FSRU機艙精簡節能布置方案

朱崇遠,朱永凱,時光志,張海濤,斯園園

(中海油能源發展股份有限公司 采油服務分公司，天津 300452)

FSRU在氣化作業時，需要機艙輸送大量的海水到氣化單元進行加熱，一般裝備有3條250 mmsfcd的氣化鏈，需要配備至少3臺7 500 m/h的海水輸送泵，為其輸送氣化加熱用的海水，海水泵的消耗功率一般在3 260 kW左右，再加上氣化單元根據季節不同的9～18 MW電力消耗，FSRU配備的電站容量都很大，同時，需加上備用的儲備功率，必須有21 MW以上的容量。如果采用內燃機發電機組，一般需要配備4臺6 800 kW的內燃機發電機才能滿足FSRU的作業時，3臺使用1臺備用的需求。為了滿足FSRU-LNGC的航行需求，機艙內還會布置2臺二沖程的低速內燃機以及為其服務的燃油、滑油、淡水冷卻等輔助系統。現有的主流FSRU-LNGC機艙布置見圖1。

圖1 現有的主流FSRU機艙布置方案

現有的艙容在17萬m級的FSRU，其機艙內的設備繁多，其機艙內設備配置相似，布局也相近，加上與配套的艙內設備，機艙飽和度非常大。如圖1所示：其機艙的主要設備有4臺7 MW四沖程LNG+MDO雙燃料內燃機,2臺負責推進的LNG+MDO雙燃料二沖程內燃機及輔助這6臺內燃機工作的空壓機、冷卻器、分油機等。

按照同類設備平均故障率計算，FSRU機艙內由于設備總量基數大，造成了FSRU船舶建造成本高，作業過程中故障多，管理成本提高等問題。為此,討論精簡節能布置方案，用以減少設備配置，降低故障總數和管理成本。

1 FSRU的精簡節能布置方案

17萬mFSRU-LNGC機艙布置方案中，機艙設置2臺(2×13 000 kW)主推進兼發電雙燃料內燃機(下稱左、右雙燃料二沖程內燃機)、1臺8 000 kW的雙燃料四沖程內燃機發電機，1臺最大容量為8 000 kW蒸汽透平發電機，主要回收雙燃料內燃機的排氣余熱，產生的蒸汽發電，也可以雙燃料內燃機不工作時，接收從鍋爐里產生的蒸汽用于發電，但是這種工況不經濟，使用較少，僅用備車機動航行狀態。布置方案見圖2。

圖2 FSRU機艙布置圖

左、右雙燃料二沖程內燃機連接齒輪箱，通過改變推動齒輪箱的齒輪位置，可以改變推進內燃機的功能，使其具有“僅發電”“PTI”“PTO+推進”功能。這種布置方案，在氣化作業時，發電機數量做到了100%冗余，比之前的3臺使用1臺備用，33%冗余有了明顯的提高。設備的數量比傳統的布置方案，也有了明顯的下降，在設備故障率不變的情況下，故障的數量也明顯下降，設備購置費省去了3臺7 000 kW的雙燃料四沖程內燃機發電機組的購置、安裝調試費用，增加了1臺蒸汽透平發電機組的購置、安裝、調試費用，兩者相差大約一億元人民幣，建造購置、安裝、調試費用合計可以節約FSRU總造價的10%左右。

2 FSRU優化布置后的運行狀態

2.1 航行工況

對于FSRU轉換作業地點，或者作為LNG運輸船使用時，左右2臺雙燃料二沖程內燃機主要承擔航行推進功能。需要將齒輪箱置于“推進”+“PTI”模式，此時，2臺位于機艙下部的推進二沖程內燃機運行，2臺二沖程低速雙燃料內燃機產生的煙氣經廢氣鍋爐(經濟器)回收熱能，一般內燃機排煙中含可回收熱量占燃料化學能的10%，2臺主內燃機的總功率是26 000 kW，排煙中有近25 000 kW化學能，其中約9 000 kW的煙氣中的熱量可以被經濟器內的鍋爐水吸收，鍋爐水被排煙余熱加熱后沸騰后，由爐水循環泵加壓進入鍋爐氣鼓中進行汽水分離，產生蒸汽，產生的蒸汽在純柴油機動力船，用于加熱燃油艙、柜、和燃油、滑油分離，但是在以天然氣為主燃料的船舶上，蒸汽的用量很少，如果沒有合理利用，只有通過大氣冷凝器，用海水冷卻后，白白進入海洋中。還要浪費電力，使用海水泵輸送海水到蒸汽冷凝器冷凝蒸汽，由于海水與蒸汽的溫差較大，蒸汽冷凝器的海水冷卻管變臟的頻率較高，需要經常清通。

優化布置方案中，使蒸汽進入蒸汽透平發電機發電，節約雙燃料四沖程內燃機的運行發出的電能約1 500 kW,除了供應船舶航行所需的輔助機械、通風空調、照明、航海儀器等最高1 000 kW外，還有多余的近500 kW，可以在PTI的模式下輸入軸帶的發電機，以電機驅動的方式，通過齒輪箱驅動尾軸，推動螺旋槳，實現節能。以1 500 kW功率計算，每天至少可以節約LNG4 t，價值約1.2萬元人民幣，每年至少減少燃料費400萬元人民幣，經濟性有了很大的提高。由于航行時消耗的燃料總的數量降低了，相比沒有安裝煙氣節能經濟器和蒸汽透平發電機的FSRU和純LNGC，能效比可以提高6%以上，市場競爭力將提高明顯。

2.2 FSRU氣化作業模式

這是消耗電力最大的工況，對此工況，需將雙燃料二沖程內燃機的齒輪箱置于發電位置，參與發電，1臺二沖程推進內燃機的功率是130 000 kW，此時推進二沖程內燃機產生的煙氣中還蘊含有約13 000 kW可利用的熱量，經過廢氣鍋爐經濟器，可供透平發電機發出約8 000 kW的電能，可以并入電網，降低雙燃料二沖程內燃機的的運行功率，達到節能的效果。由于參與發電的雙燃料內燃機不是滿負荷工作，可回收煙氣的熱能也不能按照滿負荷計算，一年可節約800～900萬元人民幣的燃料費用。由于季節不同，海水的溫度不同，海水的焓值也不同，氣化LNG的能力也不同，當海水溫度較低的時候，需要投入更多的電力去加熱海水。

為了應對海水溫度變化導致用電負荷不同，排列出6種電力機組合配電運行方案，見表1。

表1 FSRU6種組電力機組組合方式

從表1可以看出，優化布置方案相對傳統的布置方案，冗余度更高，當有機組因故障不能投入運行時，可以有較多的方案從容應對。相比而言，第1、2、3種組合對最高負荷需求的所有內燃機產生的排氣傳熱都可以回收利用，屬于節能工況，可以用于所有季節的工況，每天可以節約LNG 消耗4 t左右，價值約1.2萬元人民幣，每年可以節約燃料費用400萬元。但是對于蒸汽不足的第4、5、6種組合，由于蒸汽需要由鍋爐產生，相對雙燃料內燃機發電機組，效率還相對低一點。只能適用于海水溫度比較高的季節，由于蒸汽透平的效率偏低，這3種工況只適用于應急或部分氣化工作的工況下。

在FSRU氣化作業模式下，與傳統的布置方案相比，采用優化布置方案的FSRU，由于吸收了排煙中的熱量，能效比更高。

2.3 機動航行工況

機動航行工況雖然不是很多，但是不可或缺。機動航行工況下，由于機動航行工況廢氣鍋爐經濟器中產生的熱量不穩定，3臺內燃機和透平發電機都要參與工作，透平發電機的蒸汽主要來自輔鍋爐中，在機動航行時，大部分的電功率由主發電機承擔，透平發電機只是做內燃機發電機的備用，基本上維持運轉，消耗并不大。雖然蒸汽透平發電機的效率不高，但是此時的浪費并不大，畢竟機動航行的機率和運行時間并不是很多。

2.4 應急工況

1)機動航行工況下，如果雙燃料四沖程發電機組和蒸汽透平發電機同時不能運轉，此時，需要鎖定1臺左或右雙燃料二沖程內燃機中的1臺作為發電機使用，將作為發電機使用的1臺雙燃料二沖程內燃機的齒輪箱置于發電位置，并運轉到發電運行額定轉速，另一臺雙燃料二沖程內燃機維持機動航行。

2)機動航行工況下，如果雙燃料二沖程內燃機均不能工作，此時需要將2臺雙燃料內燃機的齒輪箱均置于PTI模式，蒸汽透平發電機和主發電機均投入工作，透平發電機的蒸汽來源來自輔鍋爐和雙燃料四沖程發電機組的余熱，船舶電站除了供應機動航行需要的全部負荷外，其余全部用于PTI推進螺旋槳，維持船舶的低速運行，待船舶進入安全狀態后，再進行修理。

3)FSRU氣化作業時，如果雙燃料二沖程內燃機與其他機組組合中，即2、3、4、5組合中雙燃料二沖程內燃機發生故障，需要停車處理，應急操作時需要停用次要負荷，甚至停止一條氣化鏈的氣化生產，同時將備用的雙燃料二沖程內燃機和雙燃料四沖程發電機同時啟動配電，并且開啟鍋爐為透平發電機供汽，投入透平發電機，共同承擔所有電力負荷，因為雙燃料二沖程內燃機的機械慣性和熱慣性相對較大，需要一定的時間(加速率與機型的熱和機械慣性有關)，待到雙燃料二沖程內燃機按照加負荷程序，機油和冷卻水溫度達到正常溫度后，再加上全部負荷，恢復停止的氣化鏈和次要負荷。

3 結論

精簡后節能的FSRU布置方案完全滿足LNG運輸和FSRU氣化作業的需要，節約了初置設備費用，并且在使用過程中節約LNG耗量，經濟效益有所提高；機艙內設備飽和度降低，故障總數也隨之降低，節約了管理成本，雙燃料二沖程內燃機結構簡單、效率高、轉速低、故障率低、維修保養方便，船員勞動強度減小，人工和管理成本也將隨之降低。