FSRU 燃料消耗比率计算分析

徐常安，刘其民，李苏澄

（中国石油天然气管道工程有限公司，河北 廊坊 065000）

FSRU 作为天然气行业的关键装备，在行业中占有一席之地，在碳中和国际大环境下，成为陆地建设LNG（Liquefied Natural Gas）液化天然气接收站不具备条件国家的首要选择[1]。同时FSRU 运营的经济性也是业主考虑的一个重要因素。以往的项目经济性都是以同类型的FSRU（浮式储存与再气化装置）作为参考，主要的设计思路以及方法都是历史统计数字作为参考，而对于输气量以及FSRU 设计的经济性基本上都是依靠再气化装置供应商的经验以及客户需求，缺少理论的计算支撑。而燃料消耗比率是衡量FSRU 设计经济性的主要指标之一[2]。针对这一问题，本文以管道局所参与的塞浦路斯FSRU 项目为研究对象，在燃料消耗比率小于1.5%的合同目标要求下，查阅大量的国内外法规，规范及设计指导文件等资料，深入研究塞浦路斯FSRU 项目再气化的各种工况，分析不同再气化工况下各个设备的运行状态以及能量消耗，从而通过计算得出FSRU 不同再气化工况下的燃料消耗比率，并通过不同工况下的对比得出具有参考意义的结论。

1 研究背景

塞浦路斯FSRU 项目由LNG 运输船改装而成，液货维护系统由5 个MOSS 球罐组成，总容积为137 000 m3，艏部共三个罐体，每个罐体配备一台LNG 供给泵，LNG 供给泵采用两用一备（3*50%）的配置。船体艉部增加动力模块，采用三台5 500 kW 的双燃料发电机为整个再气化装置以及轮机系统提供动力。艏部配备再气化模块，将LNG 加压加热成高压天然气外输，再气化模块采用四条气化链三用一备，每条气化链配备一台LNG 增压泵、海水提升泵和乙二醇循环泵。主船体配备两台主锅炉作为闭式以及组合加热循环的热源。主甲板安装高压压缩机模块和低压压缩机模块，作为BOG（LNG 的蒸发气体，Boil-Off Gas）气体处理的主要设备。再气化的天然气通过舷侧外输管汇输送到岸上管道至发电厂。

FSRU 核心技术指标之一为燃料消耗比率不高于1.5%，即船舶自身燃料消耗量占比不能超过整个运营天然气量的1.5%[3]。虽然船上有已经安装好的锅炉等闭式循环加热装置，但是这种闭式循环加热工况的燃料消耗比率能否达到要求是我们分析的情况之一。除这个要求外，运营方还提出整个气化装置要尽可能设计在较经济的运行区间，给项目带来了一定的挑战。

2 燃料消耗比率的计算方法

燃料消耗比率计算，不同于传统燃料消耗经济性计算，计算结果不是最佳运行点，而是一种合理或者最优的区间，消耗比率是一个合理的动态区间。它计算的是在不同工况、不同外输情况下，FSRU 整个装置运行消耗的燃料占其处理总量（外输和消耗量的和）的比例。

燃料消耗比率计算方法如下：

其中，R 表示燃料消耗比率，是FSRU 的一个主要经济性指标；FC 表示FSRU 运营时LNG消耗量；FO 表示通过再气化的方式外输到陆地管道的LNG量。

LNG外输的一个特点是，LNG消耗以及外输量都是一个动态的变量，在不同外输量下，参与运营的设备和设备的功率是不同的[4]。根据不同工况下的设备运行状态，以及设备运行时的实际功率消耗两个方面统计系统的用电负荷。

（1）参与系统的统计。

按照每种工况的气化量，统计需要启动的气化链的数量以及辅助系统的工作状态，负荷状态。

需要逐个系统核实，例如，再气化链系统、乙二醇系统、海水加热系统、蒸气加热系统、船舶通用系统。

（2）单体设备的统计。

按照参与的系统状态，核对系统中设备的数量以及实际消耗的功率，按照连续工作，间断工作等工况来确认设备的功率系数。

根据不同工况下所需的总功率，以及发电机不同负载下的效率以及燃料消耗，计算出不同工况的燃料消耗，再根据不同工况下的LNG 外输量，计算出不同工况下的燃料消耗比率。

3 典型FSRU 燃料消耗比率计算示例

3.1 工况分析

根据FSRU 船舶设计工况分析，按照表1 闲置工况、加热工况和应急工况三大类工况进行计算分析。由于燃料消耗一般是计算长期累积的消耗量，对于异常工况时的燃料消耗通常不予考虑。燃料消耗比率计算的是系统长期运转下的一种指标[5]。

表1 FSRU 船舶工况

（1）FSRU 整体船舶工况的分类

项目要求整个船舶的可靠性不低于98%，可靠性分析（Reliability，Availability and Maintainability 简称RAM）显示可靠性为99.116%±0.083%，因此再气化工作占比按照取整99%来计算，其余1%按照闲置工况处理。

（2）再气化输出工况

按照再气化模块设计外输能力，分为五个工况计算，见表2。

表2 再气化工况

工况 1-5 分别对应11、45、105、210、315 百万标准立方英尺/日（mmscfd）的天然气外输量。

（3）再气化加热工况（表3）

表3 加热循环工况

3.2 计算结果

本节对正常外输时表3 中的开式循环、闭式循环、组合循环进行了计算分析，对于闲置工况以及应急工况，业主允许此种工况系统停止，根据RAM 分析，此种工况导致的停机时间少于总运行时间的1%，业主接受不考虑这部分影响。

所有的燃料消耗计算都是按照天然气的最低热值48.3 MJ/kg 计算。为了简化表格，对于闭式循环以及混合循环，将相同部分简化，只保留计算结果。

表4-表7 对图1 中三条变化曲线分析结果如下：

图1 三种循环燃料消耗比率变化曲线

表4 开式循环下燃料消耗比率计算(一)

表5 开式循环下燃料消耗比率计算(二)

表6 闭式循环下燃料消耗比率计算

表7 组合循环下燃料消耗比率计算

（1）每一种循环FSRU 燃料消耗占比随着外输量的增加而降低，但是组合循环在低流量的时候消耗比率更高，变化更陡峭。

（2）不同的循环之间，燃料消耗的比率差别明显，闭式循环数值始终大于2%，超出1.5%要求。开式循环的燃料消耗率明显低于闭式循环，在一定的区间能够低于1%，在平滑段混合循环的燃料消耗率介于两者之间。

（3）三种循环的燃料消耗率随着外输量增加，曲线趋于平缓，外输量的变化对于燃烧比率的影响将明显减低，燃料消耗比率进入合理的区间。

4 结论

本文介绍了FSRU 燃料消耗率的计算方法，并分析研究典型FSRU 不同工况下的燃料消耗情况，梳理出了燃料消耗比率的影响因素。主要结论如下：

（1）对FSRU 燃料消耗比率影响最大的因素是再气化加热模式，开式加热工况稳平滑段的消耗比率低于1%，而闭式加热条件下燃料消耗平均在2.5%左右，超过1.5%的要求。

（2）再气化的运行区间对FSRU 燃料消耗比率影响，从曲线可以看出天然气外输变化在设计能力的33%～100%可以达到完全满足1.5%的要求。但是短时间的小流量运行以及不同工况之间的切换，只要累计的燃料消耗量不超过1.5% 就满足合同要求。

（3）本文从宏观上分析了不同工况对于FSRU 运行的影响，对FSRU 的运营有一定指导意义。

（4）本文从基本逻辑上分析了影响FSRU 燃料消耗率的主要因素，后续将从更加微观的层面详细研究气化链数量、气化链启动逻辑和变频泵选用对FSRU运营经济性影响。