FSRU 燃料消耗比率計算分析

徐常安，劉其民，李蘇澄

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

FSRU 作為天然氣行業(yè)的關(guān)鍵裝備，在行業(yè)中占有一席之地，在碳中和國際大環(huán)境下，成為陸地建設(shè)LNG（Liquefied Natural Gas）液化天然氣接收站不具備條件國家的首要選擇[1]。同時FSRU 運營的經(jīng)濟性也是業(yè)主考慮的一個重要因素。以往的項目經(jīng)濟性都是以同類型的FSRU（浮式儲存與再氣化裝置）作為參考，主要的設(shè)計思路以及方法都是歷史統(tǒng)計數(shù)字作為參考，而對于輸氣量以及FSRU 設(shè)計的經(jīng)濟性基本上都是依靠再氣化裝置供應(yīng)商的經(jīng)驗以及客戶需求，缺少理論的計算支撐。而燃料消耗比率是衡量FSRU 設(shè)計經(jīng)濟性的主要指標(biāo)之一[2]。針對這一問題，本文以管道局所參與的塞浦路斯FSRU 項目為研究對象，在燃料消耗比率小于1.5%的合同目標(biāo)要求下，查閱大量的國內(nèi)外法規(guī)，規(guī)范及設(shè)計指導(dǎo)文件等資料，深入研究塞浦路斯FSRU 項目再氣化的各種工況，分析不同再氣化工況下各個設(shè)備的運行狀態(tài)以及能量消耗，從而通過計算得出FSRU 不同再氣化工況下的燃料消耗比率，并通過不同工況下的對比得出具有參考意義的結(jié)論。

1 研究背景

塞浦路斯FSRU 項目由LNG 運輸船改裝而成，液貨維護系統(tǒng)由5 個MOSS 球罐組成，總?cè)莘e為137 000 m3，艏部共三個罐體，每個罐體配備一臺LNG 供給泵，LNG 供給泵采用兩用一備（3*50%）的配置。船體艉部增加動力模塊，采用三臺5 500 kW 的雙燃料發(fā)電機為整個再氣化裝置以及輪機系統(tǒng)提供動力。艏部配備再氣化模塊，將LNG 加壓加熱成高壓天然氣外輸，再氣化模塊采用四條氣化鏈三用一備，每條氣化鏈配備一臺LNG 增壓泵、海水提升泵和乙二醇循環(huán)泵。主船體配備兩臺主鍋爐作為閉式以及組合加熱循環(huán)的熱源。主甲板安裝高壓壓縮機模塊和低壓壓縮機模塊，作為BOG（LNG 的蒸發(fā)氣體，Boil-Off Gas）氣體處理的主要設(shè)備。再氣化的天然氣通過舷側(cè)外輸管匯輸送到岸上管道至發(fā)電廠。

FSRU 核心技術(shù)指標(biāo)之一為燃料消耗比率不高于1.5%，即船舶自身燃料消耗量占比不能超過整個運營天然氣量的1.5%[3]。雖然船上有已經(jīng)安裝好的鍋爐等閉式循環(huán)加熱裝置，但是這種閉式循環(huán)加熱工況的燃料消耗比率能否達到要求是我們分析的情況之一。除這個要求外，運營方還提出整個氣化裝置要盡可能設(shè)計在較經(jīng)濟的運行區(qū)間，給項目帶來了一定的挑戰(zhàn)。

2 燃料消耗比率的計算方法

燃料消耗比率計算，不同于傳統(tǒng)燃料消耗經(jīng)濟性計算，計算結(jié)果不是最佳運行點，而是一種合理或者最優(yōu)的區(qū)間，消耗比率是一個合理的動態(tài)區(qū)間。它計算的是在不同工況、不同外輸情況下，F(xiàn)SRU 整個裝置運行消耗的燃料占其處理總量（外輸和消耗量的和）的比例。

燃料消耗比率計算方法如下：

其中，R 表示燃料消耗比率，是FSRU 的一個主要經(jīng)濟性指標(biāo)；FC 表示FSRU 運營時LNG消耗量；FO 表示通過再氣化的方式外輸?shù)疥懙毓艿赖腖NG量。

LNG外輸?shù)囊粋€特點是，LNG消耗以及外輸量都是一個動態(tài)的變量，在不同外輸量下，參與運營的設(shè)備和設(shè)備的功率是不同的[4]。根據(jù)不同工況下的設(shè)備運行狀態(tài)，以及設(shè)備運行時的實際功率消耗兩個方面統(tǒng)計系統(tǒng)的用電負荷。

（1）參與系統(tǒng)的統(tǒng)計。

按照每種工況的氣化量，統(tǒng)計需要啟動的氣化鏈的數(shù)量以及輔助系統(tǒng)的工作狀態(tài)，負荷狀態(tài)。

需要逐個系統(tǒng)核實，例如，再氣化鏈系統(tǒng)、乙二醇系統(tǒng)、海水加熱系統(tǒng)、蒸氣加熱系統(tǒng)、船舶通用系統(tǒng)。

（2）單體設(shè)備的統(tǒng)計。

按照參與的系統(tǒng)狀態(tài)，核對系統(tǒng)中設(shè)備的數(shù)量以及實際消耗的功率，按照連續(xù)工作，間斷工作等工況來確認設(shè)備的功率系數(shù)。

根據(jù)不同工況下所需的總功率，以及發(fā)電機不同負載下的效率以及燃料消耗，計算出不同工況的燃料消耗，再根據(jù)不同工況下的LNG 外輸量，計算出不同工況下的燃料消耗比率。

3 典型FSRU 燃料消耗比率計算示例

3.1 工況分析

根據(jù)FSRU 船舶設(shè)計工況分析，按照表1 閑置工況、加熱工況和應(yīng)急工況三大類工況進行計算分析。由于燃料消耗一般是計算長期累積的消耗量，對于異常工況時的燃料消耗通常不予考慮。燃料消耗比率計算的是系統(tǒng)長期運轉(zhuǎn)下的一種指標(biāo)[5]。

表1 FSRU 船舶工況

（1）FSRU 整體船舶工況的分類

項目要求整個船舶的可靠性不低于98%，可靠性分析（Reliability，Availability and Maintainability 簡稱RAM）顯示可靠性為99.116%±0.083%，因此再氣化工作占比按照取整99%來計算，其余1%按照閑置工況處理。

（2）再氣化輸出工況

按照再氣化模塊設(shè)計外輸能力，分為五個工況計算，見表2。

表2 再氣化工況

工況 1-5 分別對應(yīng)11、45、105、210、315 百萬標(biāo)準(zhǔn)立方英尺/日（mmscfd）的天然氣外輸量。

（3）再氣化加熱工況（表3）

表3 加熱循環(huán)工況

3.2 計算結(jié)果

本節(jié)對正常外輸時表3 中的開式循環(huán)、閉式循環(huán)、組合循環(huán)進行了計算分析，對于閑置工況以及應(yīng)急工況，業(yè)主允許此種工況系統(tǒng)停止，根據(jù)RAM 分析，此種工況導(dǎo)致的停機時間少于總運行時間的1%，業(yè)主接受不考慮這部分影響。

所有的燃料消耗計算都是按照天然氣的最低熱值48.3 MJ/kg 計算。為了簡化表格，對于閉式循環(huán)以及混合循環(huán)，將相同部分簡化，只保留計算結(jié)果。

表4-表7 對圖1 中三條變化曲線分析結(jié)果如下：

圖1 三種循環(huán)燃料消耗比率變化曲線

表4 開式循環(huán)下燃料消耗比率計算(一)

表5 開式循環(huán)下燃料消耗比率計算(二)

表6 閉式循環(huán)下燃料消耗比率計算

表7 組合循環(huán)下燃料消耗比率計算

（1）每一種循環(huán)FSRU 燃料消耗占比隨著外輸量的增加而降低，但是組合循環(huán)在低流量的時候消耗比率更高，變化更陡峭。

（2）不同的循環(huán)之間，燃料消耗的比率差別明顯，閉式循環(huán)數(shù)值始終大于2%，超出1.5%要求。開式循環(huán)的燃料消耗率明顯低于閉式循環(huán)，在一定的區(qū)間能夠低于1%，在平滑段混合循環(huán)的燃料消耗率介于兩者之間。

（3）三種循環(huán)的燃料消耗率隨著外輸量增加，曲線趨于平緩，外輸量的變化對于燃燒比率的影響將明顯減低，燃料消耗比率進入合理的區(qū)間。

4 結(jié)論

本文介紹了FSRU 燃料消耗率的計算方法，并分析研究典型FSRU 不同工況下的燃料消耗情況，梳理出了燃料消耗比率的影響因素。主要結(jié)論如下：

（1）對FSRU 燃料消耗比率影響最大的因素是再氣化加熱模式，開式加熱工況穩(wěn)平滑段的消耗比率低于1%，而閉式加熱條件下燃料消耗平均在2.5%左右，超過1.5%的要求。

（2）再氣化的運行區(qū)間對FSRU 燃料消耗比率影響，從曲線可以看出天然氣外輸變化在設(shè)計能力的33%～100%可以達到完全滿足1.5%的要求。但是短時間的小流量運行以及不同工況之間的切換，只要累計的燃料消耗量不超過1.5% 就滿足合同要求。

（3）本文從宏觀上分析了不同工況對于FSRU 運行的影響，對FSRU 的運營有一定指導(dǎo)意義。

（4）本文從基本邏輯上分析了影響FSRU 燃料消耗率的主要因素，后續(xù)將從更加微觀的層面詳細研究氣化鏈數(shù)量、氣化鏈啟動邏輯和變頻泵選用對FSRU運營經(jīng)濟性影響。