FLNG電力系統設計研究

毛葉青

（惠生（南通）重工有限公司，江蘇南通 226000）

1 概述

浮式液化天然氣生產存儲與外輸裝置（FLNG）是新型海上天然氣開發工程裝置，包含海上天然氣的液化、儲存和外輸設備，需要考慮為裝置配套的發電、供熱、人員居住等公用工程的系統設計。

（1）FLNG裝置啟動程序復雜，供電中斷會造成重大的經濟損失，引發重大的安全事故，對電氣系統供電可靠性和運行可靠性均有較高的要求。

（2）FLNG的生產地點要求FLNG的電氣系統設計應遵循FLNG掛旗國和船級社的規定。

以某FLNG項目（設計最大處理能力380萬t/a）為例，對設計工況和負荷分析等方面進行設計研究。

2 項目設計環境條件

FLNG的環境條件取決于船舶停靠地點的海域情況，在設計有明確規定。

海上電氣設備正常工作時的環境條件如表1所示。

表1 海上電氣設備正常工作時的環境條件

由表1可知，電氣設備的使用環境會受到鹽霧、油霧和霉菌的影響，電氣設備的材料和絕緣材料應考慮防鹽霧、油霧和霉菌，保證電氣設備使用時能夠耐腐蝕，避免絕緣性能變壞。

針對船舶正常運營時產生的沖擊、振動、搖擺和傾斜，應保證電氣設備的正常工作不受影響。固定載流部件的螺釘和螺母應有效地鎖緊，使其不因振動而松脫。必要時，對固定非載流部件的緊固件也應采取適當的措施，保證其在規定的振動試驗條件下，無機械損傷和誤動作。

電氣設備能夠承受的船舶傾斜和搖擺條件如表2所示。

表2 電氣設備能夠承受的船舶傾斜和搖擺條件

裝載液化氣體和化學品船舶的應急電源應在船舶進水導致最終橫傾達30°的極限狀態下保持供電。應急電氣設備、開關設備、電氣和電子設備外的設備、組件可能同時出現縱傾、橫傾。

3 FLNG設計工況與負荷分析

某FLNG項目用電負荷分為正常負荷、必要負荷以及應急負荷。正常負荷指主要的工藝負荷；必要負荷指生活區負荷及維護保障設備負荷等，主要包含生活區系統、公用工程系統、啟動主發電機的輔助設備等；應急負荷指保障人員安全的重要負荷，包含UPS、控制系統、通訊及導航系統、救生系統等。

（1）正常生產工況。

所有工藝負荷處于正常生產運行狀態，三條液化生產線同時運行，液化天然氣未外輸，單點系泊推進器不運行。

（2）正常生產加外輸工況。

所有工藝負荷處于正常生產運行狀態，三條液化生產線同時運行，液化天然氣外輸，單點系泊推進器有一臺連續運行，一臺備用。

（3）必要負荷運行工況。

工藝負荷停止運行時，必要負荷發電機連鎖啟動，維持FLNG基本負荷的運行，滿足船級社規范要求，也用于船舶拖航或者維護的工況。

（4）應急工況。

主發電機以及應急發電機同時無法運行，應急發電機45 s內連鎖啟動，維持運行18 h，滿足船級社規范要求。

（5）最低生產工況。

一條液化生產線運行，LNG未外輸，推進器不運行。

不同工況下FLNG的用電負荷分析如表3所示。

表3 不同工況下FLNG的用電負荷分析 單位：MW

3.1 主發電機選型及電力系統架構

FLNG是浮式無自航能力的駁船，采用自發電模式，以某FLNG項目為例，主發電機選用3臺GE LM2500+燃氣透平發電機組，3×25.5 MW，輸出電壓11 kV、50 Hz，2用1備；必要發電機選用2臺Wartsila 12V34DF 雙燃料發電機組，2×5.28 MW，輸出電壓11 kV、50 Hz，2用0備；應急發電機選用1臺柴油發電機組，1×1.2 MW，輸出電壓400 V、50 Hz，1用0備。

主發電機組選用GE航空改造型機組，具有體積小、重量輕、發電效率高等優點；主發電機的運行模式可以由電站管理系統（PMS）集中控制自動切換或人工切換，正常工況下有兩臺發電機在線運行，單臺發電機負荷率低于50%且持續一段時間后，其中一臺發電機會停止運行以降低能耗。

各類發電機在最大工況下的負荷率如表4所示。

表4 各類發電機在最大工況下的負荷率

電力系統構架主單線圖如圖1所示。

圖1 電力系統構架主單線圖

3.2 電站管理系統（PMS）配置及功能設計

主控制層實時管理監控全船的電力系統，位于中央控制室。分控制層按照區域分為位于船體電氣間和上部組塊Ehouse電氣間，每個區域之間可獨立運行，分別對應監控與控制必要負載發電機及船體相關電氣設備和主發電機及上部組塊電氣設備；PMS PLC集成控制柜位于E-house電氣間。設備層采集設備的電力信息、執行保護動作或控制動作。

PMS架構如圖2所示。

圖2 PMS架構

PMS的主要自動控制功能為電力系統的自動啟動及失電后的自動恢復；負荷的自動分配，PMS根據正在運行的發電機成比例地自動分配負荷；發電機的自動控制與同步；負載優先脫扣功能，PMS檢測到發電機過流、低壓、低頻以及主開關異常脫扣后，為了防止主發電機過載跳電，延遲一段時間，對船上居住區負載或工藝運行沒有影響的不必要負載進行優先脫扣（一級二級優先脫扣），對使工藝降低產量的負載進行優先脫扣（三級）；大負載電機啟動詢問管理，為防止大容量的電機設備啟動造成發電機過載，PMS對大負載電機設備啟動設置監控和啟動詢問功能，從配電盤接收詢問信號后檢測電網的剩余容量，發出啟動允許或失敗命令；電網的實時監測與保護控制；主開關的系統界面遠程操作。

4 船舶供電系統的主要電氣參數

4.1 額定電壓

中壓：11 kV、3 P。低壓：0.4 kV、3 P；0.23 kV、1 P。

4.2 額定頻率

某FLNG項目設定工作于西非，供電系統的額定頻率符合當地標準，為50 Hz。

4.3 電氣系統接地方式確定

FLNG的11 kV中壓系統一般采用IT系統，增加接地變壓器，使發電機單相接地電容電流滿足發電機允許值，保證供電的可靠性和連續性。低壓系統的接地，生活區0.23 kV采用TNS系統，其余采用IT系統。

5 結語

與陸地化工裝置相比，船舶電網的輸電距離短、線路阻抗低、短路電流大，且船舶工作環境惡劣，FLNG電氣系統設計中需要考慮的內容較多。設計時，應保證FLNG生產裝置可靠運行，對事故狀態時的人員安全等方面進行充分考慮，兼顧船舶的電力系統造價，適應市場的需求。