FSRU機(jī)艙精簡(jiǎn)節(jié)能布置方案

朱崇遠(yuǎn),朱永凱,時(shí)光志,張海濤,斯園園

(中海油能源發(fā)展股份有限公司 采油服務(wù)分公司，天津 300452)

FSRU在氣化作業(yè)時(shí)，需要機(jī)艙輸送大量的海水到氣化單元進(jìn)行加熱，一般裝備有3條250 mmsfcd的氣化鏈，需要配備至少3臺(tái)7 500 m/h的海水輸送泵，為其輸送氣化加熱用的海水，海水泵的消耗功率一般在3 260 kW左右，再加上氣化單元根據(jù)季節(jié)不同的9～18 MW電力消耗，F(xiàn)SRU配備的電站容量都很大，同時(shí)，需加上備用的儲(chǔ)備功率，必須有21 MW以上的容量。如果采用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，一般需要配備4臺(tái)6 800 kW的內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)才能滿足FSRU的作業(yè)時(shí)，3臺(tái)使用1臺(tái)備用的需求。為了滿足FSRU-LNGC的航行需求，機(jī)艙內(nèi)還會(huì)布置2臺(tái)二沖程的低速內(nèi)燃機(jī)以及為其服務(wù)的燃油、滑油、淡水冷卻等輔助系統(tǒng)?，F(xiàn)有的主流FSRU-LNGC機(jī)艙布置見圖1。

圖1 現(xiàn)有的主流FSRU機(jī)艙布置方案

現(xiàn)有的艙容在17萬(wàn)m級(jí)的FSRU，其機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備繁多，其機(jī)艙內(nèi)設(shè)備配置相似，布局也相近，加上與配套的艙內(nèi)設(shè)備，機(jī)艙飽和度非常大。如圖1所示：其機(jī)艙的主要設(shè)備有4臺(tái)7 MW四沖程LNG+MDO雙燃料內(nèi)燃機(jī),2臺(tái)負(fù)責(zé)推進(jìn)的LNG+MDO雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)及輔助這6臺(tái)內(nèi)燃機(jī)工作的空壓機(jī)、冷卻器、分油機(jī)等。

按照同類設(shè)備平均故障率計(jì)算，F(xiàn)SRU機(jī)艙內(nèi)由于設(shè)備總量基數(shù)大，造成了FSRU船舶建造成本高，作業(yè)過(guò)程中故障多，管理成本提高等問(wèn)題。為此,討論精簡(jiǎn)節(jié)能布置方案，用以減少設(shè)備配置，降低故障總數(shù)和管理成本。

1 FSRU的精簡(jiǎn)節(jié)能布置方案

17萬(wàn)mFSRU-LNGC機(jī)艙布置方案中，機(jī)艙設(shè)置2臺(tái)(2×13 000 kW)主推進(jìn)兼發(fā)電雙燃料內(nèi)燃機(jī)(下稱左、右雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī))、1臺(tái)8 000 kW的雙燃料四沖程內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)，1臺(tái)最大容量為8 000 kW蒸汽透平發(fā)電機(jī)，主要回收雙燃料內(nèi)燃機(jī)的排氣余熱，產(chǎn)生的蒸汽發(fā)電，也可以雙燃料內(nèi)燃機(jī)不工作時(shí)，接收從鍋爐里產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電，但是這種工況不經(jīng)濟(jì)，使用較少，僅用備車機(jī)動(dòng)航行狀態(tài)。布置方案見圖2。

圖2 FSRU機(jī)艙布置圖

左、右雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)連接齒輪箱，通過(guò)改變推動(dòng)齒輪箱的齒輪位置，可以改變推進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的功能，使其具有“僅發(fā)電”“PTI”“PTO+推進(jìn)”功能。這種布置方案，在氣化作業(yè)時(shí)，發(fā)電機(jī)數(shù)量做到了100%冗余，比之前的3臺(tái)使用1臺(tái)備用，33%冗余有了明顯的提高。設(shè)備的數(shù)量比傳統(tǒng)的布置方案，也有了明顯的下降，在設(shè)備故障率不變的情況下，故障的數(shù)量也明顯下降，設(shè)備購(gòu)置費(fèi)省去了3臺(tái)7 000 kW的雙燃料四沖程內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的購(gòu)置、安裝調(diào)試費(fèi)用，增加了1臺(tái)蒸汽透平發(fā)電機(jī)組的購(gòu)置、安裝、調(diào)試費(fèi)用，兩者相差大約一億元人民幣，建造購(gòu)置、安裝、調(diào)試費(fèi)用合計(jì)可以節(jié)約FSRU總造價(jià)的10%左右。

2 FSRU優(yōu)化布置后的運(yùn)行狀態(tài)

2.1 航行工況

對(duì)于FSRU轉(zhuǎn)換作業(yè)地點(diǎn)，或者作為L(zhǎng)NG運(yùn)輸船使用時(shí)，左右2臺(tái)雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)主要承擔(dān)航行推進(jìn)功能。需要將齒輪箱置于“推進(jìn)”+“PTI”模式，此時(shí)，2臺(tái)位于機(jī)艙下部的推進(jìn)二沖程內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行，2臺(tái)二沖程低速雙燃料內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的煙氣經(jīng)廢氣鍋爐(經(jīng)濟(jì)器)回收熱能，一般內(nèi)燃機(jī)排煙中含可回收熱量占燃料化學(xué)能的10%，2臺(tái)主內(nèi)燃機(jī)的總功率是26 000 kW，排煙中有近25 000 kW化學(xué)能，其中約9 000 kW的煙氣中的熱量可以被經(jīng)濟(jì)器內(nèi)的鍋爐水吸收，鍋爐水被排煙余熱加熱后沸騰后，由爐水循環(huán)泵加壓進(jìn)入鍋爐氣鼓中進(jìn)行汽水分離，產(chǎn)生蒸汽，產(chǎn)生的蒸汽在純柴油機(jī)動(dòng)力船，用于加熱燃油艙、柜、和燃油、滑油分離，但是在以天然氣為主燃料的船舶上，蒸汽的用量很少，如果沒(méi)有合理利用，只有通過(guò)大氣冷凝器，用海水冷卻后，白白進(jìn)入海洋中。還要浪費(fèi)電力，使用海水泵輸送海水到蒸汽冷凝器冷凝蒸汽，由于海水與蒸汽的溫差較大，蒸汽冷凝器的海水冷卻管變臟的頻率較高，需要經(jīng)常清通。

優(yōu)化布置方案中，使蒸汽進(jìn)入蒸汽透平發(fā)電機(jī)發(fā)電，節(jié)約雙燃料四沖程內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行發(fā)出的電能約1 500 kW,除了供應(yīng)船舶航行所需的輔助機(jī)械、通風(fēng)空調(diào)、照明、航海儀器等最高1 000 kW外，還有多余的近500 kW，可以在PTI的模式下輸入軸帶的發(fā)電機(jī)，以電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式，通過(guò)齒輪箱驅(qū)動(dòng)尾軸，推動(dòng)螺旋槳，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。以1 500 kW功率計(jì)算，每天至少可以節(jié)約LNG4 t，價(jià)值約1.2萬(wàn)元人民幣，每年至少減少燃料費(fèi)400萬(wàn)元人民幣，經(jīng)濟(jì)性有了很大的提高。由于航行時(shí)消耗的燃料總的數(shù)量降低了，相比沒(méi)有安裝煙氣節(jié)能經(jīng)濟(jì)器和蒸汽透平發(fā)電機(jī)的FSRU和純LNGC，能效比可以提高6%以上，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力將提高明顯。

2.2 FSRU氣化作業(yè)模式

這是消耗電力最大的工況，對(duì)此工況，需將雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)的齒輪箱置于發(fā)電位置，參與發(fā)電，1臺(tái)二沖程推進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的功率是130 000 kW，此時(shí)推進(jìn)二沖程內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的煙氣中還蘊(yùn)含有約13 000 kW可利用的熱量，經(jīng)過(guò)廢氣鍋爐經(jīng)濟(jì)器，可供透平發(fā)電機(jī)發(fā)出約8 000 kW的電能，可以并入電網(wǎng)，降低雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)的的運(yùn)行功率，達(dá)到節(jié)能的效果。由于參與發(fā)電的雙燃料內(nèi)燃機(jī)不是滿負(fù)荷工作，可回收煙氣的熱能也不能按照滿負(fù)荷計(jì)算，一年可節(jié)約800～900萬(wàn)元人民幣的燃料費(fèi)用。由于季節(jié)不同，海水的溫度不同，海水的焓值也不同，氣化LNG的能力也不同，當(dāng)海水溫度較低的時(shí)候，需要投入更多的電力去加熱海水。

為了應(yīng)對(duì)海水溫度變化導(dǎo)致用電負(fù)荷不同，排列出6種電力機(jī)組合配電運(yùn)行方案，見表1。

表1 FSRU6種組電力機(jī)組組合方式

從表1可以看出，優(yōu)化布置方案相對(duì)傳統(tǒng)的布置方案，冗余度更高，當(dāng)有機(jī)組因故障不能投入運(yùn)行時(shí)，可以有較多的方案從容應(yīng)對(duì)。相比而言，第1、2、3種組合對(duì)最高負(fù)荷需求的所有內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的排氣傳熱都可以回收利用，屬于節(jié)能工況，可以用于所有季節(jié)的工況，每天可以節(jié)約LNG 消耗4 t左右，價(jià)值約1.2萬(wàn)元人民幣，每年可以節(jié)約燃料費(fèi)用400萬(wàn)元。但是對(duì)于蒸汽不足的第4、5、6種組合，由于蒸汽需要由鍋爐產(chǎn)生，相對(duì)雙燃料內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組，效率還相對(duì)低一點(diǎn)。只能適用于海水溫度比較高的季節(jié)，由于蒸汽透平的效率偏低，這3種工況只適用于應(yīng)急或部分氣化工作的工況下。

在FSRU氣化作業(yè)模式下，與傳統(tǒng)的布置方案相比，采用優(yōu)化布置方案的FSRU，由于吸收了排煙中的熱量，能效比更高。

2.3 機(jī)動(dòng)航行工況

機(jī)動(dòng)航行工況雖然不是很多，但是不可或缺。機(jī)動(dòng)航行工況下，由于機(jī)動(dòng)航行工況廢氣鍋爐經(jīng)濟(jì)器中產(chǎn)生的熱量不穩(wěn)定，3臺(tái)內(nèi)燃機(jī)和透平發(fā)電機(jī)都要參與工作，透平發(fā)電機(jī)的蒸汽主要來(lái)自輔鍋爐中，在機(jī)動(dòng)航行時(shí)，大部分的電功率由主發(fā)電機(jī)承擔(dān)，透平發(fā)電機(jī)只是做內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)的備用，基本上維持運(yùn)轉(zhuǎn)，消耗并不大。雖然蒸汽透平發(fā)電機(jī)的效率不高，但是此時(shí)的浪費(fèi)并不大，畢竟機(jī)動(dòng)航行的機(jī)率和運(yùn)行時(shí)間并不是很多。

2.4 應(yīng)急工況

1)機(jī)動(dòng)航行工況下，如果雙燃料四沖程發(fā)電機(jī)組和蒸汽透平發(fā)電機(jī)同時(shí)不能運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)，需要鎖定1臺(tái)左或右雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)中的1臺(tái)作為發(fā)電機(jī)使用，將作為發(fā)電機(jī)使用的1臺(tái)雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)的齒輪箱置于發(fā)電位置，并運(yùn)轉(zhuǎn)到發(fā)電運(yùn)行額定轉(zhuǎn)速，另一臺(tái)雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)維持機(jī)動(dòng)航行。

2)機(jī)動(dòng)航行工況下，如果雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)均不能工作，此時(shí)需要將2臺(tái)雙燃料內(nèi)燃機(jī)的齒輪箱均置于PTI模式，蒸汽透平發(fā)電機(jī)和主發(fā)電機(jī)均投入工作，透平發(fā)電機(jī)的蒸汽來(lái)源來(lái)自輔鍋爐和雙燃料四沖程發(fā)電機(jī)組的余熱，船舶電站除了供應(yīng)機(jī)動(dòng)航行需要的全部負(fù)荷外，其余全部用于PTI推進(jìn)螺旋槳，維持船舶的低速運(yùn)行，待船舶進(jìn)入安全狀態(tài)后，再進(jìn)行修理。

3)FSRU氣化作業(yè)時(shí)，如果雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)與其他機(jī)組組合中，即2、3、4、5組合中雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)發(fā)生故障，需要停車處理，應(yīng)急操作時(shí)需要停用次要負(fù)荷，甚至停止一條氣化鏈的氣化生產(chǎn)，同時(shí)將備用的雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)和雙燃料四沖程發(fā)電機(jī)同時(shí)啟動(dòng)配電，并且開啟鍋爐為透平發(fā)電機(jī)供汽，投入透平發(fā)電機(jī)，共同承擔(dān)所有電力負(fù)荷，因?yàn)殡p燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)的機(jī)械慣性和熱慣性相對(duì)較大，需要一定的時(shí)間(加速率與機(jī)型的熱和機(jī)械慣性有關(guān))，待到雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)按照加負(fù)荷程序，機(jī)油和冷卻水溫度達(dá)到正常溫度后，再加上全部負(fù)荷，恢復(fù)停止的氣化鏈和次要負(fù)荷。

3 結(jié)論

精簡(jiǎn)后節(jié)能的FSRU布置方案完全滿足LNG運(yùn)輸和FSRU氣化作業(yè)的需要，節(jié)約了初置設(shè)備費(fèi)用，并且在使用過(guò)程中節(jié)約LNG耗量，經(jīng)濟(jì)效益有所提高；機(jī)艙內(nèi)設(shè)備飽和度降低，故障總數(shù)也隨之降低，節(jié)約了管理成本，雙燃料二沖程內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、轉(zhuǎn)速低、故障率低、維修保養(yǎng)方便，船員勞動(dòng)強(qiáng)度減小，人工和管理成本也將隨之降低。