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浮式储存气化装置解脱分析

作者:彭延建 毕晓星 周巍 文章来源:中国水运杂志 日期:2015年09月25日

摘 要:通过对货物维护系统及气化设施在较大的船舶晃动下是否能正常运行、高压气体外输臂是否解脱、低温和海冰的影响三个主要风险的辨识,分析得到FSRU存在中断供气的可能,并给出了解脱概率的估计。提出了极端环境条件下应急预案应包括的主要内容,如决策依据、作业流程等,以及可能存在的风险因素,为作业者和监管者制定行之有效的安全作业标准和应急预案提供参考。

关键词:浮式存储气化装置 LNG 紧急解脱 应急预案

浮式存储气化装置(FSRU)方案灵活,船舶可在国际市场上租赁得到,相比陆上传统LNG接收站,缩短了建设周期,可以实现向下游的快速供气。然而,相比陆上常规LNG接收站,由于其自身的浮体属性,在发生极端天气工况时,FSRU必须紧急关停或解脱离港。

国外针对FSRU或LNG船舶的紧急解脱程序,主要还是由接收站制定,是操作手册的重要内容之一。Yoneda S et al 对于发生海啸时,操作手册只针对在港系泊船舶的紧急离泊有规定的情况,通过仿真模拟,研究了考虑航行船舶的紧急撤离,研究结果显示在海啸发生时所有船只通过友岛航道撤离大阪湾存在困难,建议可撤离至最近的锚地。Kobayashi et al 用定量计算方法研究了LNG船的紧急离泊,但是计算中没有考虑在LNG船在紧急离泊过程中可能发生的不确定性,例如LNG船保持需要的航行速度可能面临的困难。日本相关指南规定,船舶收到台风预警时,必须紧急离港,但是并没有对锚泊地点等作出具体的规定,缺少可执行程序,Pitana T & Kobayashi E针对大阪港水域船舶交通流密集、船舶紧急离泊时间必然受影响的情况,提出了适合该水域船舶紧急解脱的程序,并对该程序进行了评估,考虑了多个可能场景,用离散事件模拟手段,得到了多个场景的离泊时间预测。

由于浮式LNG项目在国内刚刚起步,尚无经验积累,针对FSRU的作业规范和应急措施在国内仍处于空白阶段。对于LNG运输船,国内的研究一般采用航海模拟器手段,模拟实验的过程基本只涵盖靠离泊阶段,研究的是靠离泊阶段风、浪、流的限制条件,缺失与正常生产操作阶段的统筹规划。目前针对FSRU的作业标准和监管,基本还是视同LNG运输船。FSRU长期靠系泊在码头,区别于LNG运输船的短期系泊,并且由于FSRU承担着LNG气化和天然气输送、保障民生用气的任务,作业者需要审慎确定FSRU的作业条件标准和应急关停、解脱程序,最大程度的减少FSRU应急解脱对生产和供气的影响。同时,对监管部门来讲,无论是LNG运输船从进港、作业到出港的短线监管,还是FSRU长时间气化外输作业的长线监管,都迫切需要研究制定出一套行之有效的安全作业标准和应急预案。

工程概况

天津浮式LNG项目位于天津港南疆港区,其一期工程通过浮式存储气化装置(FSRU)实现向天津市供气,是国内首座浮式LNG接收终端项目。2013年底,“安海角”轮(GDF SUEZ CAPE ANN)靠泊天津港南疆南浮式LNG接收站码头。该FSRU 原为一条LNGRV,即具备自航及海上固定单点系泊能力的LNG船,由蒸汽透平推进,可通过船中部的高压管汇或船首部连接海上浮筒的内转塔装置将气化天然气输送上岸。

解脱风险辨识

FSRU关键工艺设备及实施采用冗余设计,系统控制方案可靠,因此,在正常的环境条件下,FSRU可实现连续供气。但是,当出现恶劣的环境条件时,以下几个因素可能会影响供气的连续性:①FSRU上货物维护系统及气化设施等工艺设备在较大的船舶晃动情况下是否能照常运行;②为防止发生泄漏,高压气体外输臂是否需紧急解脱。该连接设备类似于LNG运输卸料臂,可将天然气的外输也看作LNG码头的装卸作业;③低温和海冰影响。

下面对以上因素进行辨别,以分析对作业条件要求最为苛刻的因素。

1、货物维护系统及工艺设备作业条件分析

该FSRU原设计应用地点在外海,采用单点系泊进行气化作业。在设计时FSRU货物围护系统均采用了加强型绝缘箱,可承受生存海况设计条件下的晃荡载荷。与本项目目前海况条件相比,外海的海况要恶劣的多。尽管在航行条件下,LNG货舱液位要求不能在10~70%之间,但是在实际的气化作业条件下,如遇到恶劣海况,从工艺操作上可通过货舱泵对LNG货舱液位进行调整,以避开危险货舱液位范围。而FSRU的关键设备主要为泵、压缩机和气化器,泵和压缩机属于高速旋转设备,受本体运动的影响小,而且在海上有许多应用业绩,从海上应用情况看,船舶晃荡对压缩机和泵的性能影响不大。FSRU上气化器有两种形式,板式换热器和管壳式换热器,其中板式换热器流道狭窄,受粘性作用大,对惯性运动的敏感性低,在海上应用影响较小。管壳式换热器内是乙二醇水溶液与超临界LNG换热,没有气液两相共存的情况,对晃荡也并不敏感。因此, FSRU船上工艺设备对海况作业环境适应很强。故货物维护系统及工艺设备对气象和海况条件的要求在上述4个因素中最为宽松。

2、高压气体外输臂作业条件分析

参考国际同类项目高压气体外输臂运行经验,其连接工况下的作业条件为风速≤22.5m/s(九级风),即风速>22.5m/s时高压气体外输臂应断开。

图1 高压气体外输臂

断开连接的情况如下:在船侧的阀和臂侧的阀都关断。然后臂被泄压然后断开。假如臂上的紧急释放阀关闭,信号发送到FSRU,邻近高压法兰的阀门关闭。一旦这个阀门关闭后紧急放空开始,压力减小,释放阀是安装在臂上。一旦压力被释放后,耦合器自动打开,臂与船断开连接。

但是该连接设备类似于LNG卸料臂,可将天然气的外输也看作LNG码头的装卸作业;相对于LNG外输的码头作业条件,高压气体外输臂本身具有更高的耐波性。但是,当FSRU如果不能满足系泊条件而须离泊时,高压气体外输臂势必要解脱。

工程位于渤海湾的西北侧,渤海的气象状况具有季节分明、变化显著的特征。造成本区的大风天气过程主要是冬、春季的寒潮和夏、秋季的台风(含热带风暴),寒潮大风较为频繁,台风(含热带风暴)大风出现频率较小。历史上曾出现过的最大风速(10min)为26.5m/s,风向为E向,出现于1971年6月26日,即意味着FSRU存在中断对外供气的可能。又根据1996~2005年每日24次风速、风向观测资料进行统计,每年出现风速大于七级风的概率仅为0.7%,FSRU离泊及高压气体外输臂解脱的可能性很小。

3、低温和海冰影响

2010 年1 月,中国大部分地区受寒潮影响。渤海和黄海北部在冷空气影响下,遭遇的近30年以来最为严重的冰冻灾害,海面结冰面积达3.6 万平方公里,辽东湾、渤海湾、莱州湾浮冰范围25-30 海里。一些重要港口如潍坊港、东营港、秦皇岛港等悉数被海冰包围,最厚冰层达60 厘米,堆积高度可达2 米。沿海绝大部分近海捕捞业船只停航,存在部分船只被冰冻损坏的情况。

本项目FSRU作业码头吃水15m,水体交换量较大,极端低温时码头水域发生冰冻的概率相对而言较低。如果FSRU处于相对平静的港湾,即便发生冰封,自然形成的海冰对船体结构一般不会造成破坏。由于FSRU非航行船舶,固定系泊在码头,极端低温对于船体结构的影响是有限的,主要需要关注的是极端低温对于船用系统的影响。这些影响包括:①码头系泊用的绞车、钢缆(或尼龙绳)上发生严重结冰;②受海冰堵塞海水门的影响,FSRU海水系统(包括压载、海水冷却、消防系统)不能正常工作;③受低温影响的所有轮机设备、管线、阀件,如:露天甲板设备、LNG货物系统、气化系统、燃油系统、舱室通风系统、消防系统、疏排水系统等;④额外加装的加热/防冻装置、露天电缆护套、除冰工具等;⑤船用电力负荷增加。

低温对本FSRU船体的影响不大, "安海角"轮经常在较低的环境温度下运行,有些地方比天津港还要冷。低环境温度对船体的主要影响是裂缝的生长,但这种影响体现在FSRU的整个生命周期中,而不是在天津港这段时间;对于船舶系统,因为其在轮机舱内,有蒸汽系统加热到正常工作温度,不会受影响;气化系统可在低至-15℃下运行;电力负荷会有略微增加,但增加的很小,可以忽略。

应急预案

极端环境条件下紧急解脱的措施应作为应急预案考虑,并充分评估以下工作:①紧急解脱决策依据。一般相对准确的台风预警时间为24小时以内。24小时以上的台风路线预报存在较大偏差,不宜作为FSRU紧急解脱决策的依据;②紧急解脱作业流程(包括:码头解缆、拖航、避风锚地抛锚)。

出现极端低温和冰冻时,FSRU不能正常得到来自LNG船的加气补充,而此时往往又是用气量的高峰。同时,FSRU自身的船用系统将出现因冰冻而引发的系列问题,恢复正常使用状态需要一定时间。必须对FSRU配备防冰装置,主要防冰装置包括:①全封闭驾驶室;②生活楼入口区域局部凹入并采用加热措施;③左右集管区设置保护室;④甲板涂防滑漆;⑤系泊绞车设滑油加热装置;⑥露天甲板设置用于除冰的蒸汽加热枪;⑦机舱进风口设加热装置。

作为更保守的预案,可在极端天气条件下考虑守护船待命,如果发生极端低温天气,由拖轮绕FSRU航行,阻止周围水体结冰。

FSRU 应布置逃生船。逃生船应为全封闭的自由脱离类型。逃生船的吊柱应放在FSRU 传的船尾。吊船柱是一个可以容纳12 人的救援船快速下水,救援船应该以柴油为动力,在承载12 人的条件下,最低航速为25 节。船上应为船上人员配备救生设备,例如救生衣、救生圈、救生绳索投掷器、救生弹等,所有救生身背都应放在专门的安全柜内。

如果FSRU或码头遇到有可能发展成危险事故的紧急情况时,最重要的一点是,FSRU上的全体船员和码头上的操作工人都能够正确的知晓和熟练的执行事先演练的应急程序,以保证人身安全和资产不受损害。

结论与建议

影响FSRU正常供气的主要因素是FSRU货物维护系统及工艺设备可靠性、高压外输臂连接条件、低温和海冰影响。

根据对FSRU货物维护系统及工艺设备可靠性、高压外输臂连接条件、低温和海冰影响的分析,高压外输臂的连接条件是控制因素,低温的影响风险程度较低。

FSRU存在解脱的可能性,在发生台风等极端环境条件时,FSRU应紧急解脱,以避免可能发生的风险。

但是紧急解脱作业本身也存在风险,如:台风预警时间过短,FSRU移位操作时间紧张;拖航过程中与其他船只碰撞;抛锚不畅(FSRU平时没有条件进行抛锚演习作业,船上自带的锚泊系统长期不使用);抛锚后发生走锚甚至冲向岸边搁浅,进一步破坏主船体;FSRU抛锚阶段船上驻留人员的安全性。因此,在特殊的极端环境条件下,相对于维持FSRU码头系泊状态,FSRU移位作业的风险同样存在。需进一步评估该极端条件下码头系泊加强措施和碰垫的有效性、港区台风环境的概率,以确定移位作业的操作临界条件。

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(作者单位:中海石油气电集团有限责任公司。 本文为基金项目:中海石油气电集团科研项目,QDKY-2014-YFZX-03)

(中国水运杂志)

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