双燃料发电机在FLNG上的应用

孙小潍

（1. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200240；2. 南通润邦海洋工程装备有限公司 南通226200）

双燃料发电机在FLNG上的应用

孙小潍1，2

（1. 上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院 上海200240；2. 南通润邦海洋工程装备有限公司 南通226200）

［摘 要］浮式液化天然气生产储卸装置FLNG目前越来越受到各大能源公司和国家的关注，作为新出现的产品，其应用和相关规范还处在不断研究完善和发展阶段。该装置的动力核心是双燃料发电机组，其燃气系统设计和其他相关系统的应用与传统柴油机有很大不同。文中以国内首个FLNG项目使用双燃料发电机为例，介绍并分析双燃料发电机主要系统特点和设计要求。

［关键词］浮式液化天然气生产储卸装置；双燃料发电机；天然气；燃气系统

引 言

天然气燃料因其先天减排优势，且价格低于一般燃油，近年来日益受到关注。随着开采技术和海洋工程装备技术的发展，国际能源公司提出天然气液化和再汽化的革命性技术解决方案——FLNG（Flowing LNG Unit），也称浮式液化天然气生产储卸装置（LNG-FPSO），可以停泊在海洋油气田附近提取井口天然气，然后通过船上配备的开采、处理、液化、储存和装卸的相关设备，将处理过的天然气液化、储存并输送到旁边的货船上（LNG-FSU），然后搭配数条液化天然气运输船（LNG Carrier），实现海上天然气的开采和运输。

利用FLNG进行海上气田开发，结束了海上气田只能采用管道运输上岸的单一模式，既节约运输成本、又不占用陆上空间，而且该装置可以安装在远离人群居住的地方，安全环保。此外，FLNG还可以在气田开采结束后二次使用，安置于其他天然气田，经济性能较好［1］。

由本人参与的浮式天然气液化再气化存储装置的项目“Exmar Caribbean FLNG”属于国内首制，国际上仅有两个类似项目同时在建。该装置固定系泊在哥伦比亚北部海岸的近海码头，无自航力，长144 m、宽32 m、型深20 m，入法国船级社，挂利比里亚旗。每日可接收约225.40万m3（7 960万ft3）的井口天然气并将其转化为液态天然气，临时储存在船体内的储存罐或传输到旁边的LNG船上，全年工作360天。

该装置的上部天然气处理和液化装置采用的是美国Black &Veatch公司开发的PRICO工艺专利技术，包括过滤、脱酸、脱水和液化等功能。船体内放置了三个由TGE公司提供的LNG储存罐，每个容积约5 300 m3，总共容积约为16 000 m3。其余的船体、上建住舱以及全船电力供应系统和相关辅助系统都由船厂提供。该装置BOG的主要成分为甲烷CH4，含量约为89.63%，还包括其他乙烷12.9%、丙烷1.5%、重烃1.365%和少量N2，折算成甲烷数后，满足双燃料机器对甲烷数最低80的要求。根据前期设计估算，该装置正常液化工作时，舱内产生的LNG蒸发气（BOG）的蒸发量至少约9 t/h，而机舱两台主机100%功率时的用气量约为1.75 t/h，甲板上的透平压缩机用气量约为6.26 t/h，小于货罐内产生的BOG的量，正常情况下将货罐内的BOG收集。一部分通过BOG压缩机升压到0.5 MPa，并加热到0℃以上供给发动机和甲板上的制冷透平压缩机，多余的BOG通过液化工艺流程再回到罐体内。

该装置的电力供应系统由三台Wartsila公司生产的低压双燃料发电机组成，型号为2×9L34DF（A型）+ 1×12V32DF（船东提供）。单台机组的电功率为3 760 kW，正常工作时两用一备。

本文主要针对Wärtsilä低压双燃料柴油机在FLNG上的应用，分析双燃料柴油机的工作特点和相关配套系统的应用，供大家研究参考。

1 双燃料柴油机工作特点

双燃料系统的研究开发最早始于车用发动机，上世纪80年代，由美国能源转换公司（ECI）开发了一种新型的双燃料系统，并把两台高速柴油机改装成为双燃料发动机。如今商业投产的船用双燃料柴油机厂家主要有Wärtsilä、MAN和MAK，目前三家的主流技术都集中在“高压天然气的缸内直喷技术”和“低压引燃技术条件下的燃气喷射技术”上。本项目的发电机采用的是后者。

对于双燃料柴油机设计，需要考虑的主要是在燃气安全使用前提下保证机器功能的问题，机器的控制系统和配套系统的特殊要求都是围绕安全和效率这两个核心理念来设计的。

目前大多数双燃料柴油机还是基于原来的机械构造原理而设计的，这样对柴油机本身来说不必做很大的改动就可实现双燃料运行，只需要在机器燃料系统上增加一套供气系统，同时机器上配置相应的燃气阀组和点火油喷嘴即可。主流的双燃料柴油机在燃气模式下需要喷射约1%的柴油用于点燃缸内燃气，而柴油模式下可以燃烧重油。对于MAN的部分小缸径双燃料机器，如28/32 DF和23/30 DF，点火油需要达到20%的量。这里需要指出：Wärtsilä的低压双燃料发电机采用的是组合式双喷油嘴喷油器，即主喷油头和点火油喷头集成在一个喷油器上的设计，与其他厂家采用分离式不同。这样设计无需为主喷油嘴配置额外的喷油嘴冷却单元，而在燃气模式下，主喷油嘴在缸内高温部分的热量通过与点火油喷嘴共用的燃油管路中不断循环的燃油带走，避免主喷嘴在燃气模式时始终处于高温状况下而导致损坏。

双燃料柴油机的很多特性都因其引入天然气作为燃料，导致其工作模式不同，主要分为以下几种。

1.1 燃油模式：主喷油嘴工作+点火油喷油嘴工作

柴油机工作为传统的柴油循环。开始进气过程中只有空气进入，活塞运动仅压缩空气，产生高温，在压缩结束前后喷入燃油，同时由于机器需要随时准备切换到燃气模式，因此点火油喷油嘴也保持喷油动作。燃料被压燃后，膨胀推动活塞，下行做功，见图1。［2］

图1 燃油模式

1.2 燃气模式：燃气注入+点火油点燃

柴油机工作遵循的是OTTO循环。进气过程中燃气喷入，压缩过程中燃气和空气一起被压缩，在压缩终点喷入点火油（柴油），雾化的柴油燃烧，同时点燃混合气体，活塞下行做功，见图2。［2］

图2 燃气模式

1.3 后备（backup）模式：主喷油嘴工作

另外，双燃料柴油机还提供一种短时后备（backup）操作模式：当控制系统监测到点火油喷射系统故障或备用模式控制系统接收到外部启动信号时（如燃气泄漏、压力低等报警信号时），机器将强迫转换为相对安全的后备工作模式，这时只有传统的燃油喷射，即只有主喷油嘴喷油。

有些厂家（如MAN）还在燃油模式向燃气模式切换间加入fuel share 模式，这种模式主要是应用在低压双燃料柴油机上。由于燃气的可压缩性，在燃气模式启动后。喷入气缸内的燃气量不会马上达到要求的值，这时如果燃油模式马上退出，会对机器功率的响应产生一定的延迟或波动，因此在fuel share模式时，主燃油喷射系统和燃气喷射系统同时工作，用过量的燃料燃烧做功来补偿切换过程中由于燃气可压缩性而造成的功率延迟，使得机器发出的功率不会有太大波动。

1.4 工作模式的转换

双燃料柴油机的工作模式按危险性分为三个等级，燃气模式被定义成是最高危险等级，而传统的柴油机工作模式（后备模式）是最安全稳定的等级，柴油模式居中。机器自动切换顺序原则是：优先运行危险性低模式。由危险性低模式到高模式则需要系统完成自检通过。一旦系统出现报警或外部故障信号输入，则控制系统根据收到的信号向下一等级模式或者更低等级模式切换，这样可最大限度保证在不影响机器运转的情况下，保证船舶人员的安全。比如在正常工作中，燃气模式向燃油模式的切换是被认为降等级使用，切换过程是随时且瞬时完成的。而从燃油模式向燃气模式切换则需要完成一系列燃气安全系统自检后才能开始，这一过程需要2 min左右。Wartsila的低压双燃料发动机系列还在燃油向燃气模式切换时限制了切换功率额定值，即需要降低功率到80%以下才能切换。而机器的备用模式则被视为底层模式，可以在任何情况下启动，但在进入备用模式后，系统就自动关闭了燃油和燃气模式的启动模块，除非停机重新启动。各模式之间的切换和控制关系如图3。［3］

由于双燃料柴油机燃气系统的加入，使机器的运转模式多样化，不仅控制系统相对传统柴油机有更高的要求和安全性考虑，而且双燃料柴油机对应的外部配套系统设计也有一些需要注意的方面，现以FLNG项目上的使用为例，作简单阐述。

图3 双燃料发动机工作模式

2 双燃料柴油机燃气系统

本项目的双燃料机器安装在下部机舱，燃料来自于货舱LNG储罐的BOG蒸发气，蒸发的天然气集中存在LNG储存罐上部。收集出来的BOG，通过主甲板上的BOG压缩机，加压送到燃气缓冲罐，然后一部分到液化装置进行再液化回到罐内，另一部分作为燃料，进入机舱供双燃料发电机用。发电机燃气供应系统见图4。

图4 发电机燃气供气系统

从图中可以看出，燃气供应系统在机舱部分主要由气体阀门控制单元GAS VALVE UNIT（GVU）和连接发电机的双套管组成。

由于燃气发生泄漏时很快散逸，如果在一个相对封闭的空间内（比如机舱内），其浓度会很快达到着火边界，容易发生爆炸的危险。因此对于采用燃气作为燃料的设计，基本原则是需要尽可能避免燃气管路通过服务处所，并使燃气的泄漏可控，使危险最小化。对于本项目，由于双燃料柴油机放置于机舱里面，无法避免气体管穿过机舱进入机器，对此IGC规范也提供了两种方案，用于气体燃料管路通过或延伸到其他处所的布置：

（1）气体燃料管为双层壁管系统。其气体燃料被贮存在内管中。对于同心管之间的空间，应用惰性气体加压至大于气体燃料的压力，应设置合适的报警装置以指示两管之间惰性气体压力的下降。

（2）气体燃料管应被安装在通风管或管道内，在气体燃料管和通风管或管道内壁之间的空间，应设置机械抽风设备，其排量至少为30 次/小时。应将通风系统布置成能维持其压力低于大气压力。风扇电机应置于通风管或管道之外。应将通风出口设于不会点燃易燃气体/空气混合物的位置。当管路内有气体燃料时，通风系统应能始终保持运转。应按要求设有连续气体探测装置，以指示气体燃料的泄漏，并能切断向机器处所供应气体燃料。在排风系统不能产生和维持所要求的空气流量时，气体燃料总阀应能自动关闭［4］。

本项目的燃气系统采用了第二种方法，即双层壁管中间层抽风的方法。双层壁管是一个双层的钢管，燃气在内管流动，外管与内管之间为流动的空气，靠外部的风机不断的抽风，管路上的法兰、膨胀节等连接部件都是双层设计（见图5）。［5］

图5 双套管，法兰，膨胀节

GVU为一个钢质气密罩壳，它的内部主要部件包括一个气体压力控制阀、两个关断阀、两个燃气管路透气阀，一个惰性气体吹除阀和其他压力温度传感器。GVU的功能类似于传统燃油系统中的供油单元，典型外观见图6，内部组件见图7。［6］

图6 GVU外形图

图7 GVU内部组件

GVU上有两个燃气接口，一端通过双层法兰与外部双套燃气供气管路相连，另一端连接去主机的燃气双套管。GVU的内部管路为单层设计，而其气密钢制外壳就相当于双套管的外层，GVU的内部腔体同双层燃气管路的中间层相连通，同时柴油机内部的燃气管路系统也为双层设计，如图8所示。［6］

当柴油机工作在燃气模式下，双套管间流动的空气由主机气缸一端的通风进气口被抽入，沿着双套管路进入GVU。在GVU上又有一个通风管道的出口，用于接到开敞甲板的抽风机，风机出口设有燃气探头，实时监测燃气的泄漏。如图9所示，当监测到管内存在燃气时，传感器输出信号到双燃料发动机的控制系统，切断燃气供应总阀，柴油机转为安全的备用模式运转。这样的双层管路设计和布置使得燃气泄漏到机舱的可能性大大降低。即使内管发生泄漏时，系统也能迅速反馈和报警，通过自动关闭总阀，并将泄漏到中间层的燃气排出到开敞安全区域，使得泄漏危险性始终在可控范围内，对机舱燃气监测、通风等方面的要求降低了很多，布置简化且满足规范要求。

图8 柴油机内部燃气管路系统

图9 燃气管通风

3 双燃料柴油机滑油系统

由于燃气的存在，双燃料发动机的滑油系统需要增加考虑安全因素。在燃气模式下，可能有一部分燃气进入曲轴箱内并不断聚集，同时，曲轴箱内的滑油通过滑油泵或分油机输送到外部滑油舱时会带入一定数量溶解在滑油中的燃气，并在沉淀过程中析出。因此，采用燃气的机器曲轴箱和滑油舱中液面以上部分被认定为“1级”危险区域，所有服务与该区域的电气设备需符合该等级。析出的少量燃气由自然排风的方式通过一个独立的透气管不断排至开敞甲板上，远离任何着火源。曲轴箱滑油液位需受监测以确保在正常情况下滑油吸口始终处于滑油液面以下，没有燃料气体被直接吸入。机器曲轴箱以及滑油日用舱上装有一个手动的气体探测接头和一个惰性气体接头，经良好的脱气处理后，滑油才从日用舱的舱底吸出并被抽到分离器和过滤器。确保在启动任何维修工作之前不存在爆炸性气体［7］。

滑油泵、滤器、分油机等中间处理设备虽然理论上也参与了曲轴箱内滑油处理，但原则上处理过程中不会有燃气析出，因此这些设备无需考虑会有大量燃气积累而形成爆炸性危险环境，也不必设置专门的防爆预警系统。目前各大设备制造商以及船级社都统一不对其做防爆等级要求。

4 双燃料发电机冷却水系统

双燃料发动机的低温和高温冷却水系统设计与滑油系统一样，需要考虑燃气的泄漏风险。

在正常操作范围下，冷却水系统中没有任何积累的未燃烧燃气，只有在被损坏的情况下才有大量燃气进入冷却水系统。不过，由于所泄漏的未燃烧燃气比空气轻，其可以由一个独立的透气管从膨胀水箱引到开敞甲板安全区域且不断自然排出，并远离任何着火源。该透气管应稳固向上安装以避免积累爆炸性气体，透气管自由端应安装一个火星熄灭器。膨胀水箱舱室内部的防爆等级为二级，所有电气设备需符合该等级。

考虑系统的维护，冷却水膨胀水箱上应装有一个手动气体探测接头和一个惰性气体接头，以确保在启动任何维修工作之前，内部不存在爆炸性气体［7］。

5 双燃料发电机排气系统

排气系统的设计同样需要考虑燃气模式下，部分未燃烧的燃气进入排气系统，并在排气管内聚集。因此对于双燃料机器的排气管不允许有水平走向管，排气管需要一直向上倾斜，并且在燃气模式停止后需要一个排气通风装置对排气管进行通风，见图10。［6］在排气管上还需要根据仿真模拟计算爆破过程，确认安装爆破片的位置。这样，即使排气管内的燃气发生爆炸，大量燃气混合物以及产生的冲击波也可通过爆破片通道释放到机舱外面，从而保证主机部件安全。

图10 排气通风装置

6 结 论

目前FLNG和双燃料柴油机还是相对新生的事物，几大主机制造厂和船级社都在合作进行研究和规范修改。比如IMO于2014年9月对IGC规范的首次重大修改，就是在全面回顾5年内科学技术领域最新进展的基础上形成的，其中包括FLNG和双燃料柴油机的出现所带来的规则变化。随着类似项目使用经验的积累和主机制造厂新技术的应用，以后双燃料机器在FLNG上的应用一定会向着安全、高效、经济的方向不断前进。对我们设计人员来说，也需要随时关注新技术的出现和规范要求的更新。

［参考文献］

［1］“一触即发 FLNG市场即将迎来井喷”［EB/OL］. ［2012-8-17］. http://www.csic.com.cn/zgxwzx/csic_ cshq/233639.htm.

［2］ Wärtsilä. Wärtsilä Dual-fuel Engines.瓦锡兰双燃料发动机［M］.［s.l.］：Wärtsilä，2012.

［3］ Wärtsilä. DAAB041420（Rev.j）［M］. Finland：Wärtsilä. 2010.

［4］ 中国船级社. 散装运输液化气体船舶构造与设备规范［M］. 北京:人民交通出版社，2006.

［5］ MAN Diesel & Turbo. MAN Diesel & Turbo.L35-44DF Marine Product Presentation［M］. ［s.l.］：MAN Diesel & Turbo， 2012.

［6］ Wärtsilä. Installation Planning Instructions［M］.［s.l.］：Wärtsilä，2012.

［7］ MAN Diesel & Turbo. Safety concept dual fuel engines［M］. ［s.l.］：MAN Diesel & Turbo，2012.

［中图分类号］U664.13

［文献标志码］A

［文章编号］1001-9855（2015）03-0067-07

［收稿日期］2014-11-21；［修回日期］2014-12-08

［作者简介］孙小潍（1979-），男，硕士在读，工程师，研究方向：热力发动机。

Application of dual fuel generator in FLNG

SUN Xiao-wei

(1. School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Nantong Rainbow Offshore & Engineering Equiments Co., Ltd., Nantong 226200, China)

Abstract：Recently， the fl oating liquefaction gas unit attracts more and more attention of major energy companies and countries. As a new product， its application and relevant regulation are still at the stage of researth and development. The key power generators of the unit are dual-fuel generators with different fuel gas supply system and other service systems from traditional diesel engines. Based on the fi rst FLNG project in China， this paper introduces and analyzes the features and the design requirements of main systems of the dual fuel generators.

Keywords：LNG-FPSO； dual fuel generator； natural gas； fuel gas system