蒸汽透平推进式LNG船改造为FSRU的发电方案研究

朱崇远，夏华波，刘剑楠，郑 坤，韦晓强

(中海油能源发展股份有限公司采油服务分公司 天津300452)

0 引 言

我公司在 21世纪初曾经引入日本技术建造了10艘 14.7万方 LNG运输船，由于这批船采用锅炉燃烧运输 LNG自然蒸发气体，当自然蒸发气(BOG)不足时，则需强制蒸发货舱里的 LNG形成蒸气后进入天然气锅炉(型号：MITSUSHI MB-4E-KS2，61.8@515℃×6500kg/h)，产生高压水蒸气驱动蒸汽轮机(型号KAWASAKIUV400，27200kW@832rpm)运转，并带动螺旋桨来推进船舶运行。

由于这批船舶采用了主锅炉+主透平这种相对落后的驱动方式，根据本公司的能耗报表：使用这种驱动模式的船舶，平均能耗为 66.18t/万 kW·d，而使用双燃料发电机+电动驱动的船舶能耗为53.12t/万 kW·d。两者相差 26.05%。由于 LNG 运输船的装机功率大，每天燃料消耗费用相差接近十万元人民币。LNG耗量较高再加上这批船建造时间较长，船龄较高，在 LNG运输市场竞争中，处于相对劣势地位，已经不容易争取利润较高的合同。

按照惯例，很多船龄稍高、竞争不占优势的LNG运输船，一般会改造成浮式LNG气化装置FSRU使用。根据现有案例，这种船改造成 FSRU的难点和关键技术在于其电力系统改造。

1 LNG船推进及电力类型概述

除蒸汽透平推进装置外，LNG船使用的还有双燃料电力推进装置和双低速柴油机联合再液化推进装置[1-2]。2002年有 2艘 LNG船采用了双燃料电力推进装置，2004年有8艘LNG船采用了双低速柴油机联合再液化推进装置，目前已有大量 LNG船采用了这两种推进装置。

1.1 蒸汽透平模式

如图 1所示，LNG船蒸汽透平推进方式一般配置 2个锅炉，可采用重油和 BOG两种燃料。其推进系统分别配置高压和低压蒸汽透平，锅炉蒸气通过高、低压蒸汽透平转化为输出动力，并经由减速齿轮箱驱动定距桨转动。此类型船舶的电力系统，通常配置2台蒸汽透平发电和1～2台柴油机发电。

图1 传统蒸汽透平驱动方式Fig.1 Schematic diagram of traditional steam turbine drive

1.2 双燃料电力推进模式(DFDE)

随着 LNG船日益大型化，由于传统蒸汽推进成本较高，为了降低成本，提高货物装载，LNG船型发生了变化，船宽和船长逐渐增加，船舶舱容更大了。尺度变化导致大型 LNG船成为了浅吃水船型，推出了采用双桨和双导流尾鳍，以匹配推进功率的增加。运营使用的双桨方案有机械推进和电力推进两种。

随着中压系统的发展和双燃料发电技术的成熟，双燃料电力推进成为中型 LNG船的首选。与蒸气推进系统相比，采用双燃料电力推进方案的系统在提高效率、减小总装机容量、低排放、操作机动性和灵活性等方面有明显的优势[4]。如图 2所示，该种推进方式采用双燃料发电机组产生电能，供给船舶推进电动机组，经减速装置减速后驱动螺旋浆转动。除推进装置外，该种方式船舶其他电力也由双燃料发电机组供应，便于电力管理。

图2 双燃料电力推进方式Fig.2 Schematic diagram of dual fuel electric propulsion

1.3 双低速柴油机推进模式(ME-GI)

随着LNG市场需求的快速增长，LNG运输船尺度越来越大，出现了一系列卡塔尔型超大型 LNG运输船，液货舱容在 20万 m3以上。由于双燃料发电装置在单机容量和系统总功率需求上难以满足20万m3以上的超大型 LNG运输船需求，故其一般采用双低速柴油机的直接推进方式(ME-GI)。如图 3所示，采用2个两冲程推进柴油机分别直驱动螺旋桨，一般该模式下，全船发电系统需要另配双燃料发电机。

图3 双低速柴油机推进方式(ME-GI)Fig.3 Schematic diagram of propulsion mode of dual low speed diesel engine

2 现有蒸汽透平推进 LNG船改造 FSRU的电力系统设计

由于双燃料发电机推进方式和双低速柴油机联合再液化推进方式是当前 LNG运输船的主流，一些老式的蒸汽透平推进型LNG船逐渐失去了市场竞争力。随着 FSRU 市场的兴起[5]，尤其是当前主流的带自航功能的 FSRU，给蒸汽透平式 LNG船重新提供了市场机会，这主要是因为蒸汽透平式 LNG船改造FSRU比新建FSRU投资和工期方面的优势。

本文以14.7万m3LNG运输船改装为FSRU涉及到的电力系统改造为例进行说明。14.7万 m3LNG船及其改装成的FSRU相关参数如表1所示。

表1 船舶参数Tab.1 Ship parameters

LNG运输船和 FSRU海工设施的设计理念不同，LNG运输船以运输为主，其主要负荷在于航行时大功率主蒸汽透平的推进需求，采用27200kW@832rpm的蒸汽透平驱动螺旋桨为船舶提供强大的动力，其船舶电力需求相比 FSRU小得多。FSRU主要是近岸气化作业为主，高峰时气化用电负荷比较大，对于有 3条气化链的 FSRU，当高峰气化能力达到 3×250mmscfd(百万标准立英尺每日)时，其峰值用电功率需要高达 16981.6kW 的大功率负荷。

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如果将这条 LNG运输船改造成为 FSRU，为了满足强大的电力需求，现在普遍使用的一种方案是在船艉部增加发电模块单元。如图 4所示，将船艉整体加强后，在绞缆机上方约 2.5m的位置增加发电模块，具体包括，3台 LNG双燃料发电机，2台燃油分油机、2台滑油分油机、发电机水雾保护系统、模块整体 CO2气体保护系统、发电机警报系统，排气系统、燃油系统、通风系统、污水污油系统。预计整个模块的重量400t以上，造价大于2亿元人民币。

图4 FSRU总布置Fig.4 General arrangement of FSRU

这个接近 20000kW 的模块，至少需要值班/维护人员 10人(含倒班休假人员)，一年的人工费用约300万元人民币；还有中速机大量备件、备品和滑油费用以及特殊情况下制造商服务人员所需的费用。

据日本船级社统计，船用中速机的故障率是0.4×10-3次/h，如果这条 LNG 运输船改造成了FSRU，不考虑其他因素造成的减产，单因为发电模块造成的原因，就可能至少存在 0.4×10-3次/h减产的可能，而且一旦有一台双燃料发电机出现故障需要维护或正常保养时，其他两台的发电机不能满足年产需要的电量，必需降低气化单元的气化量，来降低电负荷，才能保证其他两台发电机安全运行。

3 电力系统改进方案

为了降低投入成本、降低运营成本和故障率、降低管理和维护人员费用，对常规电力方案进行了改进，提出了通过在主蒸汽推进透平的尾部增加离合器，增加轴带发电机进行发电的模式来解决上述问题的方案。具体方案如下：在空间相对合适的位置，撤掉一节中间轴，增加一台同等长度的离合器齿轮箱，在离合齿轮箱内，设计气动活塞推动浮动轴，与原输出轴内外齿轮啮合连接，靠气动活塞可以推动浮动轴向前后运动，为此设置了限位报警，浮动轴到位后，有工作模式显示。设计盘车机与浮动轴连接/脱开机构，非常方便齿轮的啮合。

为便于使用和维护，离合器设有 3种状态模式，分别为：检修模式，航行模式，发电模式。

3.1 检修模式

如图 5所示，检修模式下，主输入轴与发电机和螺旋桨均不连接，方便主蒸汽透平的检修。

图5 检修模式连接示意图Fig.5 Schematic diagram of maintenance mode connection

3.2 航行模式

如图 6所示，航行模式下，主蒸汽透平通过主动轴的内外齿轮啮合与螺旋桨相连，当FSRU前往作业地点、迁航、避台或者前往船厂维护时，采用这种模式。

3.3 发电模式

图6 航行推进模式连接示意图Fig.6 Schematic diagram of navigation mode connection

图7 发电模式连接示意图Fig.7 Schematic diagram of power generation mode connection

如图 7所示，气化作业时，电力需求大，采用主透平发电模式，主驱动轴通过齿轮与发电机连接，并与螺旋桨脱开。主蒸汽透平具有 27200kW@832rpm的总功率，我们可以通过调节蒸汽流量使其达到16981.6kW 的电功率(表 1)，不需要其他发电机配电，即可满足气化作业时的全部需求。

图 5至图 7中部件的标注号分别表示：1-推进轴，2-输入齿轮，3-发电机输入轴，4-气动控制箱，5-浮动轴，6-螺旋桨轴，7-蒸汽透平轴内齿轮，8-外齿轮，11-条形外齿轮，41-气动活塞，51-环形件，52-条形内齿轮。

4 对比分析

4.1 改造配套增加的设备比较

改造配套增加的设备比较见表2。

表2 电力方案比较表Tab.2 Comparison between power schemes

4.2 传统方案存在的问题

4.2.1 结构设计难度大

尾部为系泊甲板，发电模块设计位于其上方，且重量较大(约 1000t以上)，同时尾部系泊设备和缆绳布置比较复杂，且新增电站模块的结构属件不得与下方的系泊设备布置冲突，也不得改变原有系泊缆绳布置的走向。因此，该位置的新增发电模块结构设计无母型船经验可参考，无法参考常规上建结构的方案，设计难度很大。

4.2.2 操作困难

由于尾部系泊甲板新增发电模块，限制了尾部甲板的作业空间，不利于系泊等尾部甲板操作。

4.2.3 投资额比较大

新增尾部双燃料发电机组模块，需要大约2亿元人民币的投资，施工成本和管理成本都比较大。预计在后期运营过程中，由于双燃料发电机的故障率为0.4×10-3次/小时，需要有 6人正常值班和维护，4人倒班，人员费用需要300万元，还需要有500万元/年的备件及滑油消耗费用。

4.3 本方案的优势

与船尾新增发电模块方案相比，新方案充分利用了船上已有设备，具有简便易行、造价低、船东易承受改造资金压力的特点；相对于现行方案，具有故障率低、维护简单、需要维护保养人员少、停机维修时间短等优势；无结构重大改造，新增设备运行平稳、振动小、噪音低，更利于人员休息、工作；由于本方案在现有机舱进行改造，结构改造量和改造难度均比在尾部甲板新增双燃料发电机组小。

5 结 语

蒸汽透平发电具有故障率低、装机容量大，运行平稳、噪音低、运行成本低、维护人员少等优点，在电力系统实际应用中，采用蒸汽轮机发电的装机广泛程度甚至高于内燃机发电。本文以 14.7万 m3LNG船改造为750mm scfd气化功能需求的FSRU为例，分析了其电力系统的方案优化配置。研究认为，采用主蒸汽透平改进型发电方式更优于常规的新增双燃料发电方式，不仅技术可行，而且投资更低，大幅降低了改造成本，使成本回收时间缩短 2年以上，更有利于项目的实施。