FLNG电力系统设计研究

毛叶青

（惠生（南通）重工有限公司，江苏南通 226000）

1 概述

浮式液化天然气生产存储与外输装置（FLNG）是新型海上天然气开发工程装置，包含海上天然气的液化、储存和外输设备，需要考虑为装置配套的发电、供热、人员居住等公用工程的系统设计。

（1）FLNG装置启动程序复杂，供电中断会造成重大的经济损失，引发重大的安全事故，对电气系统供电可靠性和运行可靠性均有较高的要求。

（2）FLNG的生产地点要求FLNG的电气系统设计应遵循FLNG挂旗国和船级社的规定。

以某FLNG项目（设计最大处理能力380万t/a）为例，对设计工况和负荷分析等方面进行设计研究。

2 项目设计环境条件

FLNG的环境条件取决于船舶停靠地点的海域情况，在设计有明确规定。

海上电气设备正常工作时的环境条件如表1所示。

表1 海上电气设备正常工作时的环境条件

由表1可知，电气设备的使用环境会受到盐雾、油雾和霉菌的影响，电气设备的材料和绝缘材料应考虑防盐雾、油雾和霉菌，保证电气设备使用时能够耐腐蚀，避免绝缘性能变坏。

针对船舶正常运营时产生的冲击、振动、摇摆和倾斜，应保证电气设备的正常工作不受影响。固定载流部件的螺钉和螺母应有效地锁紧，使其不因振动而松脱。必要时，对固定非载流部件的紧固件也应采取适当的措施，保证其在规定的振动试验条件下，无机械损伤和误动作。

电气设备能够承受的船舶倾斜和摇摆条件如表2所示。

表2 电气设备能够承受的船舶倾斜和摇摆条件

装载液化气体和化学品船舶的应急电源应在船舶进水导致最终横倾达30°的极限状态下保持供电。应急电气设备、开关设备、电气和电子设备外的设备、组件可能同时出现纵倾、横倾。

3 FLNG设计工况与负荷分析

某FLNG项目用电负荷分为正常负荷、必要负荷以及应急负荷。正常负荷指主要的工艺负荷；必要负荷指生活区负荷及维护保障设备负荷等，主要包含生活区系统、公用工程系统、启动主发电机的辅助设备等；应急负荷指保障人员安全的重要负荷，包含UPS、控制系统、通讯及导航系统、救生系统等。

（1）正常生产工况。

所有工艺负荷处于正常生产运行状态，三条液化生产线同时运行，液化天然气未外输，单点系泊推进器不运行。

（2）正常生产加外输工况。

所有工艺负荷处于正常生产运行状态，三条液化生产线同时运行，液化天然气外输，单点系泊推进器有一台连续运行，一台备用。

（3）必要负荷运行工况。

工艺负荷停止运行时，必要负荷发电机连锁启动，维持FLNG基本负荷的运行，满足船级社规范要求，也用于船舶拖航或者维护的工况。

（4）应急工况。

主发电机以及应急发电机同时无法运行，应急发电机45 s内连锁启动，维持运行18 h，满足船级社规范要求。

（5）最低生产工况。

一条液化生产线运行，LNG未外输，推进器不运行。

不同工况下FLNG的用电负荷分析如表3所示。

表3 不同工况下FLNG的用电负荷分析 单位：MW

3.1 主发电机选型及电力系统架构

FLNG是浮式无自航能力的驳船，采用自发电模式，以某FLNG项目为例，主发电机选用3台GE LM2500+燃气透平发电机组，3×25.5 MW，输出电压11 kV、50 Hz，2用1备；必要发电机选用2台Wartsila 12V34DF 双燃料发电机组，2×5.28 MW，输出电压11 kV、50 Hz，2用0备；应急发电机选用1台柴油发电机组，1×1.2 MW，输出电压400 V、50 Hz，1用0备。

主发电机组选用GE航空改造型机组，具有体积小、重量轻、发电效率高等优点；主发电机的运行模式可以由电站管理系统（PMS）集中控制自动切换或人工切换，正常工况下有两台发电机在线运行，单台发电机负荷率低于50%且持续一段时间后，其中一台发电机会停止运行以降低能耗。

各类发电机在最大工况下的负荷率如表4所示。

表4 各类发电机在最大工况下的负荷率

电力系统构架主单线图如图1所示。

图1 电力系统构架主单线图

3.2 电站管理系统（PMS）配置及功能设计

主控制层实时管理监控全船的电力系统，位于中央控制室。分控制层按照区域分为位于船体电气间和上部组块Ehouse电气间，每个区域之间可独立运行，分别对应监控与控制必要负载发电机及船体相关电气设备和主发电机及上部组块电气设备；PMS PLC集成控制柜位于E-house电气间。设备层采集设备的电力信息、执行保护动作或控制动作。

PMS架构如图2所示。

图2 PMS架构

PMS的主要自动控制功能为电力系统的自动启动及失电后的自动恢复；负荷的自动分配，PMS根据正在运行的发电机成比例地自动分配负荷；发电机的自动控制与同步；负载优先脱扣功能，PMS检测到发电机过流、低压、低频以及主开关异常脱扣后，为了防止主发电机过载跳电，延迟一段时间，对船上居住区负载或工艺运行没有影响的不必要负载进行优先脱扣（一级二级优先脱扣），对使工艺降低产量的负载进行优先脱扣（三级）；大负载电机启动询问管理，为防止大容量的电机设备启动造成发电机过载，PMS对大负载电机设备启动设置监控和启动询问功能，从配电盘接收询问信号后检测电网的剩余容量，发出启动允许或失败命令；电网的实时监测与保护控制；主开关的系统界面远程操作。

4 船舶供电系统的主要电气参数

4.1 额定电压

中压：11 kV、3 P。低压：0.4 kV、3 P；0.23 kV、1 P。

4.2 额定频率

某FLNG项目设定工作于西非，供电系统的额定频率符合当地标准，为50 Hz。

4.3 电气系统接地方式确定

FLNG的11 kV中压系统一般采用IT系统，增加接地变压器，使发电机单相接地电容电流满足发电机允许值，保证供电的可靠性和连续性。低压系统的接地，生活区0.23 kV采用TNS系统，其余采用IT系统。

5 结语

与陆地化工装置相比，船舶电网的输电距离短、线路阻抗低、短路电流大，且船舶工作环境恶劣，FLNG电气系统设计中需要考虑的内容较多。设计时，应保证FLNG生产装置可靠运行，对事故状态时的人员安全等方面进行充分考虑，兼顾船舶的电力系统造价，适应市场的需求。