雙燃料發(fā)電機在FLNG上的應(yīng)用

孫小濰

（1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200240；2. 南通潤邦海洋工程裝備有限公司 南通226200）

雙燃料發(fā)電機在FLNG上的應(yīng)用

孫小濰1，2

（1. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院 上海200240；2. 南通潤邦海洋工程裝備有限公司 南通226200）

［摘 要］浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置FLNG目前越來越受到各大能源公司和國家的關(guān)注，作為新出現(xiàn)的產(chǎn)品，其應(yīng)用和相關(guān)規(guī)范還處在不斷研究完善和發(fā)展階段。該裝置的動力核心是雙燃料發(fā)電機組，其燃氣系統(tǒng)設(shè)計和其他相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用與傳統(tǒng)柴油機有很大不同。文中以國內(nèi)首個FLNG項目使用雙燃料發(fā)電機為例，介紹并分析雙燃料發(fā)電機主要系統(tǒng)特點和設(shè)計要求。

［關(guān)鍵詞］浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置；雙燃料發(fā)電機；天然氣；燃氣系統(tǒng)

引 言

天然氣燃料因其先天減排優(yōu)勢，且價格低于一般燃油，近年來日益受到關(guān)注。隨著開采技術(shù)和海洋工程裝備技術(shù)的發(fā)展，國際能源公司提出天然氣液化和再汽化的革命性技術(shù)解決方案——FLNG（Flowing LNG Unit），也稱浮式液化天然氣生產(chǎn)儲卸裝置（LNG-FPSO），可以停泊在海洋油氣田附近提取井口天然氣，然后通過船上配備的開采、處理、液化、儲存和裝卸的相關(guān)設(shè)備，將處理過的天然氣液化、儲存并輸送到旁邊的貨船上（LNG-FSU），然后搭配數(shù)條液化天然氣運輸船（LNG Carrier），實現(xiàn)海上天然氣的開采和運輸。

利用FLNG進行海上氣田開發(fā)，結(jié)束了海上氣田只能采用管道運輸上岸的單一模式，既節(jié)約運輸成本、又不占用陸上空間，而且該裝置可以安裝在遠離人群居住的地方，安全環(huán)保。此外，F(xiàn)LNG還可以在氣田開采結(jié)束后二次使用，安置于其他天然氣田，經(jīng)濟性能較好［1］。

由本人參與的浮式天然氣液化再氣化存儲裝置的項目“Exmar Caribbean FLNG”屬于國內(nèi)首制，國際上僅有兩個類似項目同時在建。該裝置固定系泊在哥倫比亞北部海岸的近海碼頭，無自航力，長144 m、寬32 m、型深20 m，入法國船級社，掛利比里亞旗。每日可接收約225.40萬m3（7 960萬ft3）的井口天然氣并將其轉(zhuǎn)化為液態(tài)天然氣，臨時儲存在船體內(nèi)的儲存罐或傳輸?shù)脚赃叺腖NG船上，全年工作360天。

該裝置的上部天然氣處理和液化裝置采用的是美國Black &Veatch公司開發(fā)的PRICO工藝專利技術(shù)，包括過濾、脫酸、脫水和液化等功能。船體內(nèi)放置了三個由TGE公司提供的LNG儲存罐，每個容積約5 300 m3，總共容積約為16 000 m3。其余的船體、上建住艙以及全船電力供應(yīng)系統(tǒng)和相關(guān)輔助系統(tǒng)都由船廠提供。該裝置BOG的主要成分為甲烷CH4，含量約為89.63%，還包括其他乙烷12.9%、丙烷1.5%、重?zé)N1.365%和少量N2，折算成甲烷數(shù)后，滿足雙燃料機器對甲烷數(shù)最低80的要求。根據(jù)前期設(shè)計估算，該裝置正常液化工作時，艙內(nèi)產(chǎn)生的LNG蒸發(fā)氣（BOG）的蒸發(fā)量至少約9 t/h，而機艙兩臺主機100%功率時的用氣量約為1.75 t/h，甲板上的透平壓縮機用氣量約為6.26 t/h，小于貨罐內(nèi)產(chǎn)生的BOG的量，正常情況下將貨罐內(nèi)的BOG收集。一部分通過BOG壓縮機升壓到0.5 MPa，并加熱到0℃以上供給發(fā)動機和甲板上的制冷透平壓縮機，多余的BOG通過液化工藝流程再回到罐體內(nèi)。

該裝置的電力供應(yīng)系統(tǒng)由三臺Wartsila公司生產(chǎn)的低壓雙燃料發(fā)電機組成，型號為2×9L34DF（A型）+ 1×12V32DF（船東提供）。單臺機組的電功率為3 760 kW，正常工作時兩用一備。

本文主要針對W?rtsil?低壓雙燃料柴油機在FLNG上的應(yīng)用，分析雙燃料柴油機的工作特點和相關(guān)配套系統(tǒng)的應(yīng)用，供大家研究參考。

1 雙燃料柴油機工作特點

雙燃料系統(tǒng)的研究開發(fā)最早始于車用發(fā)動機，上世紀(jì)80年代，由美國能源轉(zhuǎn)換公司（ECI）開發(fā)了一種新型的雙燃料系統(tǒng)，并把兩臺高速柴油機改裝成為雙燃料發(fā)動機。如今商業(yè)投產(chǎn)的船用雙燃料柴油機廠家主要有W?rtsil?、MAN和MAK，目前三家的主流技術(shù)都集中在“高壓天然氣的缸內(nèi)直噴技術(shù)”和“低壓引燃技術(shù)條件下的燃氣噴射技術(shù)”上。本項目的發(fā)電機采用的是后者。

對于雙燃料柴油機設(shè)計，需要考慮的主要是在燃氣安全使用前提下保證機器功能的問題，機器的控制系統(tǒng)和配套系統(tǒng)的特殊要求都是圍繞安全和效率這兩個核心理念來設(shè)計的。

目前大多數(shù)雙燃料柴油機還是基于原來的機械構(gòu)造原理而設(shè)計的，這樣對柴油機本身來說不必做很大的改動就可實現(xiàn)雙燃料運行，只需要在機器燃料系統(tǒng)上增加一套供氣系統(tǒng)，同時機器上配置相應(yīng)的燃氣閥組和點火油噴嘴即可。主流的雙燃料柴油機在燃氣模式下需要噴射約1%的柴油用于點燃缸內(nèi)燃氣，而柴油模式下可以燃燒重油。對于MAN的部分小缸徑雙燃料機器，如28/32 DF和23/30 DF，點火油需要達到20%的量。這里需要指出：W?rtsil?的低壓雙燃料發(fā)電機采用的是組合式雙噴油嘴噴油器，即主噴油頭和點火油噴頭集成在一個噴油器上的設(shè)計，與其他廠家采用分離式不同。這樣設(shè)計無需為主噴油嘴配置額外的噴油嘴冷卻單元，而在燃氣模式下，主噴油嘴在缸內(nèi)高溫部分的熱量通過與點火油噴嘴共用的燃油管路中不斷循環(huán)的燃油帶走，避免主噴嘴在燃氣模式時始終處于高溫狀況下而導(dǎo)致?lián)p壞。

雙燃料柴油機的很多特性都因其引入天然氣作為燃料，導(dǎo)致其工作模式不同，主要分為以下幾種。

1.1 燃油模式：主噴油嘴工作+點火油噴油嘴工作

柴油機工作為傳統(tǒng)的柴油循環(huán)。開始進氣過程中只有空氣進入，活塞運動僅壓縮空氣，產(chǎn)生高溫，在壓縮結(jié)束前后噴入燃油，同時由于機器需要隨時準(zhǔn)備切換到燃氣模式，因此點火油噴油嘴也保持噴油動作。燃料被壓燃后，膨脹推動活塞，下行做功，見圖1。［2］

圖1 燃油模式

1.2 燃氣模式：燃氣注入+點火油點燃

柴油機工作遵循的是OTTO循環(huán)。進氣過程中燃氣噴入，壓縮過程中燃氣和空氣一起被壓縮，在壓縮終點噴入點火油（柴油），霧化的柴油燃燒，同時點燃混合氣體，活塞下行做功，見圖2。［2］

圖2 燃氣模式

1.3 后備（backup）模式：主噴油嘴工作

另外，雙燃料柴油機還提供一種短時后備（backup）操作模式：當(dāng)控制系統(tǒng)監(jiān)測到點火油噴射系統(tǒng)故障或備用模式控制系統(tǒng)接收到外部啟動信號時（如燃氣泄漏、壓力低等報警信號時），機器將強迫轉(zhuǎn)換為相對安全的后備工作模式，這時只有傳統(tǒng)的燃油噴射，即只有主噴油嘴噴油。

有些廠家（如MAN）還在燃油模式向燃氣模式切換間加入fuel share 模式，這種模式主要是應(yīng)用在低壓雙燃料柴油機上。由于燃氣的可壓縮性，在燃氣模式啟動后。噴入氣缸內(nèi)的燃氣量不會馬上達到要求的值，這時如果燃油模式馬上退出，會對機器功率的響應(yīng)產(chǎn)生一定的延遲或波動，因此在fuel share模式時，主燃油噴射系統(tǒng)和燃氣噴射系統(tǒng)同時工作，用過量的燃料燃燒做功來補償切換過程中由于燃氣可壓縮性而造成的功率延遲，使得機器發(fā)出的功率不會有太大波動。

1.4 工作模式的轉(zhuǎn)換

雙燃料柴油機的工作模式按危險性分為三個等級，燃氣模式被定義成是最高危險等級，而傳統(tǒng)的柴油機工作模式（后備模式）是最安全穩(wěn)定的等級，柴油模式居中。機器自動切換順序原則是：優(yōu)先運行危險性低模式。由危險性低模式到高模式則需要系統(tǒng)完成自檢通過。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)報警或外部故障信號輸入，則控制系統(tǒng)根據(jù)收到的信號向下一等級模式或者更低等級模式切換，這樣可最大限度保證在不影響機器運轉(zhuǎn)的情況下，保證船舶人員的安全。比如在正常工作中，燃氣模式向燃油模式的切換是被認為降等級使用，切換過程是隨時且瞬時完成的。而從燃油模式向燃氣模式切換則需要完成一系列燃氣安全系統(tǒng)自檢后才能開始，這一過程需要2 min左右。Wartsila的低壓雙燃料發(fā)動機系列還在燃油向燃氣模式切換時限制了切換功率額定值，即需要降低功率到80%以下才能切換。而機器的備用模式則被視為底層模式，可以在任何情況下啟動，但在進入備用模式后，系統(tǒng)就自動關(guān)閉了燃油和燃氣模式的啟動模塊，除非停機重新啟動。各模式之間的切換和控制關(guān)系如圖3。［3］

由于雙燃料柴油機燃氣系統(tǒng)的加入，使機器的運轉(zhuǎn)模式多樣化，不僅控制系統(tǒng)相對傳統(tǒng)柴油機有更高的要求和安全性考慮，而且雙燃料柴油機對應(yīng)的外部配套系統(tǒng)設(shè)計也有一些需要注意的方面，現(xiàn)以FLNG項目上的使用為例，作簡單闡述。

圖3 雙燃料發(fā)動機工作模式

2 雙燃料柴油機燃氣系統(tǒng)

本項目的雙燃料機器安裝在下部機艙，燃料來自于貨艙LNG儲罐的BOG蒸發(fā)氣，蒸發(fā)的天然氣集中存在LNG儲存罐上部。收集出來的BOG，通過主甲板上的BOG壓縮機，加壓送到燃氣緩沖罐，然后一部分到液化裝置進行再液化回到罐內(nèi)，另一部分作為燃料，進入機艙供雙燃料發(fā)電機用。發(fā)電機燃氣供應(yīng)系統(tǒng)見圖4。

圖4 發(fā)電機燃氣供氣系統(tǒng)

從圖中可以看出，燃氣供應(yīng)系統(tǒng)在機艙部分主要由氣體閥門控制單元GAS VALVE UNIT（GVU）和連接發(fā)電機的雙套管組成。

由于燃氣發(fā)生泄漏時很快散逸，如果在一個相對封閉的空間內(nèi)（比如機艙內(nèi)），其濃度會很快達到著火邊界，容易發(fā)生爆炸的危險。因此對于采用燃氣作為燃料的設(shè)計，基本原則是需要盡可能避免燃氣管路通過服務(wù)處所，并使燃氣的泄漏可控，使危險最小化。對于本項目，由于雙燃料柴油機放置于機艙里面，無法避免氣體管穿過機艙進入機器，對此IGC規(guī)范也提供了兩種方案，用于氣體燃料管路通過或延伸到其他處所的布置：

（1）氣體燃料管為雙層壁管系統(tǒng)。其氣體燃料被貯存在內(nèi)管中。對于同心管之間的空間，應(yīng)用惰性氣體加壓至大于氣體燃料的壓力，應(yīng)設(shè)置合適的報警裝置以指示兩管之間惰性氣體壓力的下降。

（2）氣體燃料管應(yīng)被安裝在通風(fēng)管或管道內(nèi)，在氣體燃料管和通風(fēng)管或管道內(nèi)壁之間的空間，應(yīng)設(shè)置機械抽風(fēng)設(shè)備，其排量至少為30 次/小時。應(yīng)將通風(fēng)系統(tǒng)布置成能維持其壓力低于大氣壓力。風(fēng)扇電機應(yīng)置于通風(fēng)管或管道之外。應(yīng)將通風(fēng)出口設(shè)于不會點燃易燃氣體/空氣混合物的位置。當(dāng)管路內(nèi)有氣體燃料時，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)能始終保持運轉(zhuǎn)。應(yīng)按要求設(shè)有連續(xù)氣體探測裝置，以指示氣體燃料的泄漏，并能切斷向機器處所供應(yīng)氣體燃料。在排風(fēng)系統(tǒng)不能產(chǎn)生和維持所要求的空氣流量時，氣體燃料總閥應(yīng)能自動關(guān)閉［4］。

本項目的燃氣系統(tǒng)采用了第二種方法，即雙層壁管中間層抽風(fēng)的方法。雙層壁管是一個雙層的鋼管，燃氣在內(nèi)管流動，外管與內(nèi)管之間為流動的空氣，靠外部的風(fēng)機不斷的抽風(fēng)，管路上的法蘭、膨脹節(jié)等連接部件都是雙層設(shè)計（見圖5）。［5］

圖5 雙套管，法蘭，膨脹節(jié)

GVU為一個鋼質(zhì)氣密罩殼，它的內(nèi)部主要部件包括一個氣體壓力控制閥、兩個關(guān)斷閥、兩個燃氣管路透氣閥，一個惰性氣體吹除閥和其他壓力溫度傳感器。GVU的功能類似于傳統(tǒng)燃油系統(tǒng)中的供油單元，典型外觀見圖6，內(nèi)部組件見圖7。［6］

圖6 GVU外形圖

圖7 GVU內(nèi)部組件

GVU上有兩個燃氣接口，一端通過雙層法蘭與外部雙套燃氣供氣管路相連，另一端連接去主機的燃氣雙套管。GVU的內(nèi)部管路為單層設(shè)計，而其氣密鋼制外殼就相當(dāng)于雙套管的外層，GVU的內(nèi)部腔體同雙層燃氣管路的中間層相連通，同時柴油機內(nèi)部的燃氣管路系統(tǒng)也為雙層設(shè)計，如圖8所示。［6］

當(dāng)柴油機工作在燃氣模式下，雙套管間流動的空氣由主機氣缸一端的通風(fēng)進氣口被抽入，沿著雙套管路進入GVU。在GVU上又有一個通風(fēng)管道的出口，用于接到開敞甲板的抽風(fēng)機，風(fēng)機出口設(shè)有燃氣探頭，實時監(jiān)測燃氣的泄漏。如圖9所示，當(dāng)監(jiān)測到管內(nèi)存在燃氣時，傳感器輸出信號到雙燃料發(fā)動機的控制系統(tǒng)，切斷燃氣供應(yīng)總閥，柴油機轉(zhuǎn)為安全的備用模式運轉(zhuǎn)。這樣的雙層管路設(shè)計和布置使得燃氣泄漏到機艙的可能性大大降低。即使內(nèi)管發(fā)生泄漏時，系統(tǒng)也能迅速反饋和報警，通過自動關(guān)閉總閥，并將泄漏到中間層的燃氣排出到開敞安全區(qū)域，使得泄漏危險性始終在可控范圍內(nèi)，對機艙燃氣監(jiān)測、通風(fēng)等方面的要求降低了很多，布置簡化且滿足規(guī)范要求。

圖8 柴油機內(nèi)部燃氣管路系統(tǒng)

圖9 燃氣管通風(fēng)

3 雙燃料柴油機滑油系統(tǒng)

由于燃氣的存在，雙燃料發(fā)動機的滑油系統(tǒng)需要增加考慮安全因素。在燃氣模式下，可能有一部分燃氣進入曲軸箱內(nèi)并不斷聚集，同時，曲軸箱內(nèi)的滑油通過滑油泵或分油機輸送到外部滑油艙時會帶入一定數(shù)量溶解在滑油中的燃氣，并在沉淀過程中析出。因此，采用燃氣的機器曲軸箱和滑油艙中液面以上部分被認定為“1級”危險區(qū)域，所有服務(wù)與該區(qū)域的電氣設(shè)備需符合該等級。析出的少量燃氣由自然排風(fēng)的方式通過一個獨立的透氣管不斷排至開敞甲板上，遠離任何著火源。曲軸箱滑油液位需受監(jiān)測以確保在正常情況下滑油吸口始終處于滑油液面以下，沒有燃料氣體被直接吸入。機器曲軸箱以及滑油日用艙上裝有一個手動的氣體探測接頭和一個惰性氣體接頭，經(jīng)良好的脫氣處理后，滑油才從日用艙的艙底吸出并被抽到分離器和過濾器。確保在啟動任何維修工作之前不存在爆炸性氣體［7］。

滑油泵、濾器、分油機等中間處理設(shè)備雖然理論上也參與了曲軸箱內(nèi)滑油處理，但原則上處理過程中不會有燃氣析出，因此這些設(shè)備無需考慮會有大量燃氣積累而形成爆炸性危險環(huán)境，也不必設(shè)置專門的防爆預(yù)警系統(tǒng)。目前各大設(shè)備制造商以及船級社都統(tǒng)一不對其做防爆等級要求。

4 雙燃料發(fā)電機冷卻水系統(tǒng)

雙燃料發(fā)動機的低溫和高溫冷卻水系統(tǒng)設(shè)計與滑油系統(tǒng)一樣，需要考慮燃氣的泄漏風(fēng)險。

在正常操作范圍下，冷卻水系統(tǒng)中沒有任何積累的未燃燒燃氣，只有在被損壞的情況下才有大量燃氣進入冷卻水系統(tǒng)。不過，由于所泄漏的未燃燒燃氣比空氣輕，其可以由一個獨立的透氣管從膨脹水箱引到開敞甲板安全區(qū)域且不斷自然排出，并遠離任何著火源。該透氣管應(yīng)穩(wěn)固向上安裝以避免積累爆炸性氣體，透氣管自由端應(yīng)安裝一個火星熄滅器。膨脹水箱艙室內(nèi)部的防爆等級為二級，所有電氣設(shè)備需符合該等級。

考慮系統(tǒng)的維護，冷卻水膨脹水箱上應(yīng)裝有一個手動氣體探測接頭和一個惰性氣體接頭，以確保在啟動任何維修工作之前，內(nèi)部不存在爆炸性氣體［7］。

5 雙燃料發(fā)電機排氣系統(tǒng)

排氣系統(tǒng)的設(shè)計同樣需要考慮燃氣模式下，部分未燃燒的燃氣進入排氣系統(tǒng)，并在排氣管內(nèi)聚集。因此對于雙燃料機器的排氣管不允許有水平走向管，排氣管需要一直向上傾斜，并且在燃氣模式停止后需要一個排氣通風(fēng)裝置對排氣管進行通風(fēng)，見圖10。［6］在排氣管上還需要根據(jù)仿真模擬計算爆破過程，確認安裝爆破片的位置。這樣，即使排氣管內(nèi)的燃氣發(fā)生爆炸，大量燃氣混合物以及產(chǎn)生的沖擊波也可通過爆破片通道釋放到機艙外面，從而保證主機部件安全。

圖10 排氣通風(fēng)裝置

6 結(jié) 論

目前FLNG和雙燃料柴油機還是相對新生的事物，幾大主機制造廠和船級社都在合作進行研究和規(guī)范修改。比如IMO于2014年9月對IGC規(guī)范的首次重大修改，就是在全面回顧5年內(nèi)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域最新進展的基礎(chǔ)上形成的，其中包括FLNG和雙燃料柴油機的出現(xiàn)所帶來的規(guī)則變化。隨著類似項目使用經(jīng)驗的積累和主機制造廠新技術(shù)的應(yīng)用，以后雙燃料機器在FLNG上的應(yīng)用一定會向著安全、高效、經(jīng)濟的方向不斷前進。對我們設(shè)計人員來說，也需要隨時關(guān)注新技術(shù)的出現(xiàn)和規(guī)范要求的更新。

［參考文獻］

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［中圖分類號］U664.13

［文獻標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0067-07

［收稿日期］2014-11-21；［修回日期］2014-12-08

［作者簡介］孫小濰（1979-），男，碩士在讀，工程師，研究方向：熱力發(fā)動機。

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