蒸汽透平推進(jìn)式LNG船改造為FSRU的發(fā)電方案研究

朱崇遠(yuǎn)，夏華波，劉劍楠，鄭 坤，韋曉強(qiáng)

(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)

0 引 言

我公司在 21世紀(jì)初曾經(jīng)引入日本技術(shù)建造了10艘 14.7萬方 LNG運(yùn)輸船，由于這批船采用鍋爐燃燒運(yùn)輸 LNG自然蒸發(fā)氣體，當(dāng)自然蒸發(fā)氣(BOG)不足時(shí)，則需強(qiáng)制蒸發(fā)貨艙里的 LNG形成蒸氣后進(jìn)入天然氣鍋爐(型號：MITSUSHI MB-4E-KS2，61.8@515℃×6500kg/h)，產(chǎn)生高壓水蒸氣驅(qū)動蒸汽輪機(jī)(型號KAWASAKIUV400，27200kW@832rpm)運(yùn)轉(zhuǎn)，并帶動螺旋槳來推進(jìn)船舶運(yùn)行。

由于這批船舶采用了主鍋爐+主透平這種相對落后的驅(qū)動方式，根據(jù)本公司的能耗報(bào)表：使用這種驅(qū)動模式的船舶，平均能耗為 66.18t/萬 kW·d，而使用雙燃料發(fā)電機(jī)+電動驅(qū)動的船舶能耗為53.12t/萬 kW·d。兩者相差 26.05%。由于 LNG 運(yùn)輸船的裝機(jī)功率大，每天燃料消耗費(fèi)用相差接近十萬元人民幣。LNG耗量較高再加上這批船建造時(shí)間較長，船齡較高，在 LNG運(yùn)輸市場競爭中，處于相對劣勢地位，已經(jīng)不容易爭取利潤較高的合同。

按照慣例，很多船齡稍高、競爭不占優(yōu)勢的LNG運(yùn)輸船，一般會改造成浮式LNG氣化裝置FSRU使用。根據(jù)現(xiàn)有案例，這種船改造成 FSRU的難點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)在于其電力系統(tǒng)改造。

1 LNG船推進(jìn)及電力類型概述

除蒸汽透平推進(jìn)裝置外，LNG船使用的還有雙燃料電力推進(jìn)裝置和雙低速柴油機(jī)聯(lián)合再液化推進(jìn)裝置[1-2]。2002年有 2艘 LNG船采用了雙燃料電力推進(jìn)裝置，2004年有8艘LNG船采用了雙低速柴油機(jī)聯(lián)合再液化推進(jìn)裝置，目前已有大量 LNG船采用了這兩種推進(jìn)裝置。

1.1 蒸汽透平模式

如圖 1所示，LNG船蒸汽透平推進(jìn)方式一般配置 2個(gè)鍋爐，可采用重油和 BOG兩種燃料。其推進(jìn)系統(tǒng)分別配置高壓和低壓蒸汽透平，鍋爐蒸氣通過高、低壓蒸汽透平轉(zhuǎn)化為輸出動力，并經(jīng)由減速齒輪箱驅(qū)動定距槳轉(zhuǎn)動。此類型船舶的電力系統(tǒng)，通常配置2臺蒸汽透平發(fā)電和1～2臺柴油機(jī)發(fā)電。

圖1 傳統(tǒng)蒸汽透平驅(qū)動方式Fig.1 Schematic diagram of traditional steam turbine drive

1.2 雙燃料電力推進(jìn)模式(DFDE)

隨著 LNG船日益大型化，由于傳統(tǒng)蒸汽推進(jìn)成本較高，為了降低成本，提高貨物裝載，LNG船型發(fā)生了變化，船寬和船長逐漸增加，船舶艙容更大了。尺度變化導(dǎo)致大型 LNG船成為了淺吃水船型，推出了采用雙槳和雙導(dǎo)流尾鰭，以匹配推進(jìn)功率的增加。運(yùn)營使用的雙槳方案有機(jī)械推進(jìn)和電力推進(jìn)兩種。

隨著中壓系統(tǒng)的發(fā)展和雙燃料發(fā)電技術(shù)的成熟，雙燃料電力推進(jìn)成為中型 LNG船的首選。與蒸氣推進(jìn)系統(tǒng)相比，采用雙燃料電力推進(jìn)方案的系統(tǒng)在提高效率、減小總裝機(jī)容量、低排放、操作機(jī)動性和靈活性等方面有明顯的優(yōu)勢[4]。如圖 2所示，該種推進(jìn)方式采用雙燃料發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能，供給船舶推進(jìn)電動機(jī)組，經(jīng)減速裝置減速后驅(qū)動螺旋漿轉(zhuǎn)動。除推進(jìn)裝置外，該種方式船舶其他電力也由雙燃料發(fā)電機(jī)組供應(yīng)，便于電力管理。

圖2 雙燃料電力推進(jìn)方式Fig.2 Schematic diagram of dual fuel electric propulsion

1.3 雙低速柴油機(jī)推進(jìn)模式(ME-GI)

隨著LNG市場需求的快速增長，LNG運(yùn)輸船尺度越來越大，出現(xiàn)了一系列卡塔爾型超大型 LNG運(yùn)輸船，液貨艙容在 20萬 m3以上。由于雙燃料發(fā)電裝置在單機(jī)容量和系統(tǒng)總功率需求上難以滿足20萬m3以上的超大型 LNG運(yùn)輸船需求，故其一般采用雙低速柴油機(jī)的直接推進(jìn)方式(ME-GI)。如圖 3所示，采用2個(gè)兩沖程推進(jìn)柴油機(jī)分別直驅(qū)動螺旋槳，一般該模式下，全船發(fā)電系統(tǒng)需要另配雙燃料發(fā)電機(jī)。

圖3 雙低速柴油機(jī)推進(jìn)方式(ME-GI)Fig.3 Schematic diagram of propulsion mode of dual low speed diesel engine

2 現(xiàn)有蒸汽透平推進(jìn) LNG船改造 FSRU的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于雙燃料發(fā)電機(jī)推進(jìn)方式和雙低速柴油機(jī)聯(lián)合再液化推進(jìn)方式是當(dāng)前 LNG運(yùn)輸船的主流，一些老式的蒸汽透平推進(jìn)型LNG船逐漸失去了市場競爭力。隨著 FSRU 市場的興起[5]，尤其是當(dāng)前主流的帶自航功能的 FSRU，給蒸汽透平式 LNG船重新提供了市場機(jī)會，這主要是因?yàn)檎羝钙绞?LNG船改造FSRU比新建FSRU投資和工期方面的優(yōu)勢。

本文以14.7萬m3LNG運(yùn)輸船改裝為FSRU涉及到的電力系統(tǒng)改造為例進(jìn)行說明。14.7萬 m3LNG船及其改裝成的FSRU相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 船舶參數(shù)Tab.1 Ship parameters

LNG運(yùn)輸船和 FSRU海工設(shè)施的設(shè)計(jì)理念不同，LNG運(yùn)輸船以運(yùn)輸為主，其主要負(fù)荷在于航行時(shí)大功率主蒸汽透平的推進(jìn)需求，采用27200kW@832rpm的蒸汽透平驅(qū)動螺旋槳為船舶提供強(qiáng)大的動力，其船舶電力需求相比 FSRU小得多。FSRU主要是近岸氣化作業(yè)為主，高峰時(shí)氣化用電負(fù)荷比較大，對于有 3條氣化鏈的 FSRU，當(dāng)高峰氣化能力達(dá)到 3×250mmscfd(百萬標(biāo)準(zhǔn)立英尺每日)時(shí)，其峰值用電功率需要高達(dá) 16981.6kW 的大功率負(fù)荷。

近年來，隨著社會的進(jìn)步和人民生活水平的普遍提高，眾多家庭都選擇盡早讓兒童接受音樂素養(yǎng)的培養(yǎng)。鋼琴乃“樂器之王”，許多家長都為兒童選擇學(xué)習(xí)鋼琴來培養(yǎng)音樂素養(yǎng)，這確實(shí)對兒童身心發(fā)展起著良好的促進(jìn)作用。但由于盲目的跟風(fēng)和一味追求考級，導(dǎo)致兒童的鋼琴學(xué)習(xí)走向了功利性的另一極端。兒童鋼琴的學(xué)習(xí)不應(yīng)以考級為目的，也不應(yīng)單純地追求技術(shù)，而應(yīng)以獲取審美體驗(yàn)、愉悅身心為其學(xué)習(xí)目標(biāo)。

如果將這條 LNG運(yùn)輸船改造成為 FSRU，為了滿足強(qiáng)大的電力需求，現(xiàn)在普遍使用的一種方案是在船艉部增加發(fā)電模塊單元。如圖 4所示，將船艉整體加強(qiáng)后，在絞纜機(jī)上方約 2.5m的位置增加發(fā)電模塊，具體包括，3臺 LNG雙燃料發(fā)電機(jī)，2臺燃油分油機(jī)、2臺滑油分油機(jī)、發(fā)電機(jī)水霧保護(hù)系統(tǒng)、模塊整體 CO2氣體保護(hù)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)警報(bào)系統(tǒng)，排氣系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、污水污油系統(tǒng)。預(yù)計(jì)整個(gè)模塊的重量400t以上，造價(jià)大于2億元人民幣。

圖4 FSRU總布置Fig.4 General arrangement of FSRU

這個(gè)接近 20000kW 的模塊，至少需要值班/維護(hù)人員 10人(含倒班休假人員)，一年的人工費(fèi)用約300萬元人民幣；還有中速機(jī)大量備件、備品和滑油費(fèi)用以及特殊情況下制造商服務(wù)人員所需的費(fèi)用。

據(jù)日本船級社統(tǒng)計(jì)，船用中速機(jī)的故障率是0.4×10-3次/h，如果這條 LNG 運(yùn)輸船改造成了FSRU，不考慮其他因素造成的減產(chǎn)，單因?yàn)榘l(fā)電模塊造成的原因，就可能至少存在 0.4×10-3次/h減產(chǎn)的可能，而且一旦有一臺雙燃料發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障需要維護(hù)或正常保養(yǎng)時(shí)，其他兩臺的發(fā)電機(jī)不能滿足年產(chǎn)需要的電量，必需降低氣化單元的氣化量，來降低電負(fù)荷，才能保證其他兩臺發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行。

3 電力系統(tǒng)改進(jìn)方案

為了降低投入成本、降低運(yùn)營成本和故障率、降低管理和維護(hù)人員費(fèi)用，對常規(guī)電力方案進(jìn)行了改進(jìn)，提出了通過在主蒸汽推進(jìn)透平的尾部增加離合器，增加軸帶發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電的模式來解決上述問題的方案。具體方案如下：在空間相對合適的位置，撤掉一節(jié)中間軸，增加一臺同等長度的離合器齒輪箱，在離合齒輪箱內(nèi)，設(shè)計(jì)氣動活塞推動浮動軸，與原輸出軸內(nèi)外齒輪嚙合連接，靠氣動活塞可以推動浮動軸向前后運(yùn)動，為此設(shè)置了限位報(bào)警，浮動軸到位后，有工作模式顯示。設(shè)計(jì)盤車機(jī)與浮動軸連接/脫開機(jī)構(gòu)，非常方便齒輪的嚙合。

為便于使用和維護(hù)，離合器設(shè)有 3種狀態(tài)模式，分別為：檢修模式，航行模式，發(fā)電模式。

3.1 檢修模式

如圖 5所示，檢修模式下，主輸入軸與發(fā)電機(jī)和螺旋槳均不連接，方便主蒸汽透平的檢修。

圖5 檢修模式連接示意圖Fig.5 Schematic diagram of maintenance mode connection

3.2 航行模式

如圖 6所示，航行模式下，主蒸汽透平通過主動軸的內(nèi)外齒輪嚙合與螺旋槳相連，當(dāng)FSRU前往作業(yè)地點(diǎn)、遷航、避臺或者前往船廠維護(hù)時(shí)，采用這種模式。

3.3 發(fā)電模式

圖6 航行推進(jìn)模式連接示意圖Fig.6 Schematic diagram of navigation mode connection

圖7 發(fā)電模式連接示意圖Fig.7 Schematic diagram of power generation mode connection

如圖 7所示，氣化作業(yè)時(shí)，電力需求大，采用主透平發(fā)電模式，主驅(qū)動軸通過齒輪與發(fā)電機(jī)連接，并與螺旋槳脫開。主蒸汽透平具有 27200kW@832rpm的總功率，我們可以通過調(diào)節(jié)蒸汽流量使其達(dá)到16981.6kW 的電功率(表 1)，不需要其他發(fā)電機(jī)配電，即可滿足氣化作業(yè)時(shí)的全部需求。

圖 5至圖 7中部件的標(biāo)注號分別表示：1-推進(jìn)軸，2-輸入齒輪，3-發(fā)電機(jī)輸入軸，4-氣動控制箱，5-浮動軸，6-螺旋槳軸，7-蒸汽透平軸內(nèi)齒輪，8-外齒輪，11-條形外齒輪，41-氣動活塞，51-環(huán)形件，52-條形內(nèi)齒輪。

4 對比分析

4.1 改造配套增加的設(shè)備比較

改造配套增加的設(shè)備比較見表2。

表2 電力方案比較表Tab.2 Comparison between power schemes

4.2 傳統(tǒng)方案存在的問題

4.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度大

尾部為系泊甲板，發(fā)電模塊設(shè)計(jì)位于其上方，且重量較大(約 1000t以上)，同時(shí)尾部系泊設(shè)備和纜繩布置比較復(fù)雜，且新增電站模塊的結(jié)構(gòu)屬件不得與下方的系泊設(shè)備布置沖突，也不得改變原有系泊纜繩布置的走向。因此，該位置的新增發(fā)電模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)無母型船經(jīng)驗(yàn)可參考，無法參考常規(guī)上建結(jié)構(gòu)的方案，設(shè)計(jì)難度很大。

4.2.2 操作困難

由于尾部系泊甲板新增發(fā)電模塊，限制了尾部甲板的作業(yè)空間，不利于系泊等尾部甲板操作。

4.2.3 投資額比較大

新增尾部雙燃料發(fā)電機(jī)組模塊，需要大約2億元人民幣的投資，施工成本和管理成本都比較大。預(yù)計(jì)在后期運(yùn)營過程中，由于雙燃料發(fā)電機(jī)的故障率為0.4×10-3次/小時(shí)，需要有 6人正常值班和維護(hù)，4人倒班，人員費(fèi)用需要300萬元，還需要有500萬元/年的備件及滑油消耗費(fèi)用。

4.3 本方案的優(yōu)勢

與船尾新增發(fā)電模塊方案相比，新方案充分利用了船上已有設(shè)備，具有簡便易行、造價(jià)低、船東易承受改造資金壓力的特點(diǎn)；相對于現(xiàn)行方案，具有故障率低、維護(hù)簡單、需要維護(hù)保養(yǎng)人員少、停機(jī)維修時(shí)間短等優(yōu)勢；無結(jié)構(gòu)重大改造，新增設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)、振動小、噪音低，更利于人員休息、工作；由于本方案在現(xiàn)有機(jī)艙進(jìn)行改造，結(jié)構(gòu)改造量和改造難度均比在尾部甲板新增雙燃料發(fā)電機(jī)組小。

5 結(jié) 語

蒸汽透平發(fā)電具有故障率低、裝機(jī)容量大，運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、運(yùn)行成本低、維護(hù)人員少等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，采用蒸汽輪機(jī)發(fā)電的裝機(jī)廣泛程度甚至高于內(nèi)燃機(jī)發(fā)電。本文以 14.7萬 m3LNG船改造為750mm scfd氣化功能需求的FSRU為例，分析了其電力系統(tǒng)的方案優(yōu)化配置。研究認(rèn)為，采用主蒸汽透平改進(jìn)型發(fā)電方式更優(yōu)于常規(guī)的新增雙燃料發(fā)電方式，不僅技術(shù)可行，而且投資更低，大幅降低了改造成本，使成本回收時(shí)間縮短 2年以上，更有利于項(xiàng)目的實(shí)施。