集成式LNG發(fā)電船的設(shè)計(jì)難點(diǎn)與對(duì)策分析

段 斌，宋 煒，江 浩

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引言

集成式液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）發(fā)電船是集LNG 接收、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)運(yùn)、再氣化及發(fā)電和輸配電等多種功能于一體的高端裝備，具有廣闊的市場(chǎng)前景。近年來(lái)，“海上絲綢之路”的建設(shè)促使我國(guó)與相關(guān)國(guó)家的設(shè)施聯(lián)通不斷加強(qiáng)，例如瓜達(dá)爾港、比雷埃夫斯港等港口有一大批互聯(lián)互通項(xiàng)目正在推進(jìn)，迫切需要建設(shè)能立刻解決電力資源供給問(wèn)題的配套設(shè)施。同時(shí)，有研究顯示，“海上絲綢之路”沿線的很多區(qū)域（包括東南亞、中亞和非洲）的電力消耗水平較低，人口接近我國(guó)的3 倍，人均年用電量不到1700 kW·h，低于全球平均年用電量3000 kW·h，也低于我國(guó)的平均年用電量4000 kW·h，急需推進(jìn)電力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以改善用電情況。例如，印度尼西亞在其電力發(fā)展藍(lán)圖中指出，未來(lái)將建設(shè)200 多個(gè)電站，總發(fā)電容量達(dá)3.5 ×10kW。集成式LNG發(fā)電船不僅能廣泛應(yīng)用于印度尼西亞、馬來(lái)西亞和孟加拉等國(guó)家或其他沿海電力短缺地區(qū)，而且能應(yīng)用于我國(guó)南海的諸多大型島嶼、群島上，作為供電的綜合性解決方案，滿足基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和居民日常生活的電力需求。

此外，在能源發(fā)展新時(shí)代，我國(guó)能源行業(yè)以《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》為指引，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系。2017年1月17日，國(guó)家發(fā)改委和國(guó)家能源局印發(fā)《能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，提出“在‘十三五’期間，即天然氣消費(fèi)比重力爭(zhēng)2020年達(dá)到10%，煤炭消費(fèi)比重降低到58%以下”的“升氣降煤”的能源結(jié)構(gòu)改革方案，其中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，在天然氣領(lǐng)域，要積極推動(dòng)天然氣市場(chǎng)建設(shè)，推進(jìn)煤改氣和天然氣發(fā)電等模式的發(fā)展。集成式LNG發(fā)電船既可作為陸基電站建設(shè)或燃?xì)庠O(shè)施升級(jí)的過(guò)渡方案，又可作為夏季用電高峰和冬季供暖高峰的季節(jié)調(diào)峰快速綜合性解決方案，是促進(jìn)清潔能源在船舶領(lǐng)域應(yīng)用的一種重要方式。

1 LNG發(fā)電船發(fā)展現(xiàn)狀

陸基電站的選址需滿足一定的條件，建造陸基電站更是需投入大量資金，具有一定的局限性。由于LNG具有易燃易爆的的特點(diǎn)，出于安全考慮，在建設(shè)陸基電站時(shí)還要遵從距離居民密集區(qū)較遠(yuǎn)的原則，有效規(guī)避在人口稠密地區(qū)建設(shè)發(fā)電站帶來(lái)的安全風(fēng)險(xiǎn)。與傳統(tǒng)的陸基電站方案相比，集成式LNG發(fā)電船的建設(shè)周期相對(duì)較短，投資較少，能快速投入使用，不占用土地資源；同時(shí)，集成式LNG 發(fā)電船使用天然氣發(fā)電，滿足國(guó)際海事組織（International Maritime Organization，IMO）Tier III的排放要求，綠色環(huán)保，是電力短缺地區(qū)快速解決電力供應(yīng)問(wèn)題的理想方案。

正是由于集成式LNG發(fā)電船具有上述優(yōu)點(diǎn)，國(guó)際上該類型船得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊。截至2016年，全球已有53 個(gè)浮式發(fā)電裝置投入運(yùn)行，其中，發(fā)電容量在115 MW以上的浮式發(fā)電裝置有9座，最大的浮式發(fā)電裝置的發(fā)電容量為800 MW，發(fā)電容量在100 ～350 MW 的浮式發(fā)電裝置是最新發(fā)展的主力產(chǎn)品。目前，國(guó)際發(fā)電船市場(chǎng)中比較活躍的土耳其Karadeniz公司是世界上首個(gè)制造、運(yùn)營(yíng)發(fā)電船的公司，該公司早在2010年就已有7 艘LNG發(fā)電船投入使用，裝機(jī)容量共計(jì)1200 MW。這些船為巴基斯坦、黎巴嫩、莫桑比克、贊比亞和加納等國(guó)家提供了電力資源。圖1 為Karadeniz公司的LNG發(fā)電船。

圖1 Karadeniz公司LNG的發(fā)電船

目前，我國(guó)在LNG發(fā)電船設(shè)計(jì)和建造方面仍處于空白。雖然2017年惠生海洋工程有限公司聯(lián)合法國(guó)船級(jí)社（Bureau Veritas，BV）完成了一型浮式存儲(chǔ)再氣化發(fā)電船的研發(fā)工作，該型LNG發(fā)電船的裝機(jī)容量為50 MW，但其并不具備LNG儲(chǔ)存能力。滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司依托“國(guó)家能源LNG海上儲(chǔ)運(yùn)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)，與美國(guó)通用電氣（GE）公司合作開發(fā)的新一代綠色高效LNG發(fā)電船成功獲得了美國(guó)船級(jí)社（American Bureau of Shipping，ABS）的原則性認(rèn)可。該型LNG發(fā)電船的長(zhǎng)度約為166 m，型寬為27.6 m，型深為18 m，采用GTT NO.96 GW薄膜型LNG儲(chǔ)存艙，艙容為3.2 萬(wàn)m，全負(fù)荷供電時(shí)自持能力為40 d。該型船的發(fā)電系統(tǒng)采用GE公司的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)方案，采用3 條電力鏈模塊式的配置方案，每條鏈由1 臺(tái)型號(hào)為L(zhǎng)M2500 的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)（25000 kW／臺(tái)）和1 臺(tái)蒸汽透平發(fā)電機(jī)（8400 kW／臺(tái)）組成，電站外輸容量為100000 kW。由于采用模塊式電力鏈方案，可通過(guò)增加模塊數(shù)量，靈便擴(kuò)充電站容量。該型船配置有全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器，具備自航能力和靈活的無(wú)限航區(qū)專場(chǎng)能力，航速可達(dá)12 kn，可在惡劣海況下保障發(fā)電船的安全性。

此外，中國(guó)船級(jí)社（China Classification Society，CCS）于2016年立項(xiàng)開展LNG 發(fā)電船的研究工作，提出了風(fēng)險(xiǎn)控制措施和技術(shù)要求，形成了《發(fā)電船檢驗(yàn)指南》，為發(fā)電船的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)提供指導(dǎo)。

2 集成式LNG發(fā)電船的設(shè)計(jì)難點(diǎn)與應(yīng)對(duì)方案

LNG發(fā)電系統(tǒng)較為復(fù)雜，對(duì)安全性和可靠性有很高的要求。首先需綜合考慮LNG 燃料儲(chǔ)存艙、LNG 氣化模塊、機(jī)電模塊和電力外輸系統(tǒng)總布置方案，解決將LNG儲(chǔ)存艙與高壓發(fā)電裝置集成在同一船體上，需突破危險(xiǎn)區(qū)域合理控制和劃分的難題。同時(shí)，相比陸地，船舶具有空間有限、晃蕩等更為惡劣的工作環(huán)境及諸多不可預(yù)見(jiàn)的不利因素。因此，集成式LNG發(fā)電船具有更復(fù)雜的設(shè)計(jì)要求，下面主要對(duì)該類型船的設(shè)計(jì)難點(diǎn)進(jìn)行分析并制訂應(yīng)對(duì)方案。

2.1 危險(xiǎn)區(qū)域合理控制和劃分

由于天然氣具有易燃易爆的特性，集成式LNG發(fā)電船面臨的風(fēng)險(xiǎn)是多方面的，比如LNG燃料儲(chǔ)存、LNG燃料供給系統(tǒng)和LNG燃料艙緊急排放過(guò)程中天然氣擴(kuò)散狀態(tài)下的危險(xiǎn)等。因此，集成式LNG發(fā)電船的總布置設(shè)計(jì)需滿足IMO最新發(fā)布的《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》（IGC Code）等規(guī)則的要求，研究制訂合理的應(yīng)對(duì)措施。例如，IGC Code中設(shè)定LNG 儲(chǔ)存艙頂部向上2.4 m 以內(nèi)的區(qū)域?yàn)? 類危險(xiǎn)區(qū)域，透氣桅半徑6 m以內(nèi)的區(qū)域?yàn)? 類危險(xiǎn)區(qū)域，向外延伸4 m的區(qū)域?yàn)? 類危險(xiǎn)區(qū)域。因此，考慮到發(fā)電模塊防爆設(shè)計(jì)難度和成本等因素，需將發(fā)電模塊布置在危險(xiǎn)區(qū)域以外。為實(shí)現(xiàn)空間利用的最大化，在LNG 儲(chǔ)存艙的甲板區(qū)采用懸空搭載的方法，充分利用現(xiàn)有甲板，使裝備的主尺度最小化，從而提高船舶的空間利用率，并增強(qiáng)其經(jīng)濟(jì)性。在初步設(shè)計(jì)方案形成之后，還需對(duì)系統(tǒng)在各種極端工況下的可靠性、安全性和受控性進(jìn)行評(píng)估，以提出合理的應(yīng)對(duì)措施，確保船型方案具有良好的可行性和可靠性。圖2 為危險(xiǎn)區(qū)域合理控制和劃分示意。

圖2 危險(xiǎn)區(qū)域合理控制和劃分示意

2.2 發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前，國(guó)際市場(chǎng)上的浮式LNG發(fā)電裝置的發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有2 種：

1）采用數(shù)臺(tái)超大功率雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，如Karadeniz公司的浮式發(fā)電駁船上的發(fā)電系統(tǒng)采用9 臺(tái)MDT 18 V51／60DF雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，輸出功率共計(jì)達(dá)162 MW；

2）采用陸基火力電站通常使用的燃?xì)廨啓C(jī)和廢熱回收蒸汽輪機(jī)，輸出功率最高可達(dá)500 MW以上，系統(tǒng)綜合熱效率可達(dá)48%左右，未來(lái)具有極大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場(chǎng)空間。

發(fā)電裝置是LNG發(fā)電船的核心設(shè)備，關(guān)系到發(fā)電船整體的經(jīng)濟(jì)性、可用度和可靠性。發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須從發(fā)電裝置的設(shè)備容量、能耗指標(biāo)、設(shè)備布置和尾氣排放等多個(gè)角度考慮，由此確定最終的發(fā)電系統(tǒng)方案。下面以100 MW裝機(jī)容量為目標(biāo)，綜合比較不同發(fā)電裝置技術(shù)方案的差異。

1）雙燃料中速發(fā)電機(jī)組技術(shù)方案。目前船舶市場(chǎng)上主流的雙燃料中速發(fā)動(dòng)機(jī)品牌主要有瓦錫蘭（W?rtsil?）、曼恩（MAN）和現(xiàn)代（HIMSEN），但大缸徑且技術(shù)成熟的主要還是W?rtsil? 和MAN。選擇合適的機(jī)型并進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)比較，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

2）燃?xì)廨啓C(jī)廢熱聯(lián)合循環(huán)技術(shù)方案。目前市場(chǎng)上主流的燃?xì)廨啓C(jī)品牌主要有GE和西門子（SIEMENS）等品牌。在裝機(jī)容量為100 MW的目標(biāo)下，考慮到運(yùn)行的靈活性，總裝機(jī)擬采用2 ～3 臺(tái)（套）燃機(jī)帶聯(lián)合循環(huán)機(jī)組。目前市場(chǎng)上能滿足該裝容機(jī)量要求的燃?xì)廨啓C(jī)主要品牌和機(jī)型見(jiàn)表2。

表2 燃?xì)廨啓C(jī)廢熱聯(lián)合循環(huán)技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

該船型的發(fā)電模塊采用GE公司的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)方案，采用3 條電力鏈模塊式的配置方案，每條鏈由1 個(gè)型號(hào)為L(zhǎng)M2500 ＋的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊（Gas Turbine Generator，GTG，25000 kW／臺(tái)）和1 個(gè)廢熱回收蒸汽輪機(jī)發(fā)電模塊（Steam Turbine Generator，STG，8400 kW／臺(tái)）組成，電站外輸電力總?cè)萘繛?00 MW。由于采用模塊式電力鏈方案，可通過(guò)增加模塊數(shù)量，靈便地?cái)U(kuò)充電站容量。在正常工況下，燃料送至燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊燃燒，帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)燃燒產(chǎn)生的排氣溫度可達(dá)到近540 ℃，尾氣中的能量?jī)r(jià)值很高。為回收尾氣中的能量，有針對(duì)性地為燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)廢熱回收蒸汽輪機(jī)發(fā)電模塊，燃?xì)廨啓C(jī)的尾氣進(jìn)入廢熱回收裝置（Heat Recovery Steam Generator，HRSG）產(chǎn)生高壓蒸汽，將其回收至蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組中用于發(fā)電。通過(guò)廢熱回收，燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)的整體熱效率可接近48%，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。另外，燃?xì)饴?lián)合循環(huán)系統(tǒng)中的燃?xì)廨啓C(jī)采用單環(huán)腔燃燒室設(shè)計(jì)，通過(guò)水霧噴射技術(shù)控制NO的生成，無(wú)需安裝任何后處理裝置，在燃?xì)夂腿加湍Ｊ较戮軡M足IMO Tier III 和美國(guó)環(huán)境保護(hù)署的排放要求，且燃燒過(guò)程中無(wú)甲烷逃逸，能直接滿足船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（Energy Efficiency Design Index，EEDI）第三階段的要求。

2.3 電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于電壓的選擇，考慮到集成式LNG發(fā)電船的發(fā)電機(jī)容量很大，在船型設(shè)計(jì)上，采用11 kV超高電壓的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。與LNG運(yùn)輸船通常使用的6.6 kV電壓相比，11 kV超高電壓能大大降低母排容量和減小電纜外徑，但二者在配電板等電氣設(shè)備的價(jià)格上的表現(xiàn)幾乎相同。因此，該船型采用11 kV的主電網(wǎng)設(shè)計(jì)。從集成式LNG發(fā)電船上輸出電力到岸端，輸出的電需符合陸用標(biāo)準(zhǔn)，一般為50 Hz、110 kV，需通過(guò)11 kV／110 kV變壓器完成電壓轉(zhuǎn)換。

為降低母排電流極限，將母排分為3 段，由1 個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電模塊和1 個(gè)廢熱回收蒸汽輪機(jī)發(fā)電模塊組成1 組使用1 段母排。3 段母排設(shè)計(jì)與1 段母排設(shè)計(jì)相比，每段母排的容量為原來(lái)的1／3，不超過(guò)電流極限，不僅有適合的母排可供選擇，且能降低短路電流水平，降低開關(guān)的短路分?jǐn)嗄芰σ蟆Ｃ慷文概诺碾妷悍謩e經(jīng)由11 kV／110 kV變壓器升到110 kV。容量為100 MW、電壓為110 kV的母排的電流為656 A，可用1 根母排通過(guò)開關(guān)為岸端電網(wǎng)輸送電力。由于陸用容量很大，開關(guān)選用不同于船用。以ABB 公司的GIS（GasInsulated System）開關(guān)為例，該GIS采用六氟化硫氣體絕緣，采用金屬封閉開關(guān)，額定電壓為145 kV，額定電流為2500 A／3150 A，可滿足該項(xiàng)目的要求。

船上用電暫定為440 V，通過(guò)11 kV／440 V 變壓器接到船用440 V 主配電板上，連接船上的各種設(shè)備。此外，配備440 V應(yīng)急發(fā)電機(jī)給應(yīng)急配電板輸電，并與船上的440 V主配電板相連。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，全球環(huán)境保護(hù)和節(jié)能減排的推行使得LNG 產(chǎn)業(yè)鏈迅速發(fā)展。集成式LNG 發(fā)電船作為高端LNG裝備，具有總投資少、建設(shè)周期短、不占用土地資源和使用靈活等特點(diǎn)，不僅能為我國(guó)南海諸島的開發(fā)提供高性價(jià)比的一站式供電解決方案，而且能促進(jìn)中資企業(yè)在“海上絲綢之路”經(jīng)濟(jì)帶中開拓海陸一體化供電工程總包市場(chǎng)，提升我國(guó)裝備制造業(yè)的高端產(chǎn)品研制能力。本文所述集成式LNG發(fā)電船設(shè)計(jì)可供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。