集成式LNG发电船的设计难点与对策分析

段 斌，宋 炜，江 浩

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引言

集成式液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）发电船是集LNG 接收、储存、转运、再气化及发电和输配电等多种功能于一体的高端装备，具有广阔的市场前景。近年来，“海上丝绸之路”的建设促使我国与相关国家的设施联通不断加强，例如瓜达尔港、比雷埃夫斯港等港口有一大批互联互通项目正在推进，迫切需要建设能立刻解决电力资源供给问题的配套设施。同时，有研究显示，“海上丝绸之路”沿线的很多区域（包括东南亚、中亚和非洲）的电力消耗水平较低，人口接近我国的3 倍，人均年用电量不到1700 kW·h，低于全球平均年用电量3000 kW·h，也低于我国的平均年用电量4000 kW·h，急需推进电力基础设施建设，以改善用电情况。例如，印度尼西亚在其电力发展蓝图中指出，未来将建设200 多个电站，总发电容量达3.5 ×10kW。集成式LNG发电船不仅能广泛应用于印度尼西亚、马来西亚和孟加拉等国家或其他沿海电力短缺地区，而且能应用于我国南海的诸多大型岛屿、群岛上，作为供电的综合性解决方案，满足基础设施建设和居民日常生活的电力需求。

此外，在能源发展新时代，我国能源行业以《能源发展“十三五”规划》为指引，构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系。2017年1月17日，国家发改委和国家能源局印发《能源发展“十三五”规划》，提出“在‘十三五’期间，即天然气消费比重力争2020年达到10%，煤炭消费比重降低到58%以下”的“升气降煤”的能源结构改革方案，其中重点强调，在天然气领域，要积极推动天然气市场建设，推进煤改气和天然气发电等模式的发展。集成式LNG发电船既可作为陆基电站建设或燃气设施升级的过渡方案，又可作为夏季用电高峰和冬季供暖高峰的季节调峰快速综合性解决方案，是促进清洁能源在船舶领域应用的一种重要方式。

1 LNG发电船发展现状

陆基电站的选址需满足一定的条件，建造陆基电站更是需投入大量资金，具有一定的局限性。由于LNG具有易燃易爆的的特点，出于安全考虑，在建设陆基电站时还要遵从距离居民密集区较远的原则，有效规避在人口稠密地区建设发电站带来的安全风险。与传统的陆基电站方案相比，集成式LNG发电船的建设周期相对较短，投资较少，能快速投入使用，不占用土地资源；同时，集成式LNG 发电船使用天然气发电，满足国际海事组织（International Maritime Organization，IMO）Tier III的排放要求，绿色环保，是电力短缺地区快速解决电力供应问题的理想方案。

正是由于集成式LNG发电船具有上述优点，国际上该类型船得到了较快的发展和应用，市场前景广阔。截至2016年，全球已有53 个浮式发电装置投入运行，其中，发电容量在115 MW以上的浮式发电装置有9座，最大的浮式发电装置的发电容量为800 MW，发电容量在100 ～350 MW 的浮式发电装置是最新发展的主力产品。目前，国际发电船市场中比较活跃的土耳其Karadeniz公司是世界上首个制造、运营发电船的公司，该公司早在2010年就已有7 艘LNG发电船投入使用，装机容量共计1200 MW。这些船为巴基斯坦、黎巴嫩、莫桑比克、赞比亚和加纳等国家提供了电力资源。图1 为Karadeniz公司的LNG发电船。

图1 Karadeniz公司LNG的发电船

目前，我国在LNG发电船设计和建造方面仍处于空白。虽然2017年惠生海洋工程有限公司联合法国船级社（Bureau Veritas，BV）完成了一型浮式存储再气化发电船的研发工作，该型LNG发电船的装机容量为50 MW，但其并不具备LNG储存能力。沪东中华造船（集团）有限公司依托“国家能源LNG海上储运装备重点实验室”协同创新平台，与美国通用电气（GE）公司合作开发的新一代绿色高效LNG发电船成功获得了美国船级社（American Bureau of Shipping，ABS）的原则性认可。该型LNG发电船的长度约为166 m，型宽为27.6 m，型深为18 m，采用GTT NO.96 GW薄膜型LNG储存舱，舱容为3.2 万m，全负荷供电时自持能力为40 d。该型船的发电系统采用GE公司的燃气轮机联合循环方案，采用3 条电力链模块式的配置方案，每条链由1 台型号为LM2500 的燃气轮机发电机（25000 kW／台）和1 台蒸汽透平发电机（8400 kW／台）组成，电站外输容量为100000 kW。由于采用模块式电力链方案，可通过增加模块数量，灵便扩充电站容量。该型船配置有全回转推进器，具备自航能力和灵活的无限航区专场能力，航速可达12 kn，可在恶劣海况下保障发电船的安全性。

此外，中国船级社（China Classification Society，CCS）于2016年立项开展LNG 发电船的研究工作，提出了风险控制措施和技术要求，形成了《发电船检验指南》，为发电船的设计和检验提供指导。

2 集成式LNG发电船的设计难点与应对方案

LNG发电系统较为复杂，对安全性和可靠性有很高的要求。首先需综合考虑LNG 燃料储存舱、LNG 气化模块、机电模块和电力外输系统总布置方案，解决将LNG储存舱与高压发电装置集成在同一船体上，需突破危险区域合理控制和划分的难题。同时，相比陆地，船舶具有空间有限、晃荡等更为恶劣的工作环境及诸多不可预见的不利因素。因此，集成式LNG发电船具有更复杂的设计要求，下面主要对该类型船的设计难点进行分析并制订应对方案。

2.1 危险区域合理控制和划分

由于天然气具有易燃易爆的特性，集成式LNG发电船面临的风险是多方面的，比如LNG燃料储存、LNG燃料供给系统和LNG燃料舱紧急排放过程中天然气扩散状态下的危险等。因此，集成式LNG发电船的总布置设计需满足IMO最新发布的《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》（IGC Code）等规则的要求，研究制订合理的应对措施。例如，IGC Code中设定LNG 储存舱顶部向上2.4 m 以内的区域为2 类危险区域，透气桅半径6 m以内的区域为1 类危险区域，向外延伸4 m的区域为2 类危险区域。因此，考虑到发电模块防爆设计难度和成本等因素，需将发电模块布置在危险区域以外。为实现空间利用的最大化，在LNG 储存舱的甲板区采用悬空搭载的方法，充分利用现有甲板，使装备的主尺度最小化，从而提高船舶的空间利用率，并增强其经济性。在初步设计方案形成之后，还需对系统在各种极端工况下的可靠性、安全性和受控性进行评估，以提出合理的应对措施，确保船型方案具有良好的可行性和可靠性。图2 为危险区域合理控制和划分示意。

图2 危险区域合理控制和划分示意

2.2 发电系统设计

目前，国际市场上的浮式LNG发电装置的发电系统设计主要有2 种：

1）采用数台超大功率双燃料发动机，如Karadeniz公司的浮式发电驳船上的发电系统采用9 台MDT 18 V51／60DF双燃料发动机，输出功率共计达162 MW；

2）采用陆基火力电站通常使用的燃气轮机和废热回收蒸汽轮机，输出功率最高可达500 MW以上，系统综合热效率可达48%左右，未来具有极大的发展潜力和广阔的市场空间。

发电装置是LNG发电船的核心设备，关系到发电船整体的经济性、可用度和可靠性。发电系统设计必须从发电装置的设备容量、能耗指标、设备布置和尾气排放等多个角度考虑，由此确定最终的发电系统方案。下面以100 MW装机容量为目标，综合比较不同发电装置技术方案的差异。

1）双燃料中速发电机组技术方案。目前船舶市场上主流的双燃料中速发动机品牌主要有瓦锡兰（Wärtsilä）、曼恩（MAN）和现代（HIMSEN），但大缸径且技术成熟的主要还是Wärtsilä 和MAN。选择合适的机型并进行技术指标比较，结果见表1。

表1 双燃料发动机技术指标对比

2）燃气轮机废热联合循环技术方案。目前市场上主流的燃气轮机品牌主要有GE和西门子（SIEMENS）等品牌。在装机容量为100 MW的目标下，考虑到运行的灵活性，总装机拟采用2 ～3 台（套）燃机带联合循环机组。目前市场上能满足该装容机量要求的燃气轮机主要品牌和机型见表2。

表2 燃气轮机废热联合循环技术指标对比

该船型的发电模块采用GE公司的燃气轮机联合循环方案，采用3 条电力链模块式的配置方案，每条链由1 个型号为LM2500 ＋的燃气轮机发电模块（Gas Turbine Generator，GTG，25000 kW／台）和1 个废热回收蒸汽轮机发电模块（Steam Turbine Generator，STG，8400 kW／台）组成，电站外输电力总容量为100 MW。由于采用模块式电力链方案，可通过增加模块数量，灵便地扩充电站容量。在正常工况下，燃料送至燃气轮机发电模块燃烧，带动电机发电，燃气轮机燃烧产生的排气温度可达到近540 ℃，尾气中的能量价值很高。为回收尾气中的能量，有针对性地为燃气轮机联合循环系统设计废热回收蒸汽轮机发电模块，燃气轮机的尾气进入废热回收装置（Heat Recovery Steam Generator，HRSG）产生高压蒸汽，将其回收至蒸汽轮机发电机组中用于发电。通过废热回收，燃气轮机联合循环系统的整体热效率可接近48%，具有较好的经济性。另外，燃气联合循环系统中的燃气轮机采用单环腔燃烧室设计，通过水雾喷射技术控制NO的生成，无需安装任何后处理装置，在燃气和燃油模式下均能满足IMO Tier III 和美国环境保护署的排放要求，且燃烧过程中无甲烷逃逸，能直接满足船舶能效设计指数（Energy Efficiency Design Index，EEDI）第三阶段的要求。

2.3 电力系统设计

对于电压的选择，考虑到集成式LNG发电船的发电机容量很大，在船型设计上，采用11 kV超高电压的电力系统设计。与LNG运输船通常使用的6.6 kV电压相比，11 kV超高电压能大大降低母排容量和减小电缆外径，但二者在配电板等电气设备的价格上的表现几乎相同。因此，该船型采用11 kV的主电网设计。从集成式LNG发电船上输出电力到岸端，输出的电需符合陆用标准，一般为50 Hz、110 kV，需通过11 kV／110 kV变压器完成电压转换。

为降低母排电流极限，将母排分为3 段，由1 个燃气轮机发电模块和1 个废热回收蒸汽轮机发电模块组成1 组使用1 段母排。3 段母排设计与1 段母排设计相比，每段母排的容量为原来的1／3，不超过电流极限，不仅有适合的母排可供选择，且能降低短路电流水平，降低开关的短路分断能力要求。每段母排的电压分别经由11 kV／110 kV变压器升到110 kV。容量为100 MW、电压为110 kV的母排的电流为656 A，可用1 根母排通过开关为岸端电网输送电力。由于陆用容量很大，开关选用不同于船用。以ABB 公司的GIS（GasInsulated System）开关为例，该GIS采用六氟化硫气体绝缘，采用金属封闭开关，额定电压为145 kV，额定电流为2500 A／3150 A，可满足该项目的要求。

船上用电暂定为440 V，通过11 kV／440 V 变压器接到船用440 V 主配电板上，连接船上的各种设备。此外，配备440 V应急发电机给应急配电板输电，并与船上的440 V主配电板相连。

3 结语

当前，全球环境保护和节能减排的推行使得LNG 产业链迅速发展。集成式LNG 发电船作为高端LNG装备，具有总投资少、建设周期短、不占用土地资源和使用灵活等特点，不仅能为我国南海诸岛的开发提供高性价比的一站式供电解决方案，而且能促进中资企业在“海上丝绸之路”经济带中开拓海陆一体化供电工程总包市场，提升我国装备制造业的高端产品研制能力。本文所述集成式LNG发电船设计可供相关设计人员参考。