FSRU机舱精简节能布置方案

朱崇远,朱永凯,时光志,张海涛,斯园园

(中海油能源发展股份有限公司 采油服务分公司，天津 300452)

FSRU在气化作业时，需要机舱输送大量的海水到气化单元进行加热，一般装备有3条250 mmsfcd的气化链，需要配备至少3台7 500 m/h的海水输送泵，为其输送气化加热用的海水，海水泵的消耗功率一般在3 260 kW左右，再加上气化单元根据季节不同的9～18 MW电力消耗，FSRU配备的电站容量都很大，同时，需加上备用的储备功率，必须有21 MW以上的容量。如果采用内燃机发电机组，一般需要配备4台6 800 kW的内燃机发电机才能满足FSRU的作业时，3台使用1台备用的需求。为了满足FSRU-LNGC的航行需求，机舱内还会布置2台二冲程的低速内燃机以及为其服务的燃油、滑油、淡水冷却等辅助系统。现有的主流FSRU-LNGC机舱布置见图1。

图1 现有的主流FSRU机舱布置方案

现有的舱容在17万m级的FSRU，其机舱内的设备繁多，其机舱内设备配置相似，布局也相近，加上与配套的舱内设备，机舱饱和度非常大。如图1所示：其机舱的主要设备有4台7 MW四冲程LNG+MDO双燃料内燃机,2台负责推进的LNG+MDO双燃料二冲程内燃机及辅助这6台内燃机工作的空压机、冷却器、分油机等。

按照同类设备平均故障率计算，FSRU机舱内由于设备总量基数大，造成了FSRU船舶建造成本高，作业过程中故障多，管理成本提高等问题。为此,讨论精简节能布置方案，用以减少设备配置，降低故障总数和管理成本。

1 FSRU的精简节能布置方案

17万mFSRU-LNGC机舱布置方案中，机舱设置2台(2×13 000 kW)主推进兼发电双燃料内燃机(下称左、右双燃料二冲程内燃机)、1台8 000 kW的双燃料四冲程内燃机发电机，1台最大容量为8 000 kW蒸汽透平发电机，主要回收双燃料内燃机的排气余热，产生的蒸汽发电，也可以双燃料内燃机不工作时，接收从锅炉里产生的蒸汽用于发电，但是这种工况不经济，使用较少，仅用备车机动航行状态。布置方案见图2。

图2 FSRU机舱布置图

左、右双燃料二冲程内燃机连接齿轮箱，通过改变推动齿轮箱的齿轮位置，可以改变推进内燃机的功能，使其具有“仅发电”“PTI”“PTO+推进”功能。这种布置方案，在气化作业时，发电机数量做到了100%冗余，比之前的3台使用1台备用，33%冗余有了明显的提高。设备的数量比传统的布置方案，也有了明显的下降，在设备故障率不变的情况下，故障的数量也明显下降，设备购置费省去了3台7 000 kW的双燃料四冲程内燃机发电机组的购置、安装调试费用，增加了1台蒸汽透平发电机组的购置、安装、调试费用，两者相差大约一亿元人民币，建造购置、安装、调试费用合计可以节约FSRU总造价的10%左右。

2 FSRU优化布置后的运行状态

2.1 航行工况

对于FSRU转换作业地点，或者作为LNG运输船使用时，左右2台双燃料二冲程内燃机主要承担航行推进功能。需要将齿轮箱置于“推进”+“PTI”模式，此时，2台位于机舱下部的推进二冲程内燃机运行，2台二冲程低速双燃料内燃机产生的烟气经废气锅炉(经济器)回收热能，一般内燃机排烟中含可回收热量占燃料化学能的10%，2台主内燃机的总功率是26 000 kW，排烟中有近25 000 kW化学能，其中约9 000 kW的烟气中的热量可以被经济器内的锅炉水吸收，锅炉水被排烟余热加热后沸腾后，由炉水循环泵加压进入锅炉气鼓中进行汽水分离，产生蒸汽，产生的蒸汽在纯柴油机动力船，用于加热燃油舱、柜、和燃油、滑油分离，但是在以天然气为主燃料的船舶上，蒸汽的用量很少，如果没有合理利用，只有通过大气冷凝器，用海水冷却后，白白进入海洋中。还要浪费电力，使用海水泵输送海水到蒸汽冷凝器冷凝蒸汽，由于海水与蒸汽的温差较大，蒸汽冷凝器的海水冷却管变脏的频率较高，需要经常清通。

优化布置方案中，使蒸汽进入蒸汽透平发电机发电，节约双燃料四冲程内燃机的运行发出的电能约1 500 kW,除了供应船舶航行所需的辅助机械、通风空调、照明、航海仪器等最高1 000 kW外，还有多余的近500 kW，可以在PTI的模式下输入轴带的发电机，以电机驱动的方式，通过齿轮箱驱动尾轴，推动螺旋桨，实现节能。以1 500 kW功率计算，每天至少可以节约LNG4 t，价值约1.2万元人民币，每年至少减少燃料费400万元人民币，经济性有了很大的提高。由于航行时消耗的燃料总的数量降低了，相比没有安装烟气节能经济器和蒸汽透平发电机的FSRU和纯LNGC，能效比可以提高6%以上，市场竞争力将提高明显。

2.2 FSRU气化作业模式

这是消耗电力最大的工况，对此工况，需将双燃料二冲程内燃机的齿轮箱置于发电位置，参与发电，1台二冲程推进内燃机的功率是130 000 kW，此时推进二冲程内燃机产生的烟气中还蕴含有约13 000 kW可利用的热量，经过废气锅炉经济器，可供透平发电机发出约8 000 kW的电能，可以并入电网，降低双燃料二冲程内燃机的的运行功率，达到节能的效果。由于参与发电的双燃料内燃机不是满负荷工作，可回收烟气的热能也不能按照满负荷计算，一年可节约800～900万元人民币的燃料费用。由于季节不同，海水的温度不同，海水的焓值也不同，气化LNG的能力也不同，当海水温度较低的时候，需要投入更多的电力去加热海水。

为了应对海水温度变化导致用电负荷不同，排列出6种电力机组合配电运行方案，见表1。

表1 FSRU6种组电力机组组合方式

从表1可以看出，优化布置方案相对传统的布置方案，冗余度更高，当有机组因故障不能投入运行时，可以有较多的方案从容应对。相比而言，第1、2、3种组合对最高负荷需求的所有内燃机产生的排气传热都可以回收利用，属于节能工况，可以用于所有季节的工况，每天可以节约LNG 消耗4 t左右，价值约1.2万元人民币，每年可以节约燃料费用400万元。但是对于蒸汽不足的第4、5、6种组合，由于蒸汽需要由锅炉产生，相对双燃料内燃机发电机组，效率还相对低一点。只能适用于海水温度比较高的季节，由于蒸汽透平的效率偏低，这3种工况只适用于应急或部分气化工作的工况下。

在FSRU气化作业模式下，与传统的布置方案相比，采用优化布置方案的FSRU，由于吸收了排烟中的热量，能效比更高。

2.3 机动航行工况

机动航行工况虽然不是很多，但是不可或缺。机动航行工况下，由于机动航行工况废气锅炉经济器中产生的热量不稳定，3台内燃机和透平发电机都要参与工作，透平发电机的蒸汽主要来自辅锅炉中，在机动航行时，大部分的电功率由主发电机承担，透平发电机只是做内燃机发电机的备用，基本上维持运转，消耗并不大。虽然蒸汽透平发电机的效率不高，但是此时的浪费并不大，毕竟机动航行的机率和运行时间并不是很多。

2.4 应急工况

1)机动航行工况下，如果双燃料四冲程发电机组和蒸汽透平发电机同时不能运转，此时，需要锁定1台左或右双燃料二冲程内燃机中的1台作为发电机使用，将作为发电机使用的1台双燃料二冲程内燃机的齿轮箱置于发电位置，并运转到发电运行额定转速，另一台双燃料二冲程内燃机维持机动航行。

2)机动航行工况下，如果双燃料二冲程内燃机均不能工作，此时需要将2台双燃料内燃机的齿轮箱均置于PTI模式，蒸汽透平发电机和主发电机均投入工作，透平发电机的蒸汽来源来自辅锅炉和双燃料四冲程发电机组的余热，船舶电站除了供应机动航行需要的全部负荷外，其余全部用于PTI推进螺旋桨，维持船舶的低速运行，待船舶进入安全状态后，再进行修理。

3)FSRU气化作业时，如果双燃料二冲程内燃机与其他机组组合中，即2、3、4、5组合中双燃料二冲程内燃机发生故障，需要停车处理，应急操作时需要停用次要负荷，甚至停止一条气化链的气化生产，同时将备用的双燃料二冲程内燃机和双燃料四冲程发电机同时启动配电，并且开启锅炉为透平发电机供汽，投入透平发电机，共同承担所有电力负荷，因为双燃料二冲程内燃机的机械惯性和热惯性相对较大，需要一定的时间(加速率与机型的热和机械惯性有关)，待到双燃料二冲程内燃机按照加负荷程序，机油和冷却水温度达到正常温度后，再加上全部负荷，恢复停止的气化链和次要负荷。

3 结论

精简后节能的FSRU布置方案完全满足LNG运输和FSRU气化作业的需要，节约了初置设备费用，并且在使用过程中节约LNG耗量，经济效益有所提高；机舱内设备饱和度降低，故障总数也随之降低，节约了管理成本，双燃料二冲程内燃机结构简单、效率高、转速低、故障率低、维修保养方便，船员劳动强度减小，人工和管理成本也将随之降低。