共76页预处理设备（脱水）第43页/共76页透平膨胀机结构简图1,7.蜗壳2.喷嘴3.膨胀轮4.扩压器5.主轴6.压缩机叶轮8.端盖9.测速器10.轴承座11.机体12.中间体13.密封装置第44页/共76页透平膨胀机膨胀机是天然气液化装置中获取冷量的关键设备。透平膨胀机是一种低温制冷设备，通过带压气体吹动转子对外做功从而实现制冷。膨胀机原理：是一种高速旋转的热力机械。根据能量转换和守恒定律，气体在透平膨胀机中进行绝热膨胀时，对外做功，能量降低，产生一定的焓降，使气体本身温度下降。为气体的液化创造条件。透平膨胀机实际上是离心压缩机的反向作用，离心压缩机是由电动机驱动，是气体的压力上升，需要消耗动力。透平膨胀机是利用高压气体膨胀时产生的高速气流，冲击透平膨胀机的工作叶轮，叶轮产生高速旋转。第45页/共76页国产带液透平膨胀机设备参数代号CL509CL505CL510CL512CL513型

号LTQ-6250LTQ-2000LTQ-20000-1LTQ-20000-2LTQ-20000-3原料气处理[10000Nm³/d]15±30%50±20%50±20%50±20%50±10%原料气进装置压力[MPa]0.524.0213.4783.920.292原料气分子量2620202020透平膨胀机代号PT510PT504PT513PT504PT515型号PLPT-78/13-7PLPT-300/39-14PLPT-300/33-13PLPT-300/19-14PLPT-250/37-13进口压力[MPa]1.7653.7253.653.7253.48出口压力[MPa]0.3921.471.251.471.38进口温度[℃]-53-53-45-53-50出口温度[℃]-97.5-90-79-90-85增压机进口压力[MPa]0.3421.411.171.141.32出口压力[MPa]0.4351.731.561.731.6进口温度[℃]3635353534干气外输压力[MPa]0.3921.5770.31.471.272第46页/共76页天然气压缩机第47页/共76页撬装型天然气压缩机及运输车NC5240TYJ型第48页/共76页换热器板翅式换热器绕管式换热器第49页/共76页

板翅式换热器结构图第50页/共76页

板翅式换热器成品图第51页/共76页绕管式换热器第52页/共76页预处理天然气在液化之前，对原料气必须进行预处理。预处理是指脱除天然气中的硫化氢、二氧化碳、水分、重烃和汞等杂质，以免这些杂质腐蚀设备及在低温状态下产生冻结而堵塞阀门和管道。LNGFPSO的天然气是直接从气井中出来的气体，其杂质含量将更高，在考虑预处理的工艺方案时需要特别加以注意。

。第53页/共76页脱水常用的天然气脱水方法有冷凝法、吸收法和吸附法等。吸收脱水是用吸湿性液体或活性固体吸收脱除气流中的水蒸气。甘醇法适用于大型天然气液化装置原料气脱水。吸附脱水可使水的体积分数降至1×10-6m³/m³以下；吸附法对气温、流速、压力等变化不敏感；相比之下没有腐蚀、形成泡沫等问题；适合于少量气体的廉价脱水过程。吸附法脱水一般适用于小流量气体的脱水。在某些情况下，特别是在气体流量、温度、压力变化频繁的情况下，由于吸附法脱水适应性好，操作灵活，而且可保证脱水后的气体中无液体，所以成本虽高，仍应采用吸附法脱水。LNGFPSO的原料气脱水宜采用分子筛类的固体干燥剂。第54页/共76页脱酸酸性气体:硫化氢、二氧化碳和硫碳。腐蚀金属，或结晶堵塞管道。脱硫法主要有吸收法、吸附法和膜分离法。酸性气体的含量较高时，宜采用液胺吸收法。如果对处理后硫含量要求比较严格时，用分子筛吸附更为经济有效。对于LNGFPSO装置，吸附法脱酸，在设备数量和占用空间、脱水露点和净化度等方面都具有很大的优越性。第55页/共76页脱汞等在天然气中，除了前面所述的水和酸性气体以外，还有汞、重烃等一些杂质。汞的存在会严重腐蚀铝制设备。可利用汞与硫在催化反应器中的反应脱除汞。在高的流速下，可脱除含量低于0.001μg/m³的汞。重烃常指C5+的烃类。如果未把重烃先分离掉，或在冷凝后分离掉，则重烃可能冻结堵塞设备。采用吸附剂不可能使重烃的含量降低到所要求的很低浓度，余下的重烃通常在低温区中的一个或多个分离器中除去。

第56页/共76页吸附剂的选择

分子筛与活性氧化铝和硅胶相比，具有以下显著优点：吸附选择性强，只吸附临界直径比分子筛孔径小的分子；另外对极性分子也具有高度选择性，能牢牢地吸附住这些分子。脱水用分子筛如4A分子筛，它不吸附重烃，从而避免因吸附重烃而使吸附剂失效。用硅胶或活性氧化铝进行脱水时，由于共吸附天然气中的重烃，操作寿命一般比较短，而且脱水的深度也受到限制。具有高效吸附性能，在相对湿度或分压很低时，仍保持相当高的吸附容量，特别适用于深度干燥。吸附水时，同时可以进一步脱除残余酸性气体。不易受液态水的损害。第57页/共76页液化天然气储存系统

距离/km液化天然气运输船容量/103m³FPSO储槽容量/103m³3218819540239811548271161355632134156浮式液化天然气生产装置的储存容量第58页/共76页LNGFPSO储罐浮式液化天然气装置LNG储槽型式有如下选择：①钢质壳体和MOSS球型储槽；②混凝土壳体和MOSS球型储槽；③钢质壳体和自支持棱柱型储槽；④混凝土壳体和薄膜储槽｡第59页/共76页LNG储罐形式现有的LNGFPSO储槽主要有两种型式；自支承型和薄膜型。自支承型中又分A型和B型，其中A型为菱形结构，亦称为IHISPB。设置有完整的辅助防泄漏隔层，以预防所有液货全部漏出，该专利属于日本IHI公司。B型为球形结构，设置有部分的辅助防泄漏隔层，以预防少量的液货泄漏，该专利属于KVANERNERMOSS公司。目前大多数LNGFPSO储槽主要采用薄膜型液舱和球型液舱，菱形液舱相对较少。在运营的LNG运输船舶中，约有45%的LNGFPSO储槽采用了薄膜型液舱。第60页/共76页LNGFPSO储槽液舱系统分类第61页/共76页球型液舱（MossTank）特点独立于船体，不容易被损坏。液舱系统可以分开制造，使建造周期缩短。球形结构使液面晃动效应小。液舱可承受一定的压力（0.2MPa）。在卸货泵失灵情况下，用压力输送也有可能卸货。装卸阶段如发生紧急情况，随时都可离港。风阻面积比较大。第62页/共76页球型液舱（MossTank）

第63页/共76页薄膜型液舱(Membranetank)特点舱体结构紧凑、形状灵活、液舱有效容量大；完全的双层舱体，安全性高、强度好；风力影响面小，操作性能好甲板平坦，能见度好；薄膜型液舱用（0.7～1.2）mm的不锈钢或殷钢制作，殷钢是一种高镍合金，热膨胀系数非常低。第64页/共76页薄膜型液舱（Membranetank）

第65页/共76页棱形液舱（SPB型）SPB型LNGFPSO储槽外形及液舱剖面图1－底部支承

2－旁通孔

3－绝热层

4－水平辆

5－压载水舱

6－防浮楔7－甲板

8－防滚楔

9－甲板横梁

10－中间隔壁

11－防晃隔板第66页/共76页菱形液舱用铝合金或9%Ni钢制造，外面覆盖（PUF）绝热材料，并由液舱的支撑件和用特殊方法增强层压板做成的木楔垫块支承。液舱由密封壁和缓冲壁从中心分成4个空间。货舱内液体的自振频率可远离舱运动的自振频率，可消除液体和舱体运动产生共振的可能性。因此液体表面处于任何液位高度都不会产生晃荡。由于其是硬板结构的特点，液舱内外的强度相同。第67页/共76页液化天然气卸货操作LNGFPSO卸货方式：并排卸货和串联卸货｡并排卸货适用于平静的海域，LNG运输船与FPSO并排泊在一起，利用卸货臂进行卸货作业｡极限平均波高可达2.5m｡串联卸货方式则是采用动态定位装置控制LNG运输船首部管汇，与FPSO装置尾部的距离在容许工作范围以内，从而避免了停泊和卸货作业中可能出现的危险｡采用串联卸货方式，可在较为恶劣的海况条件下进行卸货作业，极限平均波高可达4.5m｡第68页/共76页总体布局总体布局既要保证液化流程的紧凑、高效，又要考虑火炬辐射对设备的影响、液化天然气储槽的安全性以及系泊系统、卸货系统的可靠性等诸多问题｡日本拥有建造液化天然气运输船的丰富经验，在此基础上，日本国家石油公司开发了采用MOSS储槽的浮式液化天然气生产装置--单点系泊方式｡基于安全性和可靠性的考虑，美孚石油公司开发了具有驳舱外形的浮式液化天然气生产装置：主体呈矩形，在混凝土主体外布置有四个互相联结的驳舱，从而加强了稳定性｡模型经海浪实验表明，驳舱的横摇在一般海况下小于1°，风暴中小于3°，百年一遇的澳大利亚西北海域台风情况下也不会超过6°，可以确保该装置在环境恶劣的海域进行生产作业｡第69页/共76页LNGFPSO总体布局第70页/共76页系泊装置第71页/共76页LNGFPSO布局要求充分利用系统的余热，整个生产过程不要采用明火加热器，提高热利用效率，降低二氧化碳泄漏，提高了装置的安全性｡拥有零配件仓库和维修站｡标准化的设备降低了对零配件和维修的要求，一旦出现故障，维修人员可立即进行维修，不再需要等待直升机运送零配件。压载系统:避免横摇和纵摇，这对液化天然气的卸货非常有利｡卸货作业完全避免了风向的影响｡第72页/共76页结语我国海域辽阔，总面积达470×104km2，已探明天然气资源量14×1012m³，占全国天然气总资源量的29%～42%。目前，已陆续发现并开发了崖1321、东方121和平湖等气田。但是，由于受到目前海上勘探、开发技术的限制，我国海上天然气资源的探明储量偏低，已经探明的一些边际气田也由于常规的开采方案投资大、风险高、收益低，迟迟得不到开发。LNGFPSO平台作为一项技术可行、经济效益显着的新型气田开发技术，具有投资低、建造周期短、可重复使用的优点。采用浮式液化天然气生产储卸平台可以有效回收我国边际气田天然气资源，对缓解沿海经济发达地区的能源紧张状况，促进经济发展，解决日趋严重的环境污染问题具有极为重要的现实意义。第73页/共76页参考文献朱刚,顾安忠.用于边际气田开发的浮式液化天然气生产储卸平台[J].天然气工业,2000,04：96-98+12.朱刚,顾安忠.新型液化天然气浮式生产储卸装置[J].中国海上油气(工程),2000,06：7-10+4.林文胜,顾安忠,朱刚.天然气液化装置的流程选择[J].真空与低温,2001,02：43-47.Wadahl,Anders;Christiansen,Per,LNGFPSOBasedonSphericalTanksProceedingsoftheAnnualOffshoreTechnologyConference,2002,p925