20 MW LNG发电船方案设计与分析

刘建朔, 温小飞, 郁惠民, 汪家政

(1.中交城乡能源有限责任公司，北京 100020；2.浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山 316022；3.舟山长宏国际船舶修造有限公司，浙江 舟山 316052)

0 引 言

液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)是一种清洁能源，作为燃料比柴油可减少90%的硫氧化物排放，减少40%的氮氧化物排放。在CO2排放控制方面，煤炭、柴油、汽油和天然气这4类能源的碳排放系数比为1∶0.8∶0.74∶0.6，即天然气替代煤炭、柴油和汽油可分别减少40%、25%和19%的CO2排放。LNG作为船用燃料，满足《国际防止船舶造成污染公约》第三阶段氮氧化物排放限值要求，自2022年1月1日起，我国海南在全国沿海率先开始执行这一最严政策。在碳达峰、碳中和发展目标和能源革命的推动下，航运业能源转型进程不断加快，LNG作为最佳的过渡燃料，清洁降碳效果明显。从全世界2022年一季度新造船舶订单来看，按新造船舶总吨位规模计算，约57%的新造船舶采用LNG作为燃料。在全世界现有船队中，超过270艘为LNG预留方案。全世界绿色燃料港口基础设施越来越多，正在运行的LNG燃料加注港为144个，设施在建港口为94个。

以LNG为动力的新型船舶正在大力发展，但较多老旧船舶尚未改装低硫燃料设备，该类船舶在港口停泊期间，需要连接岸电或使用清洁能源等替代方案，以满足排放控制要求。随着“海上丝绸之路”的建设，沿途发展中国家的港口、岛礁、城市急需电力供应的配套设施，例如瓜达尔港、比雷埃夫斯港等港口[1]。多功能LNG发电船是以LNG作为燃料、通过LNG发电机组产生电力、实现电力和LNG输出的多功能船舶，不仅可广泛用于我国大型沿海港口，为靠港船舶提供电力供应和LNG加注服务，而且可用于电力缺乏的沿海发展中国家，并可为我国南海岛屿、群岛的前期开发提供综合能源供应[2]。

基于上述需求分析，开展多功能LNG发电船设计研究工作。该船设计发电能力为20 MW，其功能与特点如图1所示。

图1 多功能LNG发电船功能与特点

1 发展现状

目前，LNG发电船的设计和建造处于世界前沿，仅德国和韩国等国实现建造。按国际使用方式，LNG发电船分为两类。

第一类是为靠港船舶提供岸电的浮式发电船，例如2015年在德国汉堡投入使用的Hummel号浮式LNG发电船，主要为汉堡港临时停靠的邮船提供电力[3]。该船船长为76.0 m，船宽为11.4 m，通过使用在LNG罐中储存的15 t天然气，利用5台卡特皮勒G3516C LNG发电机，采用热电联产技术进行发电，船上带有蓄电池组，可对外提供7.5 MW电力供应。该船运营商在周边城市建造岸基LNG加注站，可保证LNG燃料的及时补给。在无靠港邮船时，该船产生的电能可直接输入城市电网，保证该船的利用率和经济价值。

第二类是大型LNG发电船，主要用于为某个国家或地区的居民和工业用户供电，输出功率一般在110～250 MW，现今主要使用方为马来西亚、黎巴嫩、伊拉克、委内瑞拉、安哥拉、菲律宾和巴基斯坦等基础建设落后的国家。该型船的主要优势在于电力投入使用时间短、灵活机动、效率高，并可填补当地电厂建设的空档。例如土耳其Karpowership公司运营的Karadeniz Powership Ibrahim Bey号发电船，装机容量为120 MW，于2020年2月在科纳克里开始运营，可满足几内亚10%的总电力需求。Karpowership是全球最大的发电船运营公司，拥有约20艘发电船，分别布置在印度尼西亚、加纳、苏丹、黎巴嫩和古巴等地，发电能力总计达3 000 MW。

我国在LNG发电船设计和建造方面处于起步阶段。中国船级社(CCS)于2016年立项研究LNG发电船，于2018年发布《发电船检验指南》，为发电船的设计和检验提供规范性指导[4]。2021年，惠生海洋工程有限公司宣布，投资开发的240 MW浮式燃机联合循环电站项目顺利开工建造，标志中国浮式天然气发电装置正式进入实施阶段。该项目由1座LNG浮式储存及再气化装置(Floating Storage and Regasification Unit，FSRU)和1艘240 MW的联合循环天然气发电驳船组成。

2 LNG发电船主要系统

2.1 LNG液货系统

在大型LNG运输船和大型LNG动力船上使用的液货系统多为薄膜型(GTT NO96和GTT MARK Ⅲ)，少量LNG运输船使用Moss型和自支撑棱柱B型(Self-supporting Prismatic IMO Type B，SPB)液货舱。世界上约90%的大型LNG运输船使用GTT薄膜型货舱。Moss型货舱的球形体积因占用空间过大和上甲板部分影响驾驶视线等缺陷逐渐被淘汰。SPB液货舱具有操作简单、维护简易、液舱与内壳的间距方便处理等优点，部分LNG运输船应用。

中小型船舶的LNG储存一般采用独立液货舱，主要分为A、B和C等3种类型。A型液货舱由平面结构组成，最大允许设计压力要求不大于0.07 MPa。C型液货舱分为单圆筒、双耳圆筒或球形等3种结构形式，作为压力容器具有承压能力强、技术成熟和建设成本低等特点。

在小型LNG运输船和LNG动力船上多为C型LNG货舱。薄膜型、SPB和A型货舱围护系统由于可贴合船体线型进行设计，因此在货舱容积方面往往优于C型货舱，但其建造成本较高，未达到在小型船舶上应用的阶段。对于储存5万m3LNG以下的船舶建议采用C型货舱。

2.2 LNG燃料供应系统

LNG燃料供应系统主要用于为天然气发动机提供压力和温度均满足要求的天然气，设置燃料泵、汽化器、蒸发气体(Boiled Off Gas，BOG)压缩机、加热器、燃料缓冲罐和相应管路与阀件。燃料泵设置在LNG货舱内，每舱设置1台。货舱内的LNG通过燃料泵输送至换热器，进行汽化和加热，转变为常温气态天然气(Gaseous Natural Gas，GNG)，先后进入燃料缓冲罐和发动机。燃料缓冲罐主要作用是确保进入发动机的燃料气体流量和压力稳定，并可储存LNG货舱因蒸发而产生的GNG，燃料缓冲罐的容积需要根据发动机的能耗确定。LNG燃料供应系统如图2所示。

图2 LNG燃料供应系统

加热LNG燃料的热源来自发动机缸套水或电加热器，缸套水或电加热器不能直接加热天然气燃料，需要设置间接加热系统，即水/乙二醇循环系统，先加热水/乙二醇，由水/乙二醇加热LNG汽化器和加热器。所有LNG管系和阀件材料均采用316/316L材料，并进行低温试验，且取得相应的船舶检验证书。低温管路包覆绝缘材料，并外包不锈钢板。

2.3 对外供电系统

LNG发电船对外供电主要分为船-船和船-岸两种模式，由3个部分组成，分别是船上供电系统、电缆连接系统和船(岸)上受电系统。船-岸电缆连接系统如图3所示。

图3 船-岸电缆连接系统

我国船舶电制大多为440 V/50 Hz或380 V/50 Hz，而国际上的船舶用电频率以60 Hz居多，电压为440 V或6.6 kV等。根据电压的不同，对外供电系统可分为高压供电系统和低压供电系统，高压供电系统主要是指电源输出为6.6 kV/11.0 kV或以上的电源系统。高压供电系统相对于低压供电系统，在操作方面具有较大优势。由于高压供电可用较少电缆实现大容量供电，具有连接便捷化和操作自动化等优点，因此发电船优先考虑高压供电系统[5-6]。

2.4 并网保护系统

并网保护系统是指发电船对外供电装置和船(岸)上电力接入设备对电源具有过压、欠压、过流、短路和缺相等保护功能。设置联锁装置，在发电船上出现供电开关未合闸或连接插头未插接等情况时，确保断路器不能闭合，并可启动应急切断功能。以船-船模式为例，为实现受电船的不间断供电，通过发电船电站管理系统检测发电船电源和受电船电源的频率、相位和电压等信号，计算合闸时间，确保发电船电源成功并入受电船电网，在完成负载转移后再断开受电船自身电源系统，保证供电的连续性，使各设备在不停电的情况下正常运转。LNG发电船的电气系统是一个综合的辅助系统，不仅需要考虑发电船自身的电气系统需求，而且需要适应不同供电对象的各自特点和实际需求[7]。

3 模块化设计

3.1 船体设计

该20 MW多功能LNG发电船主要用于船舶、海上平台、浮式生产储卸油装置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)、港口和小型岛屿等需要电力供应的设施和地区。该船设置电力推进系统，相比目前世界上现存的LNG浮式发电船而言，具有移动灵活的特点。该船设计总长为112.0 m，型宽为30.0 m，型深为11.0 m，吃水为4.7 m。

货舱区域布置2个5 000 m3的C型LNG液货舱，机舱布置4台5 090 kW和1台1 065 kW气体发电机组，艏部设置1台艏侧推进装置。该船设计总图如图4所示。

图4 设计总图

3.2 LNG管路系统设计

该船LNG液货系统和LNG燃料供应系统总图如图5所示。

图5 LNG液货系统和LNG燃料供应系统总图

(1)LNG液货系统设计

该系统设置LNG货物管路，LNG货物通过船上的集管由岸上或LNG加注船接收，采用2路液相管和1路回气管，满足石油公司国际海事论坛(OCIMF)对货物集管的要求，在集管上配置计量器，管路最大流量为液相管8 m/s、气相管25 m/s。所有遥控阀均采用液压驱动，相关的遥控阀按规范要求由应急关断系统(Emergency Shutdown System，ESD)进行控制。通过液货系统，该船可为其他LNG动力船舶提供LNG补给服务。

(2)LNG燃料供应系统设计

该系统设置2台燃料泵、2台汽化器、2台压缩机、3台加热器和1个燃料缓冲罐，供气量为所有主发电机组全负荷100%最大持续功率(Maximum Continuous Rating，MCR)工况条件下的总燃气消耗量。燃料泵位于LNG货舱内，汽化器、压缩机和加热器位于货舱凸起甲板上的燃气设备间。燃料缓冲罐设计容积为10 m3，设计压力为10 bar(1 bar=0.1 MPa)，正常工作压力为6 bar，燃料缓冲罐通过管路连接机舱内的5台天然气发动机。

(3)测量和控制系统设计

该系统对货物和燃气系统进行控制和参数监测，并具备应急关断功能，实现对燃料泵、水/乙二醇泵和压缩机等设备的启动控制和应急关断阀的开关动作。

在LNG货舱内设置液位、温度和压力测量装置，可随时监测货舱内的液位、温度和压力数据，并设置液位和压力报警系统。每个货舱设置独立的95%和98%液位报警系统，在货舱液位发出液位报警时，LNG进口阀可自动关闭。根据压力释放阀的最大允许调定值设定高压报警，在货舱压力达最大允许调定值时，压力释放阀可自动打开，进行压力释放。

按规范规则要求，设置1套可燃气体探测系统，用于货物设备间、货舱处所、货舱区域压载舱和安全处所的通风进口可燃气体测量。

(4)氮气系统设计

配备1套采用高分子膜变压吸附式(Pressure Swing Adsorption，PSA)的氮气发生器，由压缩机模块、气体干燥模块、吸附分离模块、氮气瓶和相关管路等组成。氮气系统主要用于管理吹扫。

3.3 电力-推进复合系统设计

该系统将船舶电力系统和推进系统组成一个整体，将动力机械能转化为电能，为船舶推进和船上其他用电设施提供电能，将船舶推进供电和日常用电合为一体，实现能源的综合利用和统一管理。该系统主要包括自动电站系统、推进系统和控制系统等3个部分。自动电站系统设置主配电柜、中压配电柜和应急配电柜等。主配电柜是全船的供配电中心，根据全船用电设备的实时要求合理分配电能，为各发电机组和用电设备提供保护功能，如过载、短路和欠压等，并监测电网的绝缘情况。设置功率管理系统，控制和调节船舶的电网功率，控制对象为发电机组和主配电板，对各发电机组和推进系统进行监控并协调各发电机组的工作，对供电系统进行故障报警和处理，为推进系统和其他用电设备提供可靠、稳定和优化配置的电力能源。

该船的电力来自4台5 090 kW和1台1 065 kW的天然气发电机，并设置1台约130 kW的应急发电机。推进系统采用全回转动力，设置2套900 kW的12脉冲水冷变频柜、2套800 kW的水冷电机和2套全回转舵桨。发电机组电能经中压配电柜分配功率至变压器，经推进变频器传动推进电机，将动能传递至全回转舵桨。为满足动力定位和灵活停靠码头的要求，艏部设置1套艏侧推进系统。控制系统包括全回转舵桨控制系统、侧推进控制系统和机舱监测报警系统。全回转舵桨控制系统采用现场总线网络通信，左右舵桨结构独立，具备对每套推进驱动设备的分别控制，可监测推进系统内的所有设备运行状态，并进行相应保护。该船的电力和推进系统如图6所示。

图6 电力和推进系统

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4 结 语

随着我国“双碳”目标的提出和节能减排技术的发展，LNG作为燃料在海洋运输领域应用日趋广泛。LNG多功能发电船作为高附加值新船型，具有建设周期短、移动灵活和不占陆地资源等优点。我国LNG多功能发电船开发处于起步阶段，需要结合LNG运输船设计经验，研究LNG燃料供应系统、LNG液货系统、全船电气化系统和先进推进系统等方面的技术问题，以形成系统性LNG多功能发电船设计方法，并进行更多的设计方案探索。