劉建朔, 溫小飛, 郁惠民, 汪家政

(1.中交城鄉(xiāng)能源有限責(zé)任公司，北京 100020；2.浙江海洋大學(xué) 船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江 舟山 316022；3.舟山長(zhǎng)宏國(guó)際船舶修造有限公司，浙江 舟山 316052)

0 引 言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)是一種清潔能源，作為燃料比柴油可減少90%的硫氧化物排放，減少40%的氮氧化物排放。在CO2排放控制方面，煤炭、柴油、汽油和天然氣這4類能源的碳排放系數(shù)比為1∶0.8∶0.74∶0.6，即天然氣替代煤炭、柴油和汽油可分別減少40%、25%和19%的CO2排放。LNG作為船用燃料，滿足《國(guó)際防止船舶造成污染公約》第三階段氮氧化物排放限值要求，自2022年1月1日起，我國(guó)海南在全國(guó)沿海率先開始執(zhí)行這一最嚴(yán)政策。在碳達(dá)峰、碳中和發(fā)展目標(biāo)和能源革命的推動(dòng)下，航運(yùn)業(yè)能源轉(zhuǎn)型進(jìn)程不斷加快，LNG作為最佳的過(guò)渡燃料，清潔降碳效果明顯。從全世界2022年一季度新造船舶訂單來(lái)看，按新造船舶總噸位規(guī)模計(jì)算，約57%的新造船舶采用LNG作為燃料。在全世界現(xiàn)有船隊(duì)中，超過(guò)270艘為L(zhǎng)NG預(yù)留方案。全世界綠色燃料港口基礎(chǔ)設(shè)施越來(lái)越多，正在運(yùn)行的LNG燃料加注港為144個(gè)，設(shè)施在建港口為94個(gè)。

以LNG為動(dòng)力的新型船舶正在大力發(fā)展，但較多老舊船舶尚未改裝低硫燃料設(shè)備，該類船舶在港口停泊期間，需要連接岸電或使用清潔能源等替代方案，以滿足排放控制要求。隨著“海上絲綢之路”的建設(shè)，沿途發(fā)展中國(guó)家的港口、島礁、城市急需電力供應(yīng)的配套設(shè)施，例如瓜達(dá)爾港、比雷埃夫斯港等港口[1]。多功能LNG發(fā)電船是以LNG作為燃料、通過(guò)LNG發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電力、實(shí)現(xiàn)電力和LNG輸出的多功能船舶，不僅可廣泛用于我國(guó)大型沿海港口，為靠港船舶提供電力供應(yīng)和LNG加注服務(wù)，而且可用于電力缺乏的沿海發(fā)展中國(guó)家，并可為我國(guó)南海島嶼、群島的前期開發(fā)提供綜合能源供應(yīng)[2]。

基于上述需求分析，開展多功能LNG發(fā)電船設(shè)計(jì)研究工作。該船設(shè)計(jì)發(fā)電能力為20 MW，其功能與特點(diǎn)如圖1所示。

圖1 多功能LNG發(fā)電船功能與特點(diǎn)

1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，LNG發(fā)電船的設(shè)計(jì)和建造處于世界前沿，僅德國(guó)和韓國(guó)等國(guó)實(shí)現(xiàn)建造。按國(guó)際使用方式，LNG發(fā)電船分為兩類。

第一類是為靠港船舶提供岸電的浮式發(fā)電船，例如2015年在德國(guó)漢堡投入使用的Hummel號(hào)浮式LNG發(fā)電船，主要為漢堡港臨時(shí)?？康泥]船提供電力[3]。該船船長(zhǎng)為76.0 m，船寬為11.4 m，通過(guò)使用在LNG罐中儲(chǔ)存的15 t天然氣，利用5臺(tái)卡特皮勒G3516C LNG發(fā)電機(jī)，采用熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行發(fā)電，船上帶有蓄電池組，可對(duì)外提供7.5 MW電力供應(yīng)。該船運(yùn)營(yíng)商在周邊城市建造岸基LNG加注站，可保證LNG燃料的及時(shí)補(bǔ)給。在無(wú)靠港郵船時(shí)，該船產(chǎn)生的電能可直接輸入城市電網(wǎng)，保證該船的利用率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

第二類是大型LNG發(fā)電船，主要用于為某個(gè)國(guó)家或地區(qū)的居民和工業(yè)用戶供電，輸出功率一般在110～250 MW，現(xiàn)今主要使用方為馬來(lái)西亞、黎巴嫩、伊拉克、委內(nèi)瑞拉、安哥拉、菲律賓和巴基斯坦等基礎(chǔ)建設(shè)落后的國(guó)家。該型船的主要優(yōu)勢(shì)在于電力投入使用時(shí)間短、靈活機(jī)動(dòng)、效率高，并可填補(bǔ)當(dāng)?shù)仉姀S建設(shè)的空檔。例如土耳其Karpowership公司運(yùn)營(yíng)的Karadeniz Powership Ibrahim Bey號(hào)發(fā)電船，裝機(jī)容量為120 MW，于2020年2月在科納克里開始運(yùn)營(yíng)，可滿足幾內(nèi)亞10%的總電力需求。Karpowership是全球最大的發(fā)電船運(yùn)營(yíng)公司，擁有約20艘發(fā)電船，分別布置在印度尼西亞、加納、蘇丹、黎巴嫩和古巴等地，發(fā)電能力總計(jì)達(dá)3 000 MW。

我國(guó)在LNG發(fā)電船設(shè)計(jì)和建造方面處于起步階段。中國(guó)船級(jí)社(CCS)于2016年立項(xiàng)研究LNG發(fā)電船，于2018年發(fā)布《發(fā)電船檢驗(yàn)指南》，為發(fā)電船的設(shè)計(jì)和檢驗(yàn)提供規(guī)范性指導(dǎo)[4]。2021年，惠生海洋工程有限公司宣布，投資開發(fā)的240 MW浮式燃機(jī)聯(lián)合循環(huán)電站項(xiàng)目順利開工建造，標(biāo)志中國(guó)浮式天然氣發(fā)電裝置正式進(jìn)入實(shí)施階段。該項(xiàng)目由1座LNG浮式儲(chǔ)存及再氣化裝置(Floating Storage and Regasification Unit，F(xiàn)SRU)和1艘240 MW的聯(lián)合循環(huán)天然氣發(fā)電駁船組成。

2 LNG發(fā)電船主要系統(tǒng)

2.1 LNG液貨系統(tǒng)

在大型LNG運(yùn)輸船和大型LNG動(dòng)力船上使用的液貨系統(tǒng)多為薄膜型(GTT NO96和GTT MARK Ⅲ)，少量LNG運(yùn)輸船使用Moss型和自支撐棱柱B型(Self-supporting Prismatic IMO Type B，SPB)液貨艙。世界上約90%的大型LNG運(yùn)輸船使用GTT薄膜型貨艙。Moss型貨艙的球形體積因占用空間過(guò)大和上甲板部分影響駕駛視線等缺陷逐漸被淘汰。SPB液貨艙具有操作簡(jiǎn)單、維護(hù)簡(jiǎn)易、液艙與內(nèi)殼的間距方便處理等優(yōu)點(diǎn)，部分LNG運(yùn)輸船應(yīng)用。

中小型船舶的LNG儲(chǔ)存一般采用獨(dú)立液貨艙，主要分為A、B和C等3種類型。A型液貨艙由平面結(jié)構(gòu)組成，最大允許設(shè)計(jì)壓力要求不大于0.07 MPa。C型液貨艙分為單圓筒、雙耳圓筒或球形等3種結(jié)構(gòu)形式，作為壓力容器具有承壓能力強(qiáng)、技術(shù)成熟和建設(shè)成本低等特點(diǎn)。

在小型LNG運(yùn)輸船和LNG動(dòng)力船上多為C型LNG貨艙。薄膜型、SPB和A型貨艙圍護(hù)系統(tǒng)由于可貼合船體線型進(jìn)行設(shè)計(jì)，因此在貨艙容積方面往往優(yōu)于C型貨艙，但其建造成本較高，未達(dá)到在小型船舶上應(yīng)用的階段。對(duì)于儲(chǔ)存5萬(wàn)m3LNG以下的船舶建議采用C型貨艙。

2.2 LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)

LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)主要用于為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)提供壓力和溫度均滿足要求的天然氣，設(shè)置燃料泵、汽化器、蒸發(fā)氣體(Boiled Off Gas，BOG)壓縮機(jī)、加熱器、燃料緩沖罐和相應(yīng)管路與閥件。燃料泵設(shè)置在LNG貨艙內(nèi)，每艙設(shè)置1臺(tái)。貨艙內(nèi)的LNG通過(guò)燃料泵輸送至換熱器，進(jìn)行汽化和加熱，轉(zhuǎn)變?yōu)槌貧鈶B(tài)天然氣(Gaseous Natural Gas，GNG)，先后進(jìn)入燃料緩沖罐和發(fā)動(dòng)機(jī)。燃料緩沖罐主要作用是確保進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料氣體流量和壓力穩(wěn)定，并可儲(chǔ)存LNG貨艙因蒸發(fā)而產(chǎn)生的GNG，燃料緩沖罐的容積需要根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的能耗確定。LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)

加熱LNG燃料的熱源來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)缸套水或電加熱器，缸套水或電加熱器不能直接加熱天然氣燃料，需要設(shè)置間接加熱系統(tǒng)，即水/乙二醇循環(huán)系統(tǒng)，先加熱水/乙二醇，由水/乙二醇加熱LNG汽化器和加熱器。所有LNG管系和閥件材料均采用316/316L材料，并進(jìn)行低溫試驗(yàn)，且取得相應(yīng)的船舶檢驗(yàn)證書。低溫管路包覆絕緣材料，并外包不銹鋼板。

2.3 對(duì)外供電系統(tǒng)

LNG發(fā)電船對(duì)外供電主要分為船-船和船-岸兩種模式，由3個(gè)部分組成，分別是船上供電系統(tǒng)、電纜連接系統(tǒng)和船(岸)上受電系統(tǒng)。船-岸電纜連接系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 船-岸電纜連接系統(tǒng)

我國(guó)船舶電制大多為440 V/50 Hz或380 V/50 Hz，而國(guó)際上的船舶用電頻率以60 Hz居多，電壓為440 V或6.6 kV等。根據(jù)電壓的不同，對(duì)外供電系統(tǒng)可分為高壓供電系統(tǒng)和低壓供電系統(tǒng)，高壓供電系統(tǒng)主要是指電源輸出為6.6 kV/11.0 kV或以上的電源系統(tǒng)。高壓供電系統(tǒng)相對(duì)于低壓供電系統(tǒng)，在操作方面具有較大優(yōu)勢(shì)。由于高壓供電可用較少電纜實(shí)現(xiàn)大容量供電，具有連接便捷化和操作自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)電船優(yōu)先考慮高壓供電系統(tǒng)[5-6]。

2.4 并網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)

并網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)是指發(fā)電船對(duì)外供電裝置和船(岸)上電力接入設(shè)備對(duì)電源具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、短路和缺相等保護(hù)功能。設(shè)置聯(lián)鎖裝置，在發(fā)電船上出現(xiàn)供電開關(guān)未合閘或連接插頭未插接等情況時(shí)，確保斷路器不能閉合，并可啟動(dòng)應(yīng)急切斷功能。以船-船模式為例，為實(shí)現(xiàn)受電船的不間斷供電，通過(guò)發(fā)電船電站管理系統(tǒng)檢測(cè)發(fā)電船電源和受電船電源的頻率、相位和電壓等信號(hào)，計(jì)算合閘時(shí)間，確保發(fā)電船電源成功并入受電船電網(wǎng)，在完成負(fù)載轉(zhuǎn)移后再斷開受電船自身電源系統(tǒng)，保證供電的連續(xù)性，使各設(shè)備在不停電的情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn)。LNG發(fā)電船的電氣系統(tǒng)是一個(gè)綜合的輔助系統(tǒng)，不僅需要考慮發(fā)電船自身的電氣系統(tǒng)需求，而且需要適應(yīng)不同供電對(duì)象的各自特點(diǎn)和實(shí)際需求[7]。

3 模塊化設(shè)計(jì)

3.1 船體設(shè)計(jì)

該20 MW多功能LNG發(fā)電船主要用于船舶、海上平臺(tái)、浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油裝置(Floating Production Storage and Offloading，F(xiàn)PSO)、港口和小型島嶼等需要電力供應(yīng)的設(shè)施和地區(qū)。該船設(shè)置電力推進(jìn)系統(tǒng)，相比目前世界上現(xiàn)存的LNG浮式發(fā)電船而言，具有移動(dòng)靈活的特點(diǎn)。該船設(shè)計(jì)總長(zhǎng)為112.0 m，型寬為30.0 m，型深為11.0 m，吃水為4.7 m。

貨艙區(qū)域布置2個(gè)5 000 m3的C型LNG液貨艙，機(jī)艙布置4臺(tái)5 090 kW和1臺(tái)1 065 kW氣體發(fā)電機(jī)組，艏部設(shè)置1臺(tái)艏側(cè)推進(jìn)裝置。該船設(shè)計(jì)總圖如圖4所示。

圖4 設(shè)計(jì)總圖

3.2 LNG管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該船LNG液貨系統(tǒng)和LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)總圖如圖5所示。

圖5 LNG液貨系統(tǒng)和LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)總圖

(1)LNG液貨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)置LNG貨物管路，LNG貨物通過(guò)船上的集管由岸上或LNG加注船接收，采用2路液相管和1路回氣管，滿足石油公司國(guó)際海事論壇(OCIMF)對(duì)貨物集管的要求，在集管上配置計(jì)量器，管路最大流量為液相管8 m/s、氣相管25 m/s。所有遙控閥均采用液壓驅(qū)動(dòng)，相關(guān)的遙控閥按規(guī)范要求由應(yīng)急關(guān)斷系統(tǒng)(Emergency Shutdown System，ESD)進(jìn)行控制。通過(guò)液貨系統(tǒng)，該船可為其他LNG動(dòng)力船舶提供LNG補(bǔ)給服務(wù)。

(2)LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)燃料泵、2臺(tái)汽化器、2臺(tái)壓縮機(jī)、3臺(tái)加熱器和1個(gè)燃料緩沖罐，供氣量為所有主發(fā)電機(jī)組全負(fù)荷100%最大持續(xù)功率(Maximum Continuous Rating，MCR)工況條件下的總?cè)細(xì)庀牧?。燃料泵位于LNG貨艙內(nèi)，汽化器、壓縮機(jī)和加熱器位于貨艙凸起甲板上的燃?xì)庠O(shè)備間。燃料緩沖罐設(shè)計(jì)容積為10 m3，設(shè)計(jì)壓力為10 bar(1 bar=0.1 MPa)，正常工作壓力為6 bar，燃料緩沖罐通過(guò)管路連接機(jī)艙內(nèi)的5臺(tái)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

(3)測(cè)量和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)對(duì)貨物和燃?xì)庀到y(tǒng)進(jìn)行控制和參數(shù)監(jiān)測(cè)，并具備應(yīng)急關(guān)斷功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料泵、水/乙二醇泵和壓縮機(jī)等設(shè)備的啟動(dòng)控制和應(yīng)急關(guān)斷閥的開關(guān)動(dòng)作。

在LNG貨艙內(nèi)設(shè)置液位、溫度和壓力測(cè)量裝置，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)貨艙內(nèi)的液位、溫度和壓力數(shù)據(jù)，并設(shè)置液位和壓力報(bào)警系統(tǒng)。每個(gè)貨艙設(shè)置獨(dú)立的95%和98%液位報(bào)警系統(tǒng)，在貨艙液位發(fā)出液位報(bào)警時(shí)，LNG進(jìn)口閥可自動(dòng)關(guān)閉。根據(jù)壓力釋放閥的最大允許調(diào)定值設(shè)定高壓報(bào)警，在貨艙壓力達(dá)最大允許調(diào)定值時(shí)，壓力釋放閥可自動(dòng)打開，進(jìn)行壓力釋放。

按規(guī)范規(guī)則要求，設(shè)置1套可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)，用于貨物設(shè)備間、貨艙處所、貨艙區(qū)域壓載艙和安全處所的通風(fēng)進(jìn)口可燃?xì)怏w測(cè)量。

(4)氮?dú)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)

配備1套采用高分子膜變壓吸附式(Pressure Swing Adsorption，PSA)的氮?dú)獍l(fā)生器，由壓縮機(jī)模塊、氣體干燥模塊、吸附分離模塊、氮?dú)馄亢拖嚓P(guān)管路等組成。氮?dú)庀到y(tǒng)主要用于管理吹掃。

3.3 電力-推進(jìn)復(fù)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)將船舶電力系統(tǒng)和推進(jìn)系統(tǒng)組成一個(gè)整體，將動(dòng)力機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，為船舶推進(jìn)和船上其他用電設(shè)施提供電能，將船舶推進(jìn)供電和日常用電合為一體，實(shí)現(xiàn)能源的綜合利用和統(tǒng)一管理。該系統(tǒng)主要包括自動(dòng)電站系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等3個(gè)部分。自動(dòng)電站系統(tǒng)設(shè)置主配電柜、中壓配電柜和應(yīng)急配電柜等。主配電柜是全船的供配電中心，根據(jù)全船用電設(shè)備的實(shí)時(shí)要求合理分配電能，為各發(fā)電機(jī)組和用電設(shè)備提供保護(hù)功能，如過(guò)載、短路和欠壓等，并監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的絕緣情況。設(shè)置功率管理系統(tǒng)，控制和調(diào)節(jié)船舶的電網(wǎng)功率，控制對(duì)象為發(fā)電機(jī)組和主配電板，對(duì)各發(fā)電機(jī)組和推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控并協(xié)調(diào)各發(fā)電機(jī)組的工作，對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行故障報(bào)警和處理，為推進(jìn)系統(tǒng)和其他用電設(shè)備提供可靠、穩(wěn)定和優(yōu)化配置的電力能源。

該船的電力來(lái)自4臺(tái)5 090 kW和1臺(tái)1 065 kW的天然氣發(fā)電機(jī)，并設(shè)置1臺(tái)約130 kW的應(yīng)急發(fā)電機(jī)。推進(jìn)系統(tǒng)采用全回轉(zhuǎn)動(dòng)力，設(shè)置2套900 kW的12脈沖水冷變頻柜、2套800 kW的水冷電機(jī)和2套全回轉(zhuǎn)舵槳。發(fā)電機(jī)組電能經(jīng)中壓配電柜分配功率至變壓器，經(jīng)推進(jìn)變頻器傳動(dòng)推進(jìn)電機(jī)，將動(dòng)能傳遞至全回轉(zhuǎn)舵槳。為滿足動(dòng)力定位和靈活?？看a頭的要求，艏部設(shè)置1套艏側(cè)推進(jìn)系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括全回轉(zhuǎn)舵槳控制系統(tǒng)、側(cè)推進(jìn)控制系統(tǒng)和機(jī)艙監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。全回轉(zhuǎn)舵槳控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)通信，左右舵槳結(jié)構(gòu)獨(dú)立，具備對(duì)每套推進(jìn)驅(qū)動(dòng)設(shè)備的分別控制，可監(jiān)測(cè)推進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)。該船的電力和推進(jìn)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 電力和推進(jìn)系統(tǒng)

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4 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)“雙碳”目標(biāo)的提出和節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展，LNG作為燃料在海洋運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用日趨廣泛。LNG多功能發(fā)電船作為高附加值新船型，具有建設(shè)周期短、移動(dòng)靈活和不占陸地資源等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)LNG多功能發(fā)電船開發(fā)處于起步階段，需要結(jié)合LNG運(yùn)輸船設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，研究LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)、LNG液貨系統(tǒng)、全船電氣化系統(tǒng)和先進(jìn)推進(jìn)系統(tǒng)等方面的技術(shù)問(wèn)題，以形成系統(tǒng)性LNG多功能發(fā)電船設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行更多的設(shè)計(jì)方案探索。