LNG船改造成浮式天然氣裝置中的電氣設計

周 偉

（上海惠生海洋工程有限公司，上海 201210）

0 引 言

隨著社會和經濟的快速發展，電能變得越來越重要，目前我國已完成電能“村村通”工程，而非洲、東南亞等地區仍存在缺乏電力供應的情況，需通過電能帶動經濟的發展和基礎設施建設。

上海惠生海洋工程有限公司于2020 年啟動了快速發電項目，該項目主要由一艘浮式天然氣裝置（Floating Storage and Regasification Unit，FSRU）和一艘240 MW的浮式發電船（Floating Gas Power Plant，FGPP）組成，FSRU為FGPP提供天然氣，由FGPP上的燃氣輪機發電機組發電，并由變壓器將電壓升至110 kV或220 kV。使用天然氣這種清潔能源發電，可有效減少污染物排放，環保效果十分顯著。該FSRU是由一艘13.7 萬m3的液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）船改造而成的，該船配有雙燃料鍋爐，以自然蒸發、強制蒸發的天然氣或重油為燃料，產生高壓水蒸氣驅動蒸汽輪機和蒸汽透平發電機運轉。

該船于1994年在日本三井造船廠建造完成，總長293.00 m，寬45.75 m，型深25.50 m，設計吃水11.25 m，總噸位為110 895，配有5 個MOSS罐型液貨艙，總載貨量約為13.7 萬m3（-160 ℃）。該FSRU采用的“主鍋爐+主透平”模式相比雙燃料主機，在燃料消耗方面差距較大，在LNG運輸市場競爭中處于相對劣勢地位，因此一般會將這類LNG改造成FSRU使用［1］。根據現有案例，電氣系統的改造是其中的重點。

1 LNG船電力系統概述

該船的電站由2 臺2 700 kW/AC 450 V/60 Hz的蒸汽透平低壓發電機、1 臺2 700 kW/AC 450 V/60 Hz的低壓柴油發電機和1 臺560 kW/AC 450 V/60 Hz的低壓柴油應急發電機組成。原船的電力系統主要由主配電板、液貨配電板和應急配電板構成，其中：主配電板通過2 個空氣開關被分成2 段，分別布置于獨立的2個房間內，每段主配電板各由1 臺蒸汽透平發電機供電，同時備用柴油發電機可通過接線端子箱分別向2 段母排供電；液貨配電板被分成獨立的2 段母排，布置于2 個獨立房間內，由主配電板1 和主配電板2 分別供電；應急配電板通過隔離開關被分成2 段，由應急發電機和岸電箱供電，分別連接主配電板1、主配電板2 和液貨配電板。圖1 為改造后全船電力系統單線圖（包含原船電力系統單線圖）。從圖1 可知，原船電力系統的可靠性相對較高，當某臺主發電機或某段主配電板發生故障時，可快速隔離故障段配電板，若此時全船負荷需求增大，可將備用發電機并入非故障段配電板，以提高供電的可靠性。

2 電力系統改造方案

本文中的FSRU在LNG船上增加再汽化模塊將LNG汽化，通過管道將其供給FGPP使用。根據工藝需求，需新增再汽化模塊、水/乙二醇模塊、壓縮機模塊、海水加熱泵、干粉系統、水噴淋系統和其他輔助系統。對于電氣專業來說，需增加再汽化配電板、獨立啟動器、分電箱、火氣系統（Fire and Gas System，FGS）、應急切斷（Emergency Shut Down System，簡稱ESD系統）、再汽化控制系統、船岸連接（Ship Shore Link，SSL）系統和其他輔助系統，將新系統與原船系統整合并布置在合適的位置。

對于大汽化量的FSRU改造項目而言，目前普遍采用的方案是在船尾增加發電模塊單元，在船尾絞纜機上方2.5 m位置處增加新機艙，安裝LNG雙燃料發電機、燃油分油機、滑油分油機、發電機供氣單元、發電機水霧保護系統、CO2氣體保護系統、發電機報警系統、排氣系統、燃油系統、通風系統、污水污油系統、內通系統和中壓配電系統［1］。對于本文所述項目而言，汽化量較小，為35 400 ～59 000 m3/h，相應的設備功率也較小，對比原LNG船與FSRU的電力負荷數據（見表1 和表2）可知，FSRU的負荷率小于原來的卸貨工況，綜合短路電流計算書和協調性保護報告的結果來看，原來的發電機組完全能滿足改造項目的需求，同時經商務部門核算完運營成本和新增雙燃料發電機組的投入成本之后，項目組決定保留原船的發電機組配置。

表1 原LNG船的電力負荷

表2 FSRU的電力負荷

如圖1 所示，該項目中的再汽化配電板分別通過空氣開關BT-M1R1 和BT-M2R2 與主配電板1 和主配電板2 連接，同時再汽化配電板中間由空氣開關BT-R1 分成2 段，其分斷策略為2oo3。在正常工況下，保持BTM1R1、BT-R1M1 和BT-R1 閉合，BT-M2R2 和BT-R2M2 斷開；當有故障或需檢修時，保持BT-M2R2、BT-R2M2和BT-R1 閉合，BT-M1R1 和BT-R1M1 斷開，或保持BT-M1R1、BT-R1M1、BT-M2R2 和BT-R2M2 閉合，BT-R1斷開。上述配置能保證再汽化模塊、壓縮機模塊和水/乙二醇模塊供電的可靠性和靈活性［2］。

3 重要電氣系統改造

在LNG船改造過程中，有很多電氣系統需按相應的規范和需求重新設計或改造，以適應FSRU 的要求，其ESD系統和FGS的改造尤為重要。

整個項目中對幾個重要系統的改造見圖2，其中：改造中需新增的設備或系統包含再汽化控制系統、ESD 系統、FGS、SSL、氣體探頭、火焰探頭、輔助系統報警信號和再汽化配電板；浮式發電船和LNG 加注船是FSRU 在作業或加注時靠泊在其旁邊的船舶；其他是原船的設備或系統。

圖2 改造系統框架

3.1 ESD系統

ESD系統改造是該項目面臨的最大挑戰之一。原LNG船的液貨部分有一套獨立的自動ESD系統，其能通過手動按鈕觸發，在發生火災、貨罐液位達到高高液位以上、失電和收到來自岸上的執行信號等情況下自動觸發。船體部分的ESD系統采用由繼電器搭建的手動按鈕式，當住宿區或機艙部分發生火災時，需人工判斷切斷風機、油泵和風閘等設備。對于FSRU來說，在原船上新增再汽化模塊相當于新增一個高風險的釋放源，按安全專業提供的原則，需對ESD系統進行分級，整合成自動觸發的ESD系統，具體分級見圖3。

ESD系統分為4 級，層級由低到高分別為設備層、ESD-1 層、ESD-2 層和棄船層。

1）設備層切斷：一旦設備本身出現故障，則切斷設備運行。

2）ESD-1 層切斷：當系統自動檢測到儀表氣壓力低、生產模塊出現氣體泄漏、失火或人為按下ESD-1 按鈕時，會自動中斷天然氣輸出，切斷天然氣輸出閥組，以及泄漏、失火區域的設備，同時發送信號給停靠在旁邊的FGPP并觸發設備層切斷。

3）ESD-2 層切斷：當確認危險區存在危險氣體，危險氣體蔓延至艉部安全區空調機組和自然通風的進風口或人為按下ESD-2 按鈕時，會中斷LNG加注，切斷發電機、鍋爐和配電板等設備，關閉風閘，啟動應急發電機（需確認應急發電機室進風口無危險氣體），發送信號給FGPP并觸發ESD-1 層切斷。

4）棄船層切斷：需由船長判斷現場情況并按下棄船按鈕，一旦觸發，壓力容器自動減壓，切斷主發電機、應急發電機、艙底泵和壓載泵，關閉壓載閥，定時切斷ESD系統、廣播系統、FGS、內/外通信系統和不間斷電源等，并發送棄船信號給浮式發電船，觸發ESD-2 層切斷。

需注意的是，當生產工藝模塊發生火災時，不僅需執行ESD-1 層切斷，還需啟動消防泵和噴淋泵對附近模塊或罐體進行降溫，使用干粉系統滅火［3］。可看出，新增的ESD 系統需將許多氣體探頭和火焰探頭信號作為輸入，輸出端需切斷鍋爐、配電板和風閘等，相關切斷邏輯與原船有很大區別，需對原船的部分系統進行有針對性的改動，特別是應急發電機抑制啟動，需在應急發電機控制箱內對應急發電機的啟動邏輯進行更改。

3.2 FGS

根據船舶類型、結構防火的保護方法和自動化程度的不同，船上可采用不同的探火報警裝置。目前船上配備有自動探火報警裝置和可燃氣體探測報警裝置［2］。原船的自動探火報警裝置已于2012 年全面更換為康士廉（Consilium）的產品，因此該項目對自動探火報警裝置不做過多改造，而是將重點放在可燃氣體探測報警裝置改造上。原船的可燃氣體探測報警裝置分為2 類，在貨罐區、供氣管道通道、鍋爐供氣閥間和干燥惰氣管路中安裝吸入式氣體探測裝置，在上層建筑氣閘室和機艙內安裝催化燃燒式氣體探測裝置。催化燃燒式氣體探頭很容易產生誤報警，需定期對其進行檢測、標定和維護，因此對于該項目而言，考慮到整體的安全性，除了吸入式氣體探測裝置以外，其他催化燃燒式氣體探頭全部更換為紅外線式氣體探測裝置，同時在上層建筑中的空調進風口、機艙的進風口和應急發電機室的通風口等處分別安裝3 個碳氫氣體探頭，對這些探頭做2oo3 的邏輯，即在某個區域內的3 個探頭中，若有2 個探頭探測到氣體，則確認此處有氣體泄漏。FGS與ESD系統互相連接，并按因果表做應急切斷邏輯。

3.3 SSL

對于原船的SSL，已無法滿足需求，主要原因如下：

1）LNG船改造成FSRU之后會作為岸基使用，需提供接口、電纜等給靠泊的LNG加注船和浮式發電船使用；

2）SSL主要是傳輸ESD信號，非常重要，且經過與原船SSL廠家聯系，其不再提供技術支持。

因此，該項目將原船的SSL拆除，更換新的SSL（如圖2 所示），新SSL由A模塊和B 模塊組成，其中：A模塊的作用是在LNG加注船與FSRU之間傳輸ESD信號；B 模塊的作用是在FGPP 與FSRU 之間傳輸ESD信號。

此外，A模塊配備有光纖、電氣、氣動接頭和50 m卷盤，用于連接LNG加注船的SSL；B模塊配備有光纖和電氣接頭，與FGPP的SSL相連。一般情況下FSRU在加注時會采用6 芯光纖連接，其中：1 芯和2 芯傳輸系泊系統拉力信號、熱線電話信號和船用電話信號；3 芯和4 芯傳輸ESD信號；5 芯和6 芯作為備用。當遇到光纖通信不兼容的情況時，會采用37 芯電氣連接，傳輸的信號與光纖傳輸的信號一致。只有在光纖與電氣連接均失效時才會考慮采用氣動連接，需注意的是，氣動連接只能傳輸ESD 信號［4］。在實船連接操作過程中，只需在光纖連接、電氣連接和氣動連接中選1 種即可，無需3 種都連接，以免出現事故，導致這3 種方式的接口均損壞。

4 結 語

日本船廠在20 世紀90 年代建造了很多MOSS罐型LNG船，大都采用“主鍋爐+主透平”的驅動方式，目前這批船大部分已達到設計使用壽命。對于MOSS罐來說，在保養維護得當的情況下，仍能繼續使用很長時間。因此，將這些LNG 船改造成FSRU 是相對比較好的方案，目前市場上的FSRU 大部分是由船齡為20 ～30 a的LNG船改造而來的，這樣既能幫助船東節約一定的成本，又能使這些即將退役的船舶得到再利用［5］。隨著近幾年環境問題日益加劇和可利用土地資源日益匱乏，浮式天然氣裝置的需求會越來越強烈，以后此類改造項目會越來越多。