20 MW LNG發電船方案設計與分析

劉建朔, 溫小飛, 郁惠民, 汪家政

(1.中交城鄉能源有限責任公司，北京 100020；2.浙江海洋大學 船舶與海運學院，浙江 舟山 316022；3.舟山長宏國際船舶修造有限公司，浙江 舟山 316052)

0 引 言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)是一種清潔能源，作為燃料比柴油可減少90%的硫氧化物排放，減少40%的氮氧化物排放。在CO2排放控制方面，煤炭、柴油、汽油和天然氣這4類能源的碳排放系數比為1∶0.8∶0.74∶0.6，即天然氣替代煤炭、柴油和汽油可分別減少40%、25%和19%的CO2排放。LNG作為船用燃料，滿足《國際防止船舶造成污染公約》第三階段氮氧化物排放限值要求，自2022年1月1日起，我國海南在全國沿海率先開始執行這一最嚴政策。在碳達峰、碳中和發展目標和能源革命的推動下，航運業能源轉型進程不斷加快，LNG作為最佳的過渡燃料，清潔降碳效果明顯。從全世界2022年一季度新造船舶訂單來看，按新造船舶總噸位規模計算，約57%的新造船舶采用LNG作為燃料。在全世界現有船隊中，超過270艘為LNG預留方案。全世界綠色燃料港口基礎設施越來越多，正在運行的LNG燃料加注港為144個，設施在建港口為94個。

以LNG為動力的新型船舶正在大力發展，但較多老舊船舶尚未改裝低硫燃料設備，該類船舶在港口停泊期間，需要連接岸電或使用清潔能源等替代方案，以滿足排放控制要求。隨著“海上絲綢之路”的建設，沿途發展中國家的港口、島礁、城市急需電力供應的配套設施，例如瓜達爾港、比雷埃夫斯港等港口[1]。多功能LNG發電船是以LNG作為燃料、通過LNG發電機組產生電力、實現電力和LNG輸出的多功能船舶，不僅可廣泛用于我國大型沿海港口，為靠港船舶提供電力供應和LNG加注服務，而且可用于電力缺乏的沿海發展中國家，并可為我國南海島嶼、群島的前期開發提供綜合能源供應[2]。

基于上述需求分析，開展多功能LNG發電船設計研究工作。該船設計發電能力為20 MW，其功能與特點如圖1所示。

圖1 多功能LNG發電船功能與特點

1 發展現狀

目前，LNG發電船的設計和建造處于世界前沿，僅德國和韓國等國實現建造。按國際使用方式，LNG發電船分為兩類。

第一類是為靠港船舶提供岸電的浮式發電船，例如2015年在德國漢堡投入使用的Hummel號浮式LNG發電船，主要為漢堡港臨時?？康泥]船提供電力[3]。該船船長為76.0 m，船寬為11.4 m，通過使用在LNG罐中儲存的15 t天然氣，利用5臺卡特皮勒G3516C LNG發電機，采用熱電聯產技術進行發電，船上帶有蓄電池組，可對外提供7.5 MW電力供應。該船運營商在周邊城市建造岸基LNG加注站，可保證LNG燃料的及時補給。在無靠港郵船時，該船產生的電能可直接輸入城市電網，保證該船的利用率和經濟價值。

第二類是大型LNG發電船，主要用于為某個國家或地區的居民和工業用戶供電，輸出功率一般在110～250 MW，現今主要使用方為馬來西亞、黎巴嫩、伊拉克、委內瑞拉、安哥拉、菲律賓和巴基斯坦等基礎建設落后的國家。該型船的主要優勢在于電力投入使用時間短、靈活機動、效率高，并可填補當地電廠建設的空檔。例如土耳其Karpowership公司運營的Karadeniz Powership Ibrahim Bey號發電船，裝機容量為120 MW，于2020年2月在科納克里開始運營，可滿足幾內亞10%的總電力需求。Karpowership是全球最大的發電船運營公司，擁有約20艘發電船，分別布置在印度尼西亞、加納、蘇丹、黎巴嫩和古巴等地，發電能力總計達3 000 MW。

我國在LNG發電船設計和建造方面處于起步階段。中國船級社(CCS)于2016年立項研究LNG發電船，于2018年發布《發電船檢驗指南》，為發電船的設計和檢驗提供規范性指導[4]。2021年，惠生海洋工程有限公司宣布，投資開發的240 MW浮式燃機聯合循環電站項目順利開工建造，標志中國浮式天然氣發電裝置正式進入實施階段。該項目由1座LNG浮式儲存及再氣化裝置(Floating Storage and Regasification Unit，FSRU)和1艘240 MW的聯合循環天然氣發電駁船組成。

2 LNG發電船主要系統

2.1 LNG液貨系統

在大型LNG運輸船和大型LNG動力船上使用的液貨系統多為薄膜型(GTT NO96和GTT MARK Ⅲ)，少量LNG運輸船使用Moss型和自支撐棱柱B型(Self-supporting Prismatic IMO Type B，SPB)液貨艙。世界上約90%的大型LNG運輸船使用GTT薄膜型貨艙。Moss型貨艙的球形體積因占用空間過大和上甲板部分影響駕駛視線等缺陷逐漸被淘汰。SPB液貨艙具有操作簡單、維護簡易、液艙與內殼的間距方便處理等優點，部分LNG運輸船應用。

中小型船舶的LNG儲存一般采用獨立液貨艙，主要分為A、B和C等3種類型。A型液貨艙由平面結構組成，最大允許設計壓力要求不大于0.07 MPa。C型液貨艙分為單圓筒、雙耳圓筒或球形等3種結構形式，作為壓力容器具有承壓能力強、技術成熟和建設成本低等特點。

在小型LNG運輸船和LNG動力船上多為C型LNG貨艙。薄膜型、SPB和A型貨艙圍護系統由于可貼合船體線型進行設計，因此在貨艙容積方面往往優于C型貨艙，但其建造成本較高，未達到在小型船舶上應用的階段。對于儲存5萬m3LNG以下的船舶建議采用C型貨艙。

2.2 LNG燃料供應系統

LNG燃料供應系統主要用于為天然氣發動機提供壓力和溫度均滿足要求的天然氣，設置燃料泵、汽化器、蒸發氣體(Boiled Off Gas，BOG)壓縮機、加熱器、燃料緩沖罐和相應管路與閥件。燃料泵設置在LNG貨艙內，每艙設置1臺。貨艙內的LNG通過燃料泵輸送至換熱器，進行汽化和加熱，轉變為常溫氣態天然氣(Gaseous Natural Gas，GNG)，先后進入燃料緩沖罐和發動機。燃料緩沖罐主要作用是確保進入發動機的燃料氣體流量和壓力穩定，并可儲存LNG貨艙因蒸發而產生的GNG，燃料緩沖罐的容積需要根據發動機的能耗確定。LNG燃料供應系統如圖2所示。

圖2 LNG燃料供應系統

加熱LNG燃料的熱源來自發動機缸套水或電加熱器，缸套水或電加熱器不能直接加熱天然氣燃料，需要設置間接加熱系統，即水/乙二醇循環系統，先加熱水/乙二醇，由水/乙二醇加熱LNG汽化器和加熱器。所有LNG管系和閥件材料均采用316/316L材料，并進行低溫試驗，且取得相應的船舶檢驗證書。低溫管路包覆絕緣材料，并外包不銹鋼板。

2.3 對外供電系統

LNG發電船對外供電主要分為船-船和船-岸兩種模式，由3個部分組成，分別是船上供電系統、電纜連接系統和船(岸)上受電系統。船-岸電纜連接系統如圖3所示。

圖3 船-岸電纜連接系統

我國船舶電制大多為440 V/50 Hz或380 V/50 Hz，而國際上的船舶用電頻率以60 Hz居多，電壓為440 V或6.6 kV等。根據電壓的不同，對外供電系統可分為高壓供電系統和低壓供電系統，高壓供電系統主要是指電源輸出為6.6 kV/11.0 kV或以上的電源系統。高壓供電系統相對于低壓供電系統，在操作方面具有較大優勢。由于高壓供電可用較少電纜實現大容量供電，具有連接便捷化和操作自動化等優點，因此發電船優先考慮高壓供電系統[5-6]。

2.4 并網保護系統

并網保護系統是指發電船對外供電裝置和船(岸)上電力接入設備對電源具有過壓、欠壓、過流、短路和缺相等保護功能。設置聯鎖裝置，在發電船上出現供電開關未合閘或連接插頭未插接等情況時，確保斷路器不能閉合，并可啟動應急切斷功能。以船-船模式為例，為實現受電船的不間斷供電，通過發電船電站管理系統檢測發電船電源和受電船電源的頻率、相位和電壓等信號，計算合閘時間，確保發電船電源成功并入受電船電網，在完成負載轉移后再斷開受電船自身電源系統，保證供電的連續性，使各設備在不停電的情況下正常運轉。LNG發電船的電氣系統是一個綜合的輔助系統，不僅需要考慮發電船自身的電氣系統需求，而且需要適應不同供電對象的各自特點和實際需求[7]。

3 模塊化設計

3.1 船體設計

該20 MW多功能LNG發電船主要用于船舶、海上平臺、浮式生產儲卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，FPSO)、港口和小型島嶼等需要電力供應的設施和地區。該船設置電力推進系統，相比目前世界上現存的LNG浮式發電船而言，具有移動靈活的特點。該船設計總長為112.0 m，型寬為30.0 m，型深為11.0 m，吃水為4.7 m。

貨艙區域布置2個5 000 m3的C型LNG液貨艙，機艙布置4臺5 090 kW和1臺1 065 kW氣體發電機組，艏部設置1臺艏側推進裝置。該船設計總圖如圖4所示。

圖4 設計總圖

3.2 LNG管路系統設計

該船LNG液貨系統和LNG燃料供應系統總圖如圖5所示。

圖5 LNG液貨系統和LNG燃料供應系統總圖

(1)LNG液貨系統設計

該系統設置LNG貨物管路，LNG貨物通過船上的集管由岸上或LNG加注船接收，采用2路液相管和1路回氣管，滿足石油公司國際海事論壇(OCIMF)對貨物集管的要求，在集管上配置計量器，管路最大流量為液相管8 m/s、氣相管25 m/s。所有遙控閥均采用液壓驅動，相關的遙控閥按規范要求由應急關斷系統(Emergency Shutdown System，ESD)進行控制。通過液貨系統，該船可為其他LNG動力船舶提供LNG補給服務。

(2)LNG燃料供應系統設計

該系統設置2臺燃料泵、2臺汽化器、2臺壓縮機、3臺加熱器和1個燃料緩沖罐，供氣量為所有主發電機組全負荷100%最大持續功率(Maximum Continuous Rating，MCR)工況條件下的總燃氣消耗量。燃料泵位于LNG貨艙內，汽化器、壓縮機和加熱器位于貨艙凸起甲板上的燃氣設備間。燃料緩沖罐設計容積為10 m3，設計壓力為10 bar(1 bar=0.1 MPa)，正常工作壓力為6 bar，燃料緩沖罐通過管路連接機艙內的5臺天然氣發動機。

(3)測量和控制系統設計

該系統對貨物和燃氣系統進行控制和參數監測，并具備應急關斷功能，實現對燃料泵、水/乙二醇泵和壓縮機等設備的啟動控制和應急關斷閥的開關動作。

在LNG貨艙內設置液位、溫度和壓力測量裝置，可隨時監測貨艙內的液位、溫度和壓力數據，并設置液位和壓力報警系統。每個貨艙設置獨立的95%和98%液位報警系統，在貨艙液位發出液位報警時，LNG進口閥可自動關閉。根據壓力釋放閥的最大允許調定值設定高壓報警，在貨艙壓力達最大允許調定值時，壓力釋放閥可自動打開，進行壓力釋放。

按規范規則要求，設置1套可燃氣體探測系統，用于貨物設備間、貨艙處所、貨艙區域壓載艙和安全處所的通風進口可燃氣體測量。

(4)氮氣系統設計

配備1套采用高分子膜變壓吸附式(Pressure Swing Adsorption，PSA)的氮氣發生器，由壓縮機模塊、氣體干燥模塊、吸附分離模塊、氮氣瓶和相關管路等組成。氮氣系統主要用于管理吹掃。

3.3 電力-推進復合系統設計

該系統將船舶電力系統和推進系統組成一個整體，將動力機械能轉化為電能，為船舶推進和船上其他用電設施提供電能，將船舶推進供電和日常用電合為一體，實現能源的綜合利用和統一管理。該系統主要包括自動電站系統、推進系統和控制系統等3個部分。自動電站系統設置主配電柜、中壓配電柜和應急配電柜等。主配電柜是全船的供配電中心，根據全船用電設備的實時要求合理分配電能，為各發電機組和用電設備提供保護功能，如過載、短路和欠壓等，并監測電網的絕緣情況。設置功率管理系統，控制和調節船舶的電網功率，控制對象為發電機組和主配電板，對各發電機組和推進系統進行監控并協調各發電機組的工作，對供電系統進行故障報警和處理，為推進系統和其他用電設備提供可靠、穩定和優化配置的電力能源。

該船的電力來自4臺5 090 kW和1臺1 065 kW的天然氣發電機，并設置1臺約130 kW的應急發電機。推進系統采用全回轉動力，設置2套900 kW的12脈沖水冷變頻柜、2套800 kW的水冷電機和2套全回轉舵槳。發電機組電能經中壓配電柜分配功率至變壓器，經推進變頻器傳動推進電機，將動能傳遞至全回轉舵槳。為滿足動力定位和靈活?？看a頭的要求，艏部設置1套艏側推進系統?？刂葡到y包括全回轉舵槳控制系統、側推進控制系統和機艙監測報警系統。全回轉舵槳控制系統采用現場總線網絡通信，左右舵槳結構獨立，具備對每套推進驅動設備的分別控制，可監測推進系統內的所有設備運行狀態，并進行相應保護。該船的電力和推進系統如圖6所示。

圖6 電力和推進系統

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4 結 語

隨著我國“雙碳”目標的提出和節能減排技術的發展，LNG作為燃料在海洋運輸領域應用日趨廣泛。LNG多功能發電船作為高附加值新船型，具有建設周期短、移動靈活和不占陸地資源等優點。我國LNG多功能發電船開發處于起步階段，需要結合LNG運輸船設計經驗，研究LNG燃料供應系統、LNG液貨系統、全船電氣化系統和先進推進系統等方面的技術問題，以形成系統性LNG多功能發電船設計方法，并進行更多的設計方案探索。