FLNG電氣系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究

徐 飛，余想柏

中國石油集團(tuán)海洋工程有限公司，北京 100028

浮式液化天然氣生產(chǎn)儲存外輸裝置（FLNG，F(xiàn)loating Liquefied Natural Gas Production Storage and Offloading Unit）是一種集海上天然氣的液化、儲存和外輸、發(fā)電、供熱、人員居住為一體的新型海上天然氣開發(fā)工程裝置，越來越多地應(yīng)用于大型氣田、深水氣田、邊際氣田的開發(fā)過程[1-2]。

與固定平臺、FPSO等傳統(tǒng)海上開發(fā)設(shè)施相比較，F(xiàn)LNG電氣系統(tǒng)具有以下技術(shù)特點：

（1）FLNG作為重要的易燃易爆裝置，對電氣系統(tǒng)可靠性、安全性要求更高，需避免因中斷供電給生產(chǎn)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失及引起較為嚴(yán)重安全事故。

（2）FLNG具有更為復(fù)雜的處理工藝，與之配套的處理設(shè)施設(shè)備更多，且一些單個設(shè)備功率較大，全船長時間在高負(fù)荷模式下運(yùn)行，電氣系統(tǒng)更復(fù)雜。

針對以上技術(shù)特點，以某FLNG項目（設(shè)計處理能力360萬t/a）為例，在闡述電氣系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，根據(jù)功能要求，開展設(shè)計工況、負(fù)荷分析、電源系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、電能管理等相關(guān)方面設(shè)計研究。

1 電氣系統(tǒng)組成

FLNG電氣系統(tǒng)包括發(fā)電、變電、配電、用電等環(huán)節(jié)，按照區(qū)域可分為三大部分：上部組塊電氣模塊、船體電氣模塊以及生活區(qū)電氣模塊。上部組塊電氣模塊包含主電站，是FLNG的發(fā)電中心，也可根據(jù)工藝及總體布置要求設(shè)置相應(yīng)的配電模塊，設(shè)計中可簡化上部模塊電氣模塊尺寸，只布置主電站；船體電氣模塊又可根據(jù)配電需求劃分成船首電氣間和船尾電氣間，其主要包含基本負(fù)荷電站以及配電模塊，其中基本負(fù)荷電站為FLNG的拖航及維護(hù)等工況提供電源，配電模塊為上部組塊及船體用電設(shè)備提供配電；生活區(qū)電氣模塊包含應(yīng)急電站以及配電模塊，其中應(yīng)急電站為全船提供可靠的應(yīng)急電源，配電模塊為生活區(qū)及水下生產(chǎn)設(shè)施提供配電。

2 設(shè)計工況與負(fù)荷分析

FLNG用電負(fù)荷分為正常負(fù)荷、基本負(fù)荷以及應(yīng)急負(fù)荷。其中，正常負(fù)荷是指主要的工藝負(fù)荷，不涉及安全維護(hù)方面的負(fù)荷；基本負(fù)荷是指生活區(qū)負(fù)荷、維護(hù)保障設(shè)備負(fù)荷等，主要含生活區(qū)系統(tǒng)、公用工程區(qū)的HVAC、普通照明、貨船泵和壓倉泵、冷卻水泵、空氣壓縮機(jī)和惰性氣體發(fā)生器、啟動主發(fā)電機(jī)的輔助設(shè)備等；應(yīng)急負(fù)荷指關(guān)系人員安全的重要負(fù)荷，主要含交直流UPS、控制通訊系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、救生系統(tǒng)、應(yīng)急照明系統(tǒng)等。

根據(jù)工藝設(shè)計要求，F(xiàn)LNG主要分為4個典型工況：

（1）生產(chǎn)存儲工況：所有負(fù)荷處于正常生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，F(xiàn)LNG未進(jìn)行外輸，且三臺推進(jìn)器間歇運(yùn)行。

（2）生產(chǎn)外輸工況：所有負(fù)荷正常運(yùn)行的同時FLNG處于外輸狀態(tài)，且推進(jìn)器兩臺連續(xù)運(yùn)行，一臺備用。

（3）基本工況：船舶處于拖航或者維護(hù)狀態(tài)，工藝設(shè)備停運(yùn)，基本負(fù)荷發(fā)電機(jī)啟動，維持FLNG基本負(fù)荷的運(yùn)行，且推進(jìn)器不運(yùn)行。

（4）應(yīng)急工況：主電源以及基本負(fù)荷電源失電，應(yīng)急發(fā)電機(jī)啟動，維持人員救助逃生，且推進(jìn)器不運(yùn)行。

以上述規(guī)模FLNG為例，不同工況下FLNG用電負(fù)荷見表1。

表1 不同工況下FL NG用電負(fù)荷/kW

3 電源系統(tǒng)研究

FLNG電氣系統(tǒng)是一個典型的孤島電網(wǎng)，采用自發(fā)電的模式，在海上油氣田開發(fā)中，由于油氣田需求電負(fù)荷不同和油氣田燃料供應(yīng)的特點，電源系統(tǒng)采用的電站的規(guī)格等級較多[3]，主要的發(fā)電機(jī)組類型分析見表2。

表2 海上油氣田電站機(jī)組類型

結(jié)合上述電站機(jī)組類型以及FLNG不同工況下負(fù)荷要求，電源系統(tǒng)可設(shè)置成以燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組構(gòu)成主電源、柴油發(fā)電機(jī)組組成基本負(fù)荷電源以及單臺柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源的系統(tǒng)。

3.1 主電源

主電源是整個海上生活生產(chǎn)設(shè)施可靠、連續(xù)、安全運(yùn)轉(zhuǎn)的核心設(shè)備。根據(jù)天然氣田的特性，考慮空間限制、重量控制及電站安全可靠等因素，對主流發(fā)電機(jī)組性能進(jìn)行分析，設(shè)計3種主電站方案，分析對比見表3。

表3 主電站配置方案分析

方案一中單臺電站尺寸及總重量較大，不利于總體布置及重量控制，電站的負(fù)載率也相對較小。方案三中單臺機(jī)組功率相對較小，需配置的臺數(shù)增加大，更加不利于全船的總體布置。方案二中機(jī)組功率、臺數(shù)、尺寸以及負(fù)載率較為適中，適合于FLNG整體的要求。因此，為滿足FLNG外輸工況下最大用電需求，上述FLNG主電源選用4×27.5 MW的燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組，輸出電壓13.8 kV，60 Hz，三用一備，如有一臺故障，備用發(fā)電機(jī)可承擔(dān)其負(fù)荷。

為了實現(xiàn)主發(fā)電機(jī)組達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)效率，結(jié)合生產(chǎn)的運(yùn)行工況，對主發(fā)電機(jī)運(yùn)行模式進(jìn)行分析，見表4，主發(fā)電機(jī)運(yùn)行模式可由PMS自動切換或者人工切換，要求每臺發(fā)電機(jī)的最低負(fù)載率應(yīng)在60%以上，若負(fù)載率過低，要求主電站停止1臺主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

表4 主發(fā)電機(jī)運(yùn)行模式

3.2 基本負(fù)荷電源

在檢測到主電源失電的情況下，可采取自動和手動方式啟動基本負(fù)荷發(fā)電機(jī)，應(yīng)選擇與主電源不同的動力源，確保在較為惡劣的環(huán)境下能夠滿足船舶的基本需求，配備柴油發(fā)電機(jī)組作為基本負(fù)荷電源。根據(jù)基本負(fù)荷工況下的計算結(jié)果，基本負(fù)荷電源選用3×7500kW的柴油發(fā)電機(jī)組，輸出電壓為6.6kV，60Hz，兩用一備。除了給全船供電外，基本負(fù)荷電源還應(yīng)在黑啟動工況下，為上部模塊的主電站輔機(jī)系統(tǒng)供電，重新啟動主電站。

3.3 應(yīng)急電源

為確保FLNG在應(yīng)急工況下，滿足安全逃生要求，需配備應(yīng)急電源，設(shè)計單臺柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源。對于單臺柴油發(fā)電機(jī)，一般確保其負(fù)荷率在80%～90%[4]。針對上述FLNG應(yīng)急負(fù)荷約1580 kW，可配置1臺功率為1800 kW的柴油應(yīng)急發(fā)電機(jī)。應(yīng)急發(fā)電機(jī)應(yīng)滿足在主電源失電45 s內(nèi)自動啟動，并向全船（包括上部設(shè)施、船體部分以及生活區(qū)）的應(yīng)急負(fù)荷連續(xù)供電至少18 h。

4 配電系統(tǒng)設(shè)計

為了確保FLNG配電系統(tǒng)的供電安全、可靠，提高供電靈活性和連續(xù)性，采用多層次、分區(qū)塊、多模塊化配電方式，形成一套較為實用的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。對于上述規(guī)模的FLNG配電系統(tǒng)分配如圖1所示。

圖1 FL NG配電系統(tǒng)分配

4.1 中壓配電系統(tǒng)的設(shè)計

通過分析現(xiàn)行可用中壓配電盤等常用設(shè)備規(guī)格，考慮節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性等因素。中壓配電系統(tǒng)設(shè)計成13.8 kV及6.6 kV兩個電壓等級，不同功率設(shè)備的電壓設(shè)計見表5。

表5 設(shè)備中壓等級設(shè)計方案

主電站輸出配電方案：

（1）主電站輸出13.8 kV中壓，直接接入13.8 kV中壓配電盤，其母線采用單母線分段接線方式，母聯(lián)正常情況下處于閉合狀態(tài)，為大功率負(fù)荷配電。

（2）主電站輸出13.8 kV經(jīng)過8臺13.8/6.6 kV變壓器降壓后，分別接入船首及船尾電氣間不同功能模塊的6.6 kV中壓配單盤，采用單母線分列運(yùn)行，互為備用互投，可以避免單母線一用一備互投的單節(jié)點瓶頸效應(yīng)，增加供電的可靠性。

基本負(fù)荷電站配電方案：當(dāng)主電失效，基本負(fù)荷電站輸出的6.6 kV中壓接入對應(yīng)的中壓配單盤，其母線接線方式采用單母線分段，每段供給相應(yīng)的中壓基本負(fù)荷。

4.2 低壓配電系統(tǒng)的設(shè)計

中壓系統(tǒng)經(jīng)過13.8/0.44 kV以及6.6/0.44 kV變壓器降壓之后分別為上部模塊、船體以及生活區(qū)的低壓用電設(shè)備供電。0.44 kV母線仍然采用分列運(yùn)行，互為備用互投。

應(yīng)急發(fā)電機(jī)輸出0.44 kV低壓應(yīng)急電源，直接接入應(yīng)急配電盤，并與正常低壓0.44 kV設(shè)置成互鎖，為應(yīng)急設(shè)備供電。

除了向0.44 kV用電設(shè)備供電之外，還經(jīng)過照明與小功率變壓器、電伴熱變壓器為照明、小功率設(shè)備及電伴熱等負(fù)荷供電。

4.3 電氣系統(tǒng)接地方式

電氣接地系統(tǒng)對于保證配電系統(tǒng)的可靠性和保障人員的安全具有重要意義。FLNG的13.8、6.6 kV中壓系統(tǒng)一般采用IT系統(tǒng)，但由于發(fā)電機(jī)單相接地電容電流往往超過發(fā)電機(jī)允許值，為此通過在中壓系統(tǒng)中增加接地變壓器，減少停電事故，提供供電的連續(xù)性。對于低壓系統(tǒng)來說，0.44、0.23 kV系統(tǒng)一般采用IT系統(tǒng)，而生活區(qū)的0.23 kV系統(tǒng)可采用TNS系統(tǒng)，以確?？焖俑綦x故障設(shè)備。

5 電力管理系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)發(fā)電機(jī)控制與調(diào)度、有功無功分配、安穩(wěn)控制（即負(fù)荷優(yōu)先脫扣功能）、主要電氣設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲、系統(tǒng)自檢測等功能，設(shè)置一套能量管理系統(tǒng)（簡稱PMS），網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計成三層，第一層為設(shè)備層，完成設(shè)備電力信息的采集以及執(zhí)行保護(hù)或控制動作；第二層為分站控制層，按照區(qū)域可分為船首/船尾電氣間控制層、上部組塊電氣間控制層以及生活樓電氣間控制層，每個區(qū)域之間獨立運(yùn)行，對相應(yīng)區(qū)域的電力設(shè)備進(jìn)行管理監(jiān)控；第三層為總控制層，實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的處理控制，并對全船電力進(jìn)行管理監(jiān)控。PMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PMS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

6 結(jié)束語

（1）對FLNG 4個典型設(shè)計工況下的負(fù)荷進(jìn)行計算，配置4×27.5 MW的燃?xì)馔钙桨l(fā)電機(jī)組作為主電源、3×7500 kW柴油發(fā)電機(jī)組作為基本負(fù)荷電源及1×1800 kW柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源，對其相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行了分析研究，設(shè)計13.8、6.6 kV兩級中壓以及0.44 kV低壓配電系統(tǒng)，滿足不同負(fù)荷設(shè)備的用電需求，采用單母線分列運(yùn)行、互為備用互投的模式提高供電系統(tǒng)的可靠性，并對全船電力管理系統(tǒng)的三層管理模式進(jìn)行初步研究。

（2）FLNG電氣系統(tǒng)作為一項較為復(fù)雜工程，目前國內(nèi)FLNG電氣設(shè)計還處于研究階段，特別是大型電站、電網(wǎng)可靠性設(shè)計方面，還需要不斷攻克，本文總結(jié)的設(shè)計參數(shù)對今后開展與FLNG相關(guān)的科研及設(shè)計，具有一定的參考價值。