FSRU 燃料消耗比率計算分析

徐常安，劉其民，李蘇澄

（中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

FSRU 作為天然氣行業的關鍵裝備，在行業中占有一席之地，在碳中和國際大環境下，成為陸地建設LNG（Liquefied Natural Gas）液化天然氣接收站不具備條件國家的首要選擇[1]。同時FSRU 運營的經濟性也是業主考慮的一個重要因素。以往的項目經濟性都是以同類型的FSRU（浮式儲存與再氣化裝置）作為參考，主要的設計思路以及方法都是歷史統計數字作為參考，而對于輸氣量以及FSRU 設計的經濟性基本上都是依靠再氣化裝置供應商的經驗以及客戶需求，缺少理論的計算支撐。而燃料消耗比率是衡量FSRU 設計經濟性的主要指標之一[2]。針對這一問題，本文以管道局所參與的塞浦路斯FSRU 項目為研究對象，在燃料消耗比率小于1.5%的合同目標要求下，查閱大量的國內外法規，規范及設計指導文件等資料，深入研究塞浦路斯FSRU 項目再氣化的各種工況，分析不同再氣化工況下各個設備的運行狀態以及能量消耗，從而通過計算得出FSRU 不同再氣化工況下的燃料消耗比率，并通過不同工況下的對比得出具有參考意義的結論。

1 研究背景

塞浦路斯FSRU 項目由LNG 運輸船改裝而成，液貨維護系統由5 個MOSS 球罐組成，總容積為137 000 m3，艏部共三個罐體，每個罐體配備一臺LNG 供給泵，LNG 供給泵采用兩用一備（3*50%）的配置。船體艉部增加動力模塊，采用三臺5 500 kW 的雙燃料發電機為整個再氣化裝置以及輪機系統提供動力。艏部配備再氣化模塊，將LNG 加壓加熱成高壓天然氣外輸，再氣化模塊采用四條氣化鏈三用一備，每條氣化鏈配備一臺LNG 增壓泵、海水提升泵和乙二醇循環泵。主船體配備兩臺主鍋爐作為閉式以及組合加熱循環的熱源。主甲板安裝高壓壓縮機模塊和低壓壓縮機模塊，作為BOG（LNG 的蒸發氣體，Boil-Off Gas）氣體處理的主要設備。再氣化的天然氣通過舷側外輸管匯輸送到岸上管道至發電廠。

FSRU 核心技術指標之一為燃料消耗比率不高于1.5%，即船舶自身燃料消耗量占比不能超過整個運營天然氣量的1.5%[3]。雖然船上有已經安裝好的鍋爐等閉式循環加熱裝置，但是這種閉式循環加熱工況的燃料消耗比率能否達到要求是我們分析的情況之一。除這個要求外，運營方還提出整個氣化裝置要盡可能設計在較經濟的運行區間，給項目帶來了一定的挑戰。

2 燃料消耗比率的計算方法

燃料消耗比率計算，不同于傳統燃料消耗經濟性計算，計算結果不是最佳運行點，而是一種合理或者最優的區間，消耗比率是一個合理的動態區間。它計算的是在不同工況、不同外輸情況下，FSRU 整個裝置運行消耗的燃料占其處理總量（外輸和消耗量的和）的比例。

燃料消耗比率計算方法如下：

其中，R 表示燃料消耗比率，是FSRU 的一個主要經濟性指標；FC 表示FSRU 運營時LNG消耗量；FO 表示通過再氣化的方式外輸到陸地管道的LNG量。

LNG外輸的一個特點是，LNG消耗以及外輸量都是一個動態的變量，在不同外輸量下，參與運營的設備和設備的功率是不同的[4]。根據不同工況下的設備運行狀態，以及設備運行時的實際功率消耗兩個方面統計系統的用電負荷。

（1）參與系統的統計。

按照每種工況的氣化量，統計需要啟動的氣化鏈的數量以及輔助系統的工作狀態，負荷狀態。

需要逐個系統核實，例如，再氣化鏈系統、乙二醇系統、海水加熱系統、蒸氣加熱系統、船舶通用系統。

（2）單體設備的統計。

按照參與的系統狀態，核對系統中設備的數量以及實際消耗的功率，按照連續工作，間斷工作等工況來確認設備的功率系數。

根據不同工況下所需的總功率，以及發電機不同負載下的效率以及燃料消耗，計算出不同工況的燃料消耗，再根據不同工況下的LNG 外輸量，計算出不同工況下的燃料消耗比率。

3 典型FSRU 燃料消耗比率計算示例

3.1 工況分析

根據FSRU 船舶設計工況分析，按照表1 閑置工況、加熱工況和應急工況三大類工況進行計算分析。由于燃料消耗一般是計算長期累積的消耗量，對于異常工況時的燃料消耗通常不予考慮。燃料消耗比率計算的是系統長期運轉下的一種指標[5]。

表1 FSRU 船舶工況

（1）FSRU 整體船舶工況的分類

項目要求整個船舶的可靠性不低于98%，可靠性分析（Reliability，Availability and Maintainability 簡稱RAM）顯示可靠性為99.116%±0.083%，因此再氣化工作占比按照取整99%來計算，其余1%按照閑置工況處理。

（2）再氣化輸出工況

按照再氣化模塊設計外輸能力，分為五個工況計算，見表2。

表2 再氣化工況

工況 1-5 分別對應11、45、105、210、315 百萬標準立方英尺/日（mmscfd）的天然氣外輸量。

（3）再氣化加熱工況（表3）

表3 加熱循環工況

3.2 計算結果

本節對正常外輸時表3 中的開式循環、閉式循環、組合循環進行了計算分析，對于閑置工況以及應急工況，業主允許此種工況系統停止，根據RAM 分析，此種工況導致的停機時間少于總運行時間的1%，業主接受不考慮這部分影響。

所有的燃料消耗計算都是按照天然氣的最低熱值48.3 MJ/kg 計算。為了簡化表格，對于閉式循環以及混合循環，將相同部分簡化，只保留計算結果。

表4-表7 對圖1 中三條變化曲線分析結果如下：

圖1 三種循環燃料消耗比率變化曲線

表4 開式循環下燃料消耗比率計算(一)

表5 開式循環下燃料消耗比率計算(二)

表6 閉式循環下燃料消耗比率計算

表7 組合循環下燃料消耗比率計算

（1）每一種循環FSRU 燃料消耗占比隨著外輸量的增加而降低，但是組合循環在低流量的時候消耗比率更高，變化更陡峭。

（2）不同的循環之間，燃料消耗的比率差別明顯，閉式循環數值始終大于2%，超出1.5%要求。開式循環的燃料消耗率明顯低于閉式循環，在一定的區間能夠低于1%，在平滑段混合循環的燃料消耗率介于兩者之間。

（3）三種循環的燃料消耗率隨著外輸量增加，曲線趨于平緩，外輸量的變化對于燃燒比率的影響將明顯減低，燃料消耗比率進入合理的區間。

4 結論

本文介紹了FSRU 燃料消耗率的計算方法，并分析研究典型FSRU 不同工況下的燃料消耗情況，梳理出了燃料消耗比率的影響因素。主要結論如下：

（1）對FSRU 燃料消耗比率影響最大的因素是再氣化加熱模式，開式加熱工況穩平滑段的消耗比率低于1%，而閉式加熱條件下燃料消耗平均在2.5%左右，超過1.5%的要求。

（2）再氣化的運行區間對FSRU 燃料消耗比率影響，從曲線可以看出天然氣外輸變化在設計能力的33%～100%可以達到完全滿足1.5%的要求。但是短時間的小流量運行以及不同工況之間的切換，只要累計的燃料消耗量不超過1.5% 就滿足合同要求。

（3）本文從宏觀上分析了不同工況對于FSRU 運行的影響，對FSRU 的運營有一定指導意義。

（4）本文從基本邏輯上分析了影響FSRU 燃料消耗率的主要因素，后續將從更加微觀的層面詳細研究氣化鏈數量、氣化鏈啟動邏輯和變頻泵選用對FSRU運營經濟性影響。