雙燃料發電機在FLNG上的應用

孫小濰

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

雙燃料發電機在FLNG上的應用

孫小濰1，2

（1. 上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院 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儲卸裝置FLNG目前越來越受到各大能源公司和國家的關注，作為新出現的產品，其應用和相關規范還處在不斷研究完善和發展階段。該裝置的動力核心是雙燃料發電機組，其燃氣系統設計和其他相關系統的應用與傳統柴油機有很大不同。文中以國內首個FLNG項目使用雙燃料發電機為例，介紹并分析雙燃料發電機主要系統特點和設計要求。

［關鍵詞］浮式液化天然氣生產儲卸裝置；雙燃料發電機；天然氣；燃氣系統

引 言

天然氣燃料因其先天減排優勢，且價格低于一般燃油，近年來日益受到關注。隨著開采技術和海洋工程裝備技術的發展，國際能源公司提出天然氣液化和再汽化的革命性技術解決方案——FLNG（Flowing LNG Unit），也稱浮式液化天然氣生產儲卸裝置（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、儲存和裝卸的相關設備，將處理過的天然氣液化、儲存并輸送到旁邊的貨船上（LNG-FSU），然后搭配數條液化天然氣運輸船（LNG Carrier），實現海上天然氣的開采和運輸。

利用FLNG進行海上氣田開發，結束了海上氣田只能采用管道運輸上岸的單一模式，既節約運輸成本、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，安全環保。此外，FLNG還可以在氣田開采結束后二次使用，安置于其他天然氣田，經濟性能較好［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化為液態天然氣，臨時儲存在船體內的儲存罐或傳輸到旁邊的LNG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公司開發的PRICO工藝專利技術，包括過濾、脫酸、脫水和液化等功能。船體內放置了三個由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系統和相關輔助系統都由船廠提供。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%、重烴1.365%和少量N2，折算成甲烷數后，滿足雙燃料機器對甲烷數最低80的要求。根據前期設計估算，該裝置正常液化工作時，艙內產生的LNG蒸發氣（BOG）的蒸發量至少約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，小于貨罐內產生的BOG的量，正常情況下將貨罐內的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。

該裝置的電力供應系統由三臺Wartsila公司生產的低壓雙燃料發電機組成，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上的應用，分析雙燃料柴油機的工作特點和相關配套系統的應用，供大家研究參考。

1 雙燃料柴油機工作特點

雙燃料系統的研究開發最早始于車用發動機，上世紀80年代，由美國能源轉換公司（ECI）開發了一種新型的雙燃料系統，并把兩臺高速柴油機改裝成為雙燃料發動機。如今商業投產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都集中在“高壓天然氣的缸內直噴技術”和“低壓引燃技術條件下的燃氣噴射技術”上。本項目的發電機采用的是后者。

對于雙燃料柴油機設計，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，機器的控制系統和配套系統的特殊要求都是圍繞安全和效率這兩個核心理念來設計的。

目前大多數雙燃料柴油機還是基于原來的機械構造原理而設計的，這樣對柴油機本身來說不必做很大的改動就可實現雙燃料運行，只需要在機器燃料系統上增加一套供氣系統，同時機器上配置相應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計，與其他廠家采用分離式不同。這樣設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致損壞。

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

柴油機工作為傳統的柴油循環。開始進氣過程中只有空氣進入，活塞運動僅壓縮空氣，產生高溫，在壓縮結束前后噴入燃油，同時由于機器需要隨時準備切換到燃氣模式，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。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：當控制系統監測到點火油噴射系統故障或備用模式控制系統接收到外部啟動信號時（如燃氣泄漏、壓力低等報警信號時），機器將強迫轉換為相對安全的后備工作模式，這時只有傳統的燃油噴射，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產生一定的延遲或波動，因此在fuel share模式時，主燃油噴射系統和燃氣噴射系統同時工作，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，使得機器發出的功率不會有太大波動。

1.4 工作模式的轉換

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，而傳統的柴油機工作模式（后備模式）是最安全穩定的等級，柴油模式居中。機器自動切換順序原則是：優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完成自檢通過。一旦系統出現報警或外部故障信號輸入，則控制系統根據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，系統就自動關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系如圖3。［3］

由于雙燃料柴油機燃氣系統的加入，使機器的運轉模式多樣化，不僅控制系統相對傳統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的外部配套系統設計也有一些需要注意的方面，現以FLNG項目上的使用為例，作簡單闡述。

圖3 雙燃料發動機工作模式

2 雙燃料柴油機燃氣系統

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蒸發氣，蒸發的天然氣集中存在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，另一部分作為燃料，進入機艙供雙燃料發電機用。發電機燃氣供應系統見圖4。

圖4 發電機燃氣供氣系統

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

由于燃氣發生泄漏時很快散逸，如果在一個相對封閉的空間內（比如機艙內），其濃度會很快達到著火邊界，容易發生爆炸的危險。因此對于采用燃氣作為燃料的設計，基本原則是需要盡可能避免燃氣管路通過服務處所，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。其氣體燃料被貯存在內管中。對于同心管之間的空間，應用惰性氣體加壓至大于氣體燃料的壓力，應設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）氣體燃料管應被安裝在通風管或管道內，在氣體燃料管和通風管或管道內壁之間的空間，應設置機械抽風設備，其排量至少為30 次/小時。應將通風系統布置成能維持其壓力低于大氣壓力。風扇電機應置于通風管或管道之外。應將通風出口設于不會點燃易燃氣體/空氣混合物的位置。當管路內有氣體燃料時，通風系統應能始終保持運轉。應按要求設有連續氣體探測裝置，以指示氣體燃料的泄漏，并能切斷向機器處所供應氣體燃料。在排風系統不能產生和維持所要求的空氣流量時，氣體燃料總閥應能自動關閉［4］。

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

圖5 雙套管，法蘭，膨脹節

GVU為一個鋼質氣密罩殼，它的內部主要部件包括一個氣體壓力控制閥、兩個關斷閥、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的功能類似于傳統燃油系統中的供油單元，典型外觀見圖6，內部組件見圖7。［6］

圖6 GVU外形圖

圖7 GVU內部組件

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的內部管路為單層設計，而其氣密鋼制外殼就相當于雙套管的外層，GVU的內部腔體同雙層燃氣管路的中間層相連通，同時柴油機內部的燃氣管路系統也為雙層設計，如圖8所示。［6］

當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進氣口被抽入，沿著雙套管路進入GVU。在GVU上又有一個通風管道的出口，用于接到開敞甲板的抽風機，風機出口設有燃氣探頭，實時監測燃氣的泄漏。如圖9所示，當監測到管內存在燃氣時，傳感器輸出信號到雙燃料發動機的控制系統，切斷燃氣供應總閥，柴油機轉為安全的備用模式運轉。這樣的雙層管路設計和布置使得燃氣泄漏到機艙的可能性大大降低。即使內管發生泄漏時，系統也能迅速反饋和報警，通過自動關閉總閥，并將泄漏到中間層的燃氣排出到開敞安全區域，使得泄漏危險性始終在可控范圍內，對機艙燃氣監測、通風等方面的要求降低了很多，布置簡化且滿足規范要求。

圖8 柴油機內部燃氣管路系統

圖9 燃氣管通風

3 雙燃料柴油機滑油系統

由于燃氣的存在，雙燃料發動機的滑油系統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并不斷聚集，同時，曲軸箱內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”危險區域，所有服務與該區域的電氣設備需符合該等級。析出的少量燃氣由自然排風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備雖然理論上也參與了曲軸箱內滑油處理，但原則上處理過程中不會有燃氣析出，因此這些設備無需考慮會有大量燃氣積累而形成爆炸性危險環境，也不必設置專門的防爆預警系統。目前各大設備制造商以及船級社都統一不對其做防爆等級要求。

4 雙燃料發電機冷卻水系統

雙燃料發動機的低溫和高溫冷卻水系統設計與滑油系統一樣，需要考慮燃氣的泄漏風險。

在正常操作范圍下，冷卻水系統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。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域且不斷自然排出，并遠離任何著火源。該透氣管應穩固向上安裝以避免積累爆炸性氣體，透氣管自由端應安裝一個火星熄滅器。膨脹水箱艙室內部的防爆等級為二級，所有電氣設備需符合該等級。

考慮系統的維護，冷卻水膨脹水箱上應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，內部不存在爆炸性氣體［7］。

5 雙燃料發電機排氣系統

排氣系統的設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，并在排氣管內聚集。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裝置對排氣管進行通風，見圖10。［6］在排氣管上還需要根據仿真模擬計算爆破過程，確認安裝爆破片的位置。這樣，即使排氣管內的燃氣發生爆炸，大量燃氣混合物以及產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 排氣通風裝置

6 結 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范修改。比如IMO于2014年9月對IGC規范的首次重大修改，就是在全面回顧5年內科學技術領域最新進展的基礎上形成的，其中包括FLNG和雙燃料柴油機的出現所帶來的規則變化。隨著類似項目使用經驗的積累和主機制造廠新技術的應用，以后雙燃料機器在FLNG上的應用一定會向著安全、高效、經濟的方向不斷前進。對我們設計人員來說，也需要隨時關注新技術的出現和規范要求的更新。

［參考文獻］

［1］“一觸即發 FLNG市場即將迎來井噴”［EB/OL］. ［2012-8-17］. http://www.csic.com.cn/zgxwzx/csic_ cshq/233639.htm.

［2］ W?rtsil?. W?rtsil? Dual-fuel Engines.瓦錫蘭雙燃料發動機［M］.［s.l.］：W?rtsil?，2012.

［3］ W?rtsil?. DAAB041420（Rev.j）［M］. Finland：W?rtsil?. 2010.

［4］ 中國船級社. 散裝運輸液化氣體船舶構造與設備規范［M］. 北京:人民交通出版社，2006.

［5］ MAN Diesel & Turbo. MAN Diesel & Turbo.L35-44DF Marine Product Presentation［M］. ［s.l.］：MAN Diesel & Turbo， 2012.

［6］ W?rtsil?. Installation Planning Instructions［M］.［s.l.］：W?rtsil?，2012.

［7］ MAN Diesel & Turbo. Safety concept dual fuel engines［M］. ［s.l.］：MAN Diesel & Turbo，2012.

［中圖分類號］U664.13

［文獻標志碼］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