FLNG电气系统设计关键技术研究

徐 飞，余想柏

中国石油集团海洋工程有限公司，北京 100028

浮式液化天然气生产储存外输装置（FLNG，Floating Liquefied Natural Gas Production Storage and Offloading Unit）是一种集海上天然气的液化、储存和外输、发电、供热、人员居住为一体的新型海上天然气开发工程装置，越来越多地应用于大型气田、深水气田、边际气田的开发过程[1-2]。

与固定平台、FPSO等传统海上开发设施相比较，FLNG电气系统具有以下技术特点：

（1）FLNG作为重要的易燃易爆装置，对电气系统可靠性、安全性要求更高，需避免因中断供电给生产造成较大的经济损失及引起较为严重安全事故。

（2）FLNG具有更为复杂的处理工艺，与之配套的处理设施设备更多，且一些单个设备功率较大，全船长时间在高负荷模式下运行，电气系统更复杂。

针对以上技术特点，以某FLNG项目（设计处理能力360万t/a）为例，在阐述电气系统组成的基础上，根据功能要求，开展设计工况、负荷分析、电源系统、配电系统、电能管理等相关方面设计研究。

1 电气系统组成

FLNG电气系统包括发电、变电、配电、用电等环节，按照区域可分为三大部分：上部组块电气模块、船体电气模块以及生活区电气模块。上部组块电气模块包含主电站，是FLNG的发电中心，也可根据工艺及总体布置要求设置相应的配电模块，设计中可简化上部模块电气模块尺寸，只布置主电站；船体电气模块又可根据配电需求划分成船首电气间和船尾电气间，其主要包含基本负荷电站以及配电模块，其中基本负荷电站为FLNG的拖航及维护等工况提供电源，配电模块为上部组块及船体用电设备提供配电；生活区电气模块包含应急电站以及配电模块，其中应急电站为全船提供可靠的应急电源，配电模块为生活区及水下生产设施提供配电。

2 设计工况与负荷分析

FLNG用电负荷分为正常负荷、基本负荷以及应急负荷。其中，正常负荷是指主要的工艺负荷，不涉及安全维护方面的负荷；基本负荷是指生活区负荷、维护保障设备负荷等，主要含生活区系统、公用工程区的HVAC、普通照明、货船泵和压仓泵、冷却水泵、空气压缩机和惰性气体发生器、启动主发电机的辅助设备等；应急负荷指关系人员安全的重要负荷，主要含交直流UPS、控制通讯系统、导航系统、救生系统、应急照明系统等。

根据工艺设计要求，FLNG主要分为4个典型工况：

（1）生产存储工况：所有负荷处于正常生产运行状态，FLNG未进行外输，且三台推进器间歇运行。

（2）生产外输工况：所有负荷正常运行的同时FLNG处于外输状态，且推进器两台连续运行，一台备用。

（3）基本工况：船舶处于拖航或者维护状态，工艺设备停运，基本负荷发电机启动，维持FLNG基本负荷的运行，且推进器不运行。

（4）应急工况：主电源以及基本负荷电源失电，应急发电机启动，维持人员救助逃生，且推进器不运行。

以上述规模FLNG为例，不同工况下FLNG用电负荷见表1。

表1 不同工况下FL NG用电负荷/kW

3 电源系统研究

FLNG电气系统是一个典型的孤岛电网，采用自发电的模式，在海上油气田开发中，由于油气田需求电负荷不同和油气田燃料供应的特点，电源系统采用的电站的规格等级较多[3]，主要的发电机组类型分析见表2。

表2 海上油气田电站机组类型

结合上述电站机组类型以及FLNG不同工况下负荷要求，电源系统可设置成以燃气透平发电机组构成主电源、柴油发电机组组成基本负荷电源以及单台柴油发电机作为应急电源的系统。

3.1 主电源

主电源是整个海上生活生产设施可靠、连续、安全运转的核心设备。根据天然气田的特性，考虑空间限制、重量控制及电站安全可靠等因素，对主流发电机组性能进行分析，设计3种主电站方案，分析对比见表3。

表3 主电站配置方案分析

方案一中单台电站尺寸及总重量较大，不利于总体布置及重量控制，电站的负载率也相对较小。方案三中单台机组功率相对较小，需配置的台数增加大，更加不利于全船的总体布置。方案二中机组功率、台数、尺寸以及负载率较为适中，适合于FLNG整体的要求。因此，为满足FLNG外输工况下最大用电需求，上述FLNG主电源选用4×27.5 MW的燃气透平发电机组，输出电压13.8 kV，60 Hz，三用一备，如有一台故障，备用发电机可承担其负荷。

为了实现主发电机组达到最佳的经济效率，结合生产的运行工况，对主发电机运行模式进行分析，见表4，主发电机运行模式可由PMS自动切换或者人工切换，要求每台发电机的最低负载率应在60%以上，若负载率过低，要求主电站停止1台主机运转。

表4 主发电机运行模式

3.2 基本负荷电源

在检测到主电源失电的情况下，可采取自动和手动方式启动基本负荷发电机，应选择与主电源不同的动力源，确保在较为恶劣的环境下能够满足船舶的基本需求，配备柴油发电机组作为基本负荷电源。根据基本负荷工况下的计算结果，基本负荷电源选用3×7500kW的柴油发电机组，输出电压为6.6kV，60Hz，两用一备。除了给全船供电外，基本负荷电源还应在黑启动工况下，为上部模块的主电站辅机系统供电，重新启动主电站。

3.3 应急电源

为确保FLNG在应急工况下，满足安全逃生要求，需配备应急电源，设计单台柴油发电机作为应急电源。对于单台柴油发电机，一般确保其负荷率在80%～90%[4]。针对上述FLNG应急负荷约1580 kW，可配置1台功率为1800 kW的柴油应急发电机。应急发电机应满足在主电源失电45 s内自动启动，并向全船（包括上部设施、船体部分以及生活区）的应急负荷连续供电至少18 h。

4 配电系统设计

为了确保FLNG配电系统的供电安全、可靠，提高供电灵活性和连续性，采用多层次、分区块、多模块化配电方式，形成一套较为实用的电网结构。对于上述规模的FLNG配电系统分配如图1所示。

图1 FL NG配电系统分配

4.1 中压配电系统的设计

通过分析现行可用中压配电盘等常用设备规格，考虑节能性、经济性等因素。中压配电系统设计成13.8 kV及6.6 kV两个电压等级，不同功率设备的电压设计见表5。

表5 设备中压等级设计方案

主电站输出配电方案：

（1）主电站输出13.8 kV中压，直接接入13.8 kV中压配电盘，其母线采用单母线分段接线方式，母联正常情况下处于闭合状态，为大功率负荷配电。

（2）主电站输出13.8 kV经过8台13.8/6.6 kV变压器降压后，分别接入船首及船尾电气间不同功能模块的6.6 kV中压配单盘，采用单母线分列运行，互为备用互投，可以避免单母线一用一备互投的单节点瓶颈效应，增加供电的可靠性。

基本负荷电站配电方案：当主电失效，基本负荷电站输出的6.6 kV中压接入对应的中压配单盘，其母线接线方式采用单母线分段，每段供给相应的中压基本负荷。

4.2 低压配电系统的设计

中压系统经过13.8/0.44 kV以及6.6/0.44 kV变压器降压之后分别为上部模块、船体以及生活区的低压用电设备供电。0.44 kV母线仍然采用分列运行，互为备用互投。

应急发电机输出0.44 kV低压应急电源，直接接入应急配电盘，并与正常低压0.44 kV设置成互锁，为应急设备供电。

除了向0.44 kV用电设备供电之外，还经过照明与小功率变压器、电伴热变压器为照明、小功率设备及电伴热等负荷供电。

4.3 电气系统接地方式

电气接地系统对于保证配电系统的可靠性和保障人员的安全具有重要意义。FLNG的13.8、6.6 kV中压系统一般采用IT系统，但由于发电机单相接地电容电流往往超过发电机允许值，为此通过在中压系统中增加接地变压器，减少停电事故，提供供电的连续性。对于低压系统来说，0.44、0.23 kV系统一般采用IT系统，而生活区的0.23 kV系统可采用TNS系统，以确保快速隔离故障设备。

5 电力管理系统设计

为了实现发电机控制与调度、有功无功分配、安稳控制（即负荷优先脱扣功能）、主要电气设备状态监测、数据存储、系统自检测等功能，设置一套能量管理系统（简称PMS），网络结构设计成三层，第一层为设备层，完成设备电力信息的采集以及执行保护或控制动作；第二层为分站控制层，按照区域可分为船首/船尾电气间控制层、上部组块电气间控制层以及生活楼电气间控制层，每个区域之间独立运行，对相应区域的电力设备进行管理监控；第三层为总控制层，实现对采集数据的处理控制，并对全船电力进行管理监控。PMS网络结构如图2所示。

图2 PMS网络结构

6 结束语

（1）对FLNG 4个典型设计工况下的负荷进行计算，配置4×27.5 MW的燃气透平发电机组作为主电源、3×7500 kW柴油发电机组作为基本负荷电源及1×1800 kW柴油发电机作为应急电源，对其相关系统进行了分析研究，设计13.8、6.6 kV两级中压以及0.44 kV低压配电系统，满足不同负荷设备的用电需求，采用单母线分列运行、互为备用互投的模式提高供电系统的可靠性，并对全船电力管理系统的三层管理模式进行初步研究。

（2）FLNG电气系统作为一项较为复杂工程，目前国内FLNG电气设计还处于研究阶段，特别是大型电站、电网可靠性设计方面，还需要不断攻克，本文总结的设计参数对今后开展与FLNG相关的科研及设计，具有一定的参考价值。