小型LNG運(yùn)輸船燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

豆慶民，王有利，曲 波

（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

小型LNG運(yùn)輸船燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

豆慶民，王有利，曲 波

（大連中遠(yuǎn)船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

以大連中遠(yuǎn)船務(wù)28 000 m3綠色LNG運(yùn)輸船為背景，通過對(duì)TGE燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的研究，探討LNG運(yùn)輸船燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要義，以期為未來LNG運(yùn)輸船供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)；BOG壓縮機(jī)；燃?xì)獗?/p>

0 引言

傳統(tǒng)的石油能源儲(chǔ)量大，便于儲(chǔ)存運(yùn)輸，且安全性高，但目前隨著能源需求增加，石油價(jià)格飛速上漲，且其燃燒會(huì)排放出大量CO2、NOX和SOX等有害氣體，船用燃料已成為全球大氣污染的重要來源。海事組織為積極應(yīng)對(duì)環(huán)境挑戰(zhàn)，修改了相應(yīng)的公約和規(guī)范，隨著這些新公約和規(guī)范不斷生效，全球航運(yùn)業(yè)將面臨更加嚴(yán)厲的污染排放限制。

天然氣是一種熱值高、環(huán)境污染小的潔凈能源，隨著雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的日趨成熟，世界各國政府都已將目光聚焦在天然氣在船舶上的應(yīng)用，對(duì)于LNG運(yùn)輸船來說，由于可以使用貨物的自然蒸發(fā)氣（BOG）作為燃料，其優(yōu)勢(shì)更加明顯。如何在LNG運(yùn)輸船上高效利用天然氣作為動(dòng)力，已成為迫切需要解決的首要問題。

大連中遠(yuǎn)船務(wù)28 000 m3綠色LNG運(yùn)輸船采用雙燃料驅(qū)動(dòng)，是國內(nèi)首艘綠色新能源標(biāo)準(zhǔn)船舶，被大連市發(fā)改委認(rèn)定為 2013年大連市制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域首臺(tái)技術(shù)設(shè)備，并給予政府資助。本文以此LNG運(yùn)輸船項(xiàng)目為背景，探討雙燃料主機(jī)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)在實(shí)船上的應(yīng)用。

1 船舶簡要

大連中遠(yuǎn)船務(wù)28 000 m3綠色LNG運(yùn)輸船為一艘單機(jī)單槳、雙燃料主機(jī)驅(qū)動(dòng)可調(diào)槳推進(jìn)的 LNG運(yùn)輸船，帶PTO功能，屬2G型船。該船按CCS現(xiàn)行規(guī)范規(guī)則設(shè)計(jì)、建造，受之檢驗(yàn)，取得相應(yīng)船級(jí)符號(hào)[1-3]。

全船設(shè)3個(gè)貨艙，貨艙區(qū)為單舷側(cè)結(jié)構(gòu)，設(shè)頂邊艙、底邊艙及雙層底。每個(gè)貨艙內(nèi)設(shè)一對(duì)獨(dú)立LNG液貨艙。液貨艙為3對(duì)獨(dú)立的IMO認(rèn)可的C型貨罐，最低設(shè)計(jì)溫度-163℃，液貨艙艙頂設(shè)計(jì)壓力 0.35 MPa（IMO）[4]。

主尺度和參數(shù)見表1。總圖見圖1。

表1 主尺度及參數(shù)

2 燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

該船燃?xì)庀到y(tǒng)供氣量為主機(jī)100%MCR下的總?cè)細(xì)庀牧俊Ｈ細(xì)夤懿捎肁ISI316L不銹鋼管。

燃?xì)夤┙o有兩種方式：一是BOG供給模式，即液貨BOG經(jīng)氣液分離后壓縮至0.6 MPa～0.7 MPa，加熱至主機(jī)要求的溫度，進(jìn)入緩沖罐穩(wěn)壓后持續(xù)穩(wěn)定地輸送至主機(jī)燃燒；二是LNG強(qiáng)制蒸發(fā)模式，當(dāng)BOG實(shí)際量小于主機(jī)需求時(shí)，則通過甲板罐的燃?xì)獗帽盟?LNG至強(qiáng)制蒸發(fā)器進(jìn)行強(qiáng)制蒸發(fā)，強(qiáng)制蒸發(fā)后的燃?xì)饨?jīng)緩沖罐穩(wěn)壓后輸送至主機(jī)燃燒[5]。燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的流程圖見圖2。

3 燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)主要設(shè)備

3.1 BOG壓縮機(jī)

兩臺(tái)變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，無油型，活塞式BOG壓縮機(jī)，布置在主甲板上部半遮蔽的壓縮機(jī)室內(nèi)。主要性能參數(shù)見表2。

該BOG壓縮機(jī)有兩種操作模式，分別是單級(jí)壓縮模式和兩級(jí)壓縮模式。單級(jí)壓縮模式用于裝載LNG貨物時(shí)，液貨艙內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣通過壓縮機(jī)加壓后，強(qiáng)制回流至岸站。兩級(jí)壓縮模式用于液貨艙BOG加壓，以便為雙燃料主機(jī)提供合適壓力的燃?xì)狻?/p>

表2 BOG壓縮機(jī)主要性能參數(shù)表

3.2 氣液分離罐

氣液分離罐安裝在BOG壓縮機(jī)吸入端，材質(zhì)為AISI304，容積約2.0 m3，罐體上安裝有安全閥，高液位浮子開關(guān)等，該罐用于阻止液體和固體微小顆粒進(jìn)入BOG壓縮機(jī)，當(dāng)罐內(nèi)液位過高時(shí)，自動(dòng)停止BOG壓縮機(jī)，并發(fā)出聲光報(bào)警。

3.3 中間冷卻器

中間冷卻器設(shè)置在燃?xì)膺M(jìn)入二級(jí)壓縮機(jī)之前，當(dāng)主機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，用于冷卻一級(jí)壓縮后的燃?xì)狻Ｐ枰⒁獾氖牵鳈C(jī)正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，BOG經(jīng)過一級(jí)壓縮后，排出溫度仍低于冷卻水溫度，此時(shí)沒有必要使一級(jí)壓縮后的BOG通過中間冷卻器。但是，由于航行過程中，主機(jī)負(fù)荷變化頻繁，如果主機(jī)負(fù)荷突然降低，則由于緩沖罐中的燃?xì)庠傺h(huán)，壓縮機(jī)進(jìn)口燃?xì)鉁囟妊杆偕撸瑥亩鴮?dǎo)致一級(jí)壓縮后的燃?xì)鉁囟认鄳?yīng)升高，如果此時(shí)再手動(dòng)打開中間冷卻器，可能會(huì)造成壓縮機(jī)二級(jí)進(jìn)口的燃?xì)鉁囟雀摺楸ＷC主機(jī)在各種負(fù)荷下壓縮機(jī)均能可靠運(yùn)行，通常中間冷卻器保持隨時(shí)運(yùn)行。

中間冷卻器為板式熱交換器，型號(hào)CBM400-106L，換熱量約46 kW，材質(zhì)為不銹鋼。主要性能參數(shù)見表3。

表3 中間冷卻器主要性能參數(shù)表

3.4 后冷卻器

后冷卻器設(shè)置在BOG壓縮機(jī)二級(jí)壓縮出口的燃?xì)夤苈飞希糜诶鋮s二級(jí)壓縮后的燃?xì)猓蛊錅囟葷M足燃?xì)庥脩暨M(jìn)機(jī)要求。后冷卻器為板式熱交換器，型號(hào)CBM400-106L，換熱量約90 kW，材質(zhì)為不銹鋼。主要性能參數(shù)見表4。

表4 后冷卻器主要性能參數(shù)表

3.5 燃?xì)獗?/h3>

甲板罐配置1臺(tái)立式，兩級(jí)離心式燃?xì)獗谩１玫碾姍C(jī)包含在泵殼內(nèi)，整個(gè)燃?xì)獗眉捌潆姍C(jī)均浸沒在液貨中，由泵送的液貨進(jìn)行冷卻。燃?xì)獗每梢跃偷丶斑b控啟停。在應(yīng)急和故障（高、低電流）情況下可以自動(dòng)切斷。燃?xì)獗昧髁客ㄟ^旁通調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)控制。

該泵用于BOG量不足時(shí)，將甲板罐中的LNG泵送到強(qiáng)制蒸發(fā)器，進(jìn)行強(qiáng)制蒸發(fā)，再經(jīng)緩沖罐穩(wěn)壓后輸送至主機(jī)燃燒。

燃?xì)獗玫闹饕阅軈?shù)見表5。

表5 燃?xì)獗弥饕阅軈?shù)表

3.6 強(qiáng)制蒸發(fā)器

強(qiáng)制蒸發(fā)器布置在壓縮機(jī)室內(nèi)，當(dāng)液貨艙產(chǎn)生的BOG不能滿足主機(jī)燃?xì)庑枨髸r(shí)，必須通過強(qiáng)制蒸發(fā)產(chǎn)生該燃?xì)飧郊恿俊?/p>

強(qiáng)制蒸發(fā)器采用間接加熱，初級(jí)加熱采用蒸汽加熱，先用鍋爐產(chǎn)生的蒸汽加熱水/乙二醇溶液；次級(jí)加熱采用乙二醇水系統(tǒng)，再用水/乙二醇溶液加熱并汽化LNG。為保證持續(xù)、穩(wěn)定的汽化LNG，水/乙二醇溶液進(jìn)入強(qiáng)制蒸發(fā)器的溫度一般控制在 50℃左右。

強(qiáng)制蒸發(fā)器為殼管式熱交換器，換熱量約1 500 kW，材質(zhì)為不銹鋼。主要性能參數(shù)見表6。

表6 強(qiáng)制蒸發(fā)器主要性能參數(shù)表

3.7 燃?xì)饩彌_罐

燃?xì)饩彌_罐布置在靠近生活區(qū)前壁的主甲板上，其目的是為了保證能夠持續(xù)、穩(wěn)定的向雙燃料主機(jī)供氣，燃?xì)饩彌_罐的材質(zhì)為低碳鋼，容積約19 m3，設(shè)計(jì)壓力為1.0 MPa，正常工作壓力約0.6 MPa。整個(gè)罐體表面包有保溫絕緣，以防止寒冷天氣時(shí)主機(jī)燃?xì)膺M(jìn)機(jī)溫度過低。

4 燃?xì)夤┙o模式介紹

4.1 BOG供給模式

航行過程中，主機(jī)應(yīng)優(yōu)先使用液貨艙內(nèi)產(chǎn)生的BOG，以保持液貨艙內(nèi)的壓力低于釋放閥的最大允許調(diào)定值。

此供給模式如圖3所示。當(dāng)主機(jī)正常負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，經(jīng)BOG壓縮機(jī)壓縮后的燃?xì)饪梢酝耆恢鳈C(jī)消耗。此工況下，進(jìn)入BOG壓縮機(jī)的燃?xì)馊縼碜砸贺浥摦a(chǎn)生的BOG，液貨艙內(nèi)的BOG溫度大約為-140℃，經(jīng)氣液分離罐分離后，進(jìn)入BOG壓縮機(jī)進(jìn)行一級(jí)壓縮，一級(jí)壓縮后的燃?xì)鉁囟燃s為-60℃～-50℃，經(jīng)中間冷卻器加熱后，進(jìn)入BOG壓縮機(jī)二級(jí)壓縮的燃?xì)鉁囟燃s為40℃～50℃，二級(jí)壓縮后的溫度約為80℃～120℃，二級(jí)壓縮后的燃?xì)饨?jīng)過后冷卻器冷卻到約40℃，進(jìn)入燃?xì)饩彌_罐穩(wěn)壓后再經(jīng)過流量計(jì)、燃?xì)饪傞y輸送到機(jī)艙供主機(jī)使用。

BOG壓縮機(jī)設(shè)計(jì)吸入壓力為0.1 MPa，為防止BOG壓縮機(jī)因吸入壓力過高損壞本體部件，在氣液分離罐前設(shè)置了一個(gè)壓力控制閥PCV P1101，該閥可根據(jù)氣液分離罐上的壓力傳感器PT P1101測量的實(shí)際壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)開度，確保BOG壓縮機(jī)進(jìn)口壓力不超過0.1 MPa。

當(dāng)主機(jī)高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，為保證BOG壓縮機(jī)高效運(yùn)轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)首先會(huì)調(diào)節(jié)PCV P1101，以確保BOG壓縮機(jī)的燃?xì)膺M(jìn)機(jī)壓力在允許的范圍內(nèi)保持最大，然后通過調(diào)節(jié)BOG壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，維持燃?xì)饩彌_罐中的壓力穩(wěn)定。當(dāng)一臺(tái)BOG壓縮機(jī)不能滿足主機(jī)需求時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警，并自動(dòng)起動(dòng)另一臺(tái)BOG壓縮機(jī)并聯(lián)運(yùn)行。

當(dāng)主機(jī)負(fù)荷降低時(shí)，燃?xì)饩彌_罐中的壓力會(huì)慢慢升高，為保持壓力穩(wěn)定，控制系統(tǒng)首先降低BOG壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，如果BOG壓縮機(jī)運(yùn)行在最小轉(zhuǎn)速（400 rpm）時(shí)，燃?xì)饩彌_罐中的壓力仍然升高，控制系統(tǒng)會(huì)進(jìn)一步減小PCV P1101開度。如果最小轉(zhuǎn)速和最小開度下，燃?xì)獾墓┙o量仍然高于主機(jī)的需求，控制系統(tǒng)會(huì)打開PCV P6250，使燃?xì)饩彌_罐中的燃?xì)庠傺h(huán)，如果此時(shí)壓力仍無法穩(wěn)定，最終控制系統(tǒng)會(huì)打開PVK P6254，將燃?xì)饩彌_罐中的燃?xì)饣亓饕贺浥撝小?/p>

當(dāng)主機(jī)負(fù)荷再次升高時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)順次關(guān)閉PVK P6254和PCV P6250，然后調(diào)節(jié)PCV P1101開度，最后增加BOG壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，以便滿足主機(jī)燃?xì)庑枨蟆?/p>

4.2 L NG強(qiáng)制蒸發(fā)模式

航行過程中，如果液貨艙中的BOG不足以滿足主機(jī)需求時(shí)，必須通過強(qiáng)制蒸發(fā)產(chǎn)生該燃?xì)飧郊恿浚靡匝a(bǔ)足主機(jī)燃燒所需的燃?xì)饬俊?/p>

此供給模式如圖4所示。甲板罐中的LNG通過罐內(nèi)的燃?xì)獗茫获g運(yùn)到強(qiáng)制蒸發(fā)器，氣化后的燃?xì)膺M(jìn)入燃?xì)饩彌_罐穩(wěn)壓后再經(jīng)過流量計(jì)、燃?xì)饪傞y輸送到機(jī)艙供主機(jī)使用。

強(qiáng)制蒸發(fā)器的蒸發(fā)量由燃?xì)饩彌_罐中燃?xì)鈮毫刂啤．?dāng)罐內(nèi)壓力降低時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)慢慢打開LNG控制閥PCV P6259；反之，當(dāng)罐內(nèi)壓力較高時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)慢慢關(guān)閉LNG控制閥PCV P6259。

當(dāng)強(qiáng)制蒸發(fā)器需要的 LNG流量小于燃?xì)獗眠B續(xù)工作的最小流量時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)打開燃?xì)獗玫呐酝ㄩy，使多余的LNG回流至甲板罐中。

5 結(jié)論

大連中遠(yuǎn)船務(wù)28 000 m3綠色LNG運(yùn)輸船采用雙燃料驅(qū)動(dòng)，是國內(nèi)首艘綠色新能源標(biāo)準(zhǔn)船舶，本文通過對(duì)該船雙燃料主機(jī)燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，探討 LNG運(yùn)輸船燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要義，以期為未來LNG運(yùn)輸船供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

[1]中國船級(jí)社.雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝指南[S].2007.

[2]中國船級(jí)社.散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[S].2016.

[3]中國船級(jí)社.鋼質(zhì)海船入級(jí)規(guī)范[S].2016.

[4]上海佳豪船舶工程設(shè)計(jì)股份有限公司.28 000 m3LNG船技術(shù)規(guī)格書[Z].2012.

[5]TGE Marine Gas Engineering GmbH.28 000 m3LNG Carrier Operations Manual[Z].2014.

Design Fuel Gas Supply System of Small LNG Ship

DOU Qingmin, WANG Youli, QU Bo
(COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China)

Taking the 28 000 m3 green LNG carrier built by COSCO Dalian Shipyard as the background,through the study of TGE fuel gas supply system, the paper explores the design essentials of the fuel gas supply system.Hope to offer reference for the design of future fuel gas supply system of small LNG carrier.

fuel gas supply system; BOG compressor; fuel gas pump

ⅹU664.13

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.000

豆慶民（1983—），男，碩士，工程師，研究方向：海工及常規(guī)船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)。