固體氧化物燃料電池LNG船的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曾輝　魯楓　馬奔

摘? ? 要：本文對(duì)燃料電池的分類進(jìn)行了介紹，對(duì)固體氧化物燃料電池LNG船的電力系統(tǒng)和天然氣對(duì)燃料電池的供給系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)所設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和不足進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：燃料電池;LNG;電力系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：U662.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Power System Design of Solid Oxide Fuel Cell-powered LNG Carrier

ZENG Hui， LU Feng， MA Ben

（ Hudong-Zhonghua Shipbuilding（Group）Co.， Ltd.， Shanghai 200129 ）

Abstract： In this paper， the classification of fuel cell is introduced， the power system of solid oxide fuel cell-powered LNG ship and the supply system of natural gas for the fuel cell are designed， and the advantages and disadvantages of the designed power system are analyzed.

Key words： Fuel cell;? LNG;? Power system

1? ? ?前言

隨著近年來對(duì)海上排放要求和特定區(qū)域控制排放的要求提高，液化天然氣（LNG）作為清潔能源在船上得到了應(yīng)用。作為運(yùn)輸LNG的船舶，在運(yùn)輸過程中液貨艙產(chǎn)生的揮發(fā)氣體不應(yīng)該直接排放到大氣中浪費(fèi)掉，而應(yīng)該得到很好的利用。燃料電池可選用的燃料之中就有天然氣[1]，兩者結(jié)合利用，將在環(huán)保和節(jié)能減排方面發(fā)揮更大的作用。

2? ? ?燃料電池的分類

燃料電池的原理是通過化學(xué)反應(yīng)把化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。燃料電池共分為五類：質(zhì)子交換膜燃料電池;堿性燃料電池;磷酸鹽燃料電池;固體氧化物燃料電池（簡(jiǎn)稱SOFC）;熔融碳酸燃料電池[2]。

3? ? ?固體氧化物燃料電池（SOFC）

3.1? ?工作原理

固體氧化物燃料電池（SOFC）工作原理：把燃料氣體通入陽(yáng)極端，空氣通入陰極端。陰極端的O^2- 離子會(huì)傳遞到陽(yáng)極端，將陽(yáng)極端燃料氣體氧化為H₂O或CO₂，并釋放自由電子形成電動(dòng)勢(shì)，通過外加電路產(chǎn)生電流[3]。

3.2? ? 主要特點(diǎn)

（1）燃料利用面更廣，可利用的燃料有柴油、水煤氣、液化石油氣、天然氣、生物質(zhì)氣等;

（2）不需要利用貴金屬催化劑;

（3）可實(shí)現(xiàn)模塊化安裝，易于布置;

（4）運(yùn)轉(zhuǎn)溫度高（可達(dá)600 ℃～1 000 ℃），余熱可進(jìn)行二次利用，綜合效率高。

鑒于SOFC的燃料可以使用天然氣，正好可以安裝在LNG船上，既能實(shí)現(xiàn)排放的要求，又能充分利用液貨艙揮發(fā)的氣體，避免了浪費(fèi)。本文介紹17.4萬m³LNG船的電力系統(tǒng)和燃料電池的天然氣供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

4? ? 使用SOFC的LNG船電力系統(tǒng)

4.1? ?電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于燃料電池輸出的是直流電，所以本船的母排采用直流1 000 V，機(jī)艙、甲板和上建通訊導(dǎo)航等設(shè)備皆使用直流用電設(shè)備，僅日常生活用電通過逆變器提供220 V交流電。

如圖1所示：電力系統(tǒng)的母排分為兩個(gè)區(qū)域，由跨接開關(guān)相連。供電端由燃料電池、超級(jí)電容、DC/DC變換器、燃汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)、發(fā)電機(jī)整流器和開關(guān)組成，且都是雙套配備。其中，超級(jí)電容通過DC/DC變換器并經(jīng)過開關(guān)與母排相連;燃汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)通過發(fā)電機(jī)整流器，并經(jīng)過開關(guān)與母排相連;燃料電池經(jīng)過開關(guān)與母排相連;岸電通過發(fā)電機(jī)整流器，并經(jīng)過開關(guān)與母排相連;用戶端由生活用電逆變器、1000 V/220 V變壓器、DC/DC變換器、液貨設(shè)備、機(jī)艙設(shè)備、控制器、推進(jìn)電機(jī)、通導(dǎo)電池組、通導(dǎo)設(shè)備、交流生活用電配電板組成;通導(dǎo)電池組、通導(dǎo)設(shè)備和交流生活用電配電板是一套，其它設(shè)備是雙套配備;采用雙機(jī)雙槳系統(tǒng)，具有更高的操縱性和可靠性。

4.2? ?電力系統(tǒng)特點(diǎn)

本船的電力系統(tǒng)，主要由燃料電池供電，并利用燃料電池產(chǎn)生的廢氣經(jīng)過處理提供給燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)行燃燒[5]，由燃汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。所有電能匯總到1 000 V直流母排上，為用戶端提供電能[6]。

超級(jí)電容通過DC/DC變換器與1000 V直流母排相連，在電網(wǎng)中起到降低電網(wǎng)波動(dòng)的作用，使供電設(shè)備燃料電池和燃汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)負(fù)載波動(dòng)更平緩;當(dāng)母排功率用量低時(shí)，超級(jí)電容進(jìn)入充電狀態(tài)儲(chǔ)存電能;使供電設(shè)備不用在低功率狀態(tài)下工作，如船舶在海上定速航行或者在錨地拋錨等待時(shí)，仍保持在較優(yōu)的工況;當(dāng)母排功率用量突然升高時(shí)，如船舶速度出現(xiàn)較大提升或者碼頭裝卸貨物時(shí)，超級(jí)電容進(jìn)入放電狀態(tài)釋放電能，使供電設(shè)備負(fù)載提升得更平緩。

母排采用分區(qū)供電，中間由跨接開關(guān)連接。當(dāng)跨接開關(guān)斷開時(shí)，每區(qū)僅能給對(duì)應(yīng)區(qū)的用電設(shè)備進(jìn)行獨(dú)立供電;當(dāng)跨接開關(guān)閉合時(shí)，每區(qū)不僅能給對(duì)應(yīng)區(qū)的用電設(shè)備進(jìn)行供電，還能給其他區(qū)的用電設(shè)備進(jìn)行供電。

燃料電池是通過電池管理系統(tǒng)（BMS）來控制電池內(nèi)部電池供電的順序，采用輪換的方式以提升電池的使用壽命。具體的功率分配和管理，采用功率管理系統(tǒng)（PMS），對(duì)燃料電池和燃汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)進(jìn)行啟停和負(fù)載分配等方面的控制和管理，使功率分配平衡在一個(gè)較優(yōu)點(diǎn)上。

5? ? 使用SOFC的LNG船天然氣供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1? ?天然氣供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖2所示：對(duì)燃料電池所需的天然氣的供給，主要是利用揮發(fā)氣收集系統(tǒng)和氣化氣系統(tǒng)來提供，并通過GVU裝置來調(diào)節(jié)供氣量。主要設(shè)備包括：氣動(dòng)泵、氣化裝置、壓縮機(jī)和相關(guān)管路系統(tǒng)。

5.2? ?天然氣供給系統(tǒng)特點(diǎn)

揮發(fā)氣系統(tǒng)，主要是利用壓縮機(jī)把氣穹內(nèi)從液貨艙揮發(fā)出來的氣態(tài)天然氣抽取出來，通過GVU裝置輸送到燃料電池內(nèi)部;氣化氣系統(tǒng)，是在揮發(fā)氣系統(tǒng)供應(yīng)天然氣不足時(shí)，提供補(bǔ)充天然氣的作用;由氣動(dòng)泵把液貨艙內(nèi)的液化天然氣抽取出來輸送到氣化裝置內(nèi)，氣化裝置通過加熱的方法，把液態(tài)的天然氣轉(zhuǎn)換成氣態(tài)的天然氣，再通過壓縮機(jī)把氣態(tài)天然氣經(jīng)過GVU裝置輸送到燃料電池內(nèi)部。GVU裝置會(huì)根據(jù)燃料電池的工作狀態(tài)，調(diào)節(jié)輸送到燃料電池內(nèi)部的氣態(tài)天然氣的數(shù)量。

6? ? ?本船電力系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

6.1? ? 主要優(yōu)點(diǎn)

（1）更加環(huán)保

能滿足海上排放及特定區(qū)域控制排放高的要求。因?yàn)樵谌剂想姵氐呐艢庵?，氮氧化物污染物的含量非常低，再加上使用的是電推系統(tǒng)，即使不安裝脫氮裝置也能滿足73/78防污染公約Tier III和特定區(qū)域控制排放的要求;

（2）環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

SOFC具有模塊化、組合化和全封閉的優(yōu)點(diǎn)[3]，綜合環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。模塊化和組合化，可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際情況靈活布置;全封閉，可以保證不出現(xiàn)蒸發(fā)、腐蝕、電解液流失等情況，還有很高的抗潮濕性、多水汽、高鹽分、高油霧和高溫等優(yōu)勢(shì);

（3）節(jié)省空間

由于使用燃料電池，將不需要像傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)一樣配備燃油艙、排氣消音器和降低排放的排氣脫氮系統(tǒng);由于SOFC的工作溫度較高，在利用余熱回收系統(tǒng)的情況下，將不需要配備鍋爐系統(tǒng)。因此能夠節(jié)省大量的空間和載重資源;

（4）低噪音

燃料電池本身是化學(xué)反應(yīng)，所產(chǎn)生的噪音和振動(dòng)等級(jí)很低[4]，相應(yīng)配套的風(fēng)機(jī)和馬達(dá)等設(shè)備也是低功率的設(shè)備，不會(huì)產(chǎn)生很大的噪音和振動(dòng)，比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)的噪音和振動(dòng)低很多;

（5）布置靈活

相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)外形尺寸基本固定，只能集中布置在機(jī)艙或者輔機(jī)艙;燃料電池可以對(duì)電推進(jìn)行分散或者集中方式進(jìn)行布置，布置方式靈活多變，能更好地利用船上的空間;

（6）能量轉(zhuǎn)化效率高

SOFC本身發(fā)電過程的反應(yīng)溫度較高，過程簡(jiǎn)單，再加上不受卡諾循環(huán)效率限制，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電效率50%～65%;對(duì)其排氣進(jìn)行余熱利用并配合燃?xì)廨啓C(jī)一起使用，能量轉(zhuǎn)化效率甚至高達(dá)80%～95%。在相同電負(fù)載下，燃料電池發(fā)電效率明顯優(yōu)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī);

（7）直流供電更優(yōu)

與交流電三項(xiàng)供電相比，在供電網(wǎng)絡(luò)的絕緣等級(jí)相同、傳輸功率相同、線路投資成本和傳輸通道的寬度基本相同的情況下，直流電的傳輸功率是交流電單線約1.5 倍的交換[7]，所以直流供電系統(tǒng)比交流供電系統(tǒng)具有更大的供電容量;另外，直流供電系統(tǒng)不需要配備無功補(bǔ)償設(shè)備和過濾設(shè)備，減少了固定設(shè)備的投資，節(jié)約了占地，降低輸電線路的成本;直流供電相較于交流供電的電能質(zhì)量更好，相比于交流電不存在電流大小和方向變化的問題，供電更穩(wěn)定;直流供電相較于交流供電對(duì)超級(jí)電容的兼容性更高[8][9]，對(duì)于通訊導(dǎo)航設(shè)備來說，因?yàn)槎际堑碗妷喝蹼婎愒O(shè)備，直流供電兼容性更高。

6.2? ? 主要缺點(diǎn)

（1） 成本高

電力系統(tǒng)整體成本比常規(guī)設(shè)備高，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

① 燃料電池：燃料電池由于在實(shí)船應(yīng)用較少，采購(gòu)成本相比于內(nèi)燃機(jī)較高，并且在后期維護(hù)方面成本也偏高;

② 直流用電設(shè)備：用戶端較多采用直流用電設(shè)備，直流用電設(shè)備比交流用電設(shè)備價(jià)格高，特別是大功率電機(jī)價(jià)格會(huì)高很多，造成整體成本偏高;

③ 更多的電氣防爆設(shè)備或者措施：相比于常規(guī)雙燃料LNG船，燃料電池LNG船會(huì)有更大的區(qū)域被劃分成防爆區(qū)域或者采取雙壁管等方式，增加了成本。

（2）規(guī)范要求高

相比于常規(guī)雙燃料LNG船，燃料電池LNG船在規(guī)范要求方面會(huì)有額外的要求。如：中國(guó)船級(jí)社已發(fā)布并于2017年12月1日生效的《船舶應(yīng)用替代燃料指南第2篇燃料電池系統(tǒng)》中，要求對(duì)材料、船舶布置、系統(tǒng)與管路設(shè)計(jì)、燃料存儲(chǔ)、燃料加注、通風(fēng)、消防、電氣設(shè)備和檢驗(yàn)與試驗(yàn)等方面做了相關(guān)規(guī)定[10]。該文件雖然是指導(dǎo)性文件，但也應(yīng)該盡量滿足。

7? ? 結(jié)束語

燃料電池作為清潔能源近年來在實(shí)船上已有少量應(yīng)用，但是在LNG船上的應(yīng)用還處于設(shè)計(jì)研制階段。本文對(duì)使用固體氧化物燃料電池（SOFC）的LNG船的電力系統(tǒng)和天然氣對(duì)燃料電池的供給系統(tǒng)，進(jìn)行了設(shè)計(jì)以及功能介紹，并對(duì)所設(shè)計(jì)的電力系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，望能對(duì)LNG船相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一些參考作用。

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