氣體燃燒裝置在液化天然氣運輸船的應用

張海濤

摘 要：分析了液化天然氣運輸船安裝氣體燃燒裝置的必要性，然后以氣體燃燒裝置在柯蒂斯液化天然氣運輸船項目的應用為例，分析總結了氣體燃燒裝置的主要設備、工作模式、安裝要求，為液化天然氣運輸船選用氣體燃燒裝置提供參考。

關鍵詞：氣體燃燒裝置 液化天然氣運輸船 液化天然氣

1.前言

液化天然氣運輸船在運輸過程中會產生蒸發氣，對蒸發氣的處理方式主要有給動力裝置作燃料使用、給氣體燃燒裝置燃燒掉、用再液化裝置將蒸發氣液化后回流至貨艙。氣體燃燒裝置以安全和環境友好的方式將貨艙自然蒸發的天然氣焚燒，同時也可以處理貨艙惰化或氣體置換時從貨艙排出的惰氣和蒸發氣的混合性氣體。另外，即使雙燃料動力裝置能燃燒蒸發氣，但是在液化天然氣運輸船進出港或者在錨地時，船需要的功率較低，蒸發氣的產生量超過了動力裝置需要的量，也可以通過氣體燃燒裝置將多余的蒸發氣焚燒。

2.安裝氣體燃燒裝置的必要性

采用蒸汽推進系統的液化天然氣運輸船，蒸汽鍋爐可以用燃油或者燃氣作燃料，并且過量的蒸發氣可以給蒸汽鍋爐燃燒掉，產生的過量蒸汽通過海水冷卻成冷凝水供蒸汽鍋爐循環使用，因此不需要額外的設備來處理過量的蒸發氣。但是，由于蒸汽推進系統效率低，只有30%左右、并且環境法令日趨嚴格、合格的船載汽輪機操作人員緊缺，裝備傳統的蒸汽推進器的液化天然氣運輸船逐漸減少。

為了保護環境、節省燃料，液化天然氣運輸船船東逐漸選擇用雙燃料發動機或低速柴油發動機來代替傳統的蒸汽推進系統，這兩種推進系統需要配置再液化裝置將蒸發氣液化后回流至貨艙，或者配置氣體燃燒裝置將蒸發氣燃燒掉。目前，普遍采用的方案是雙燃料發動機配置氣體燃燒裝置將發動機用不完的蒸發氣或者發動機突然故障關停導致的過量的蒸發氣燃燒掉，或者低速柴油發動機配置再液化裝置將蒸發氣液化回流至貨艙。據業界估測，在所有裝備兩沖程及四沖程雙燃料發動機的液化氣運輸船中，85%的船只裝有氣體燃燒裝置，通過在安全且可控的條件下燃燒來自貨艙的多余氣體來調控貨艙壓力。

3.氣體燃燒裝置

氣體燃燒裝置有點火油點火的和電子點火器點火的。柯蒂斯液化天然氣運輸船項目選用的是電子點火器點火的，無需點火油，沒有透孔頂蓋、耐火內襯，風機既可以助燃，也可以用于排放尾氣，設計更為簡約，安裝位置極為靈活，操作和維護方便。

3.1主要設備

氣體燃燒裝置主要由燃燒器、燃氣閥組、空氣閥組、燃燒腔、燃燒和稀釋空氣風機、控制柜及附件組成。燃燒器不需要燃氣/空氣配比控制裝置，燃燒所需要的氧氣從進入燃燒腔的空氣中獲得。擋板上安裝有兩個間歇性電子點火器，緊鄰燃燒器。燃氣閥組主要用于控制燃氣流量和壓力，以及燃氣管線的氮氣吹掃。燃燒腔設置在排煙管內。排煙管內需要設置兩個熱電偶，用于測量排氣溫度。氣體燃燒裝置停止后，風機需要持續運轉，直到燃燒腔溫度降低到不超過環境溫度10℃以下并且運行30分鐘后才可以停止風機允許。如果失電情況下，燃燒腔也可以自然冷卻，冷卻時間取決于環境溫度。風機的氣流是不變的，不管燃氣量多少。氣體流速的計算需要確保在最惡劣工作狀況下，排氣溫度低于535℃。每臺風機的容量為所需總容量的33%，正常情況下需要3臺風機同時運行，1臺備用。只有1臺風機運轉時，氣體燃燒裝置會出現報警，無風機運轉時會自動關斷氣體燃燒裝置。控制柜主要用于氣體燃燒裝置的操作、報警及關斷的處理。另外，氣體燃燒裝置還需要配置2套火焰檢測系統和2個燃燒腔壓力傳感器。火焰檢測探頭有火焰探頭和繼電器組成。火焰探頭安裝燃燒腔支架上，以便在任何可能的工作狀況下檢測火焰狀況。火焰探頭需要一直供應儀表氣（包括氣體燃燒裝置停止狀態下），以便冷卻和防灰。繼電器安裝在控制柜上。燃燒腔壓力傳感器主要用于測量燃燒腔的壓力，壓力與流速相關，如果1臺或者2臺風機出現故障，壓力下降將被傳感器及時檢測到。空氣閥組主要用于在寒冬狀況下向燃燒器底部提供少量的熱風，防止降雪等狀況造成燃燒器和火花塞區域結冰或者結霜，保證火花塞在冬季也可以正常點火；氣流由風機提供，經過電加熱器加熱，室外溫度低于3℃超過5分鐘并且氣體燃燒裝置沒有運行時，空氣閥組自動啟動，室外溫度高于5℃超過5分鐘或者氣體燃燒裝置運行時，空氣閥組自動停止。

3.2工作模式

在點火前，需要對燃燒腔和排氣管區域進行吹掃，吹掃風量是燃燒腔和排氣管體積的4倍以上，確保燃燒腔和排氣管區域沒有未燃盡的氣體。吹掃過程需要持續到至少2臺風機運行30秒以后，吹掃過程由氣體燃燒裝置的控制系統自動控制。設備停止時先啟動點火器，然后關閉主燃氣閥、打開主放空閥，之后停止電子點火器，然后自動啟動氮氣吹掃程序，持續吹掃35秒，氮氣吹掃完畢后氣體燃燒裝置才可以再次啟動。

氣體燃燒裝置的工作模式主要有：正常氣體模式、暖艙模式、自由流量模式。正常氣體模式是正常模式。暖艙模式主要用于貨艙加注前、貨艙惰化時燃燒高含氮量的氣體混合物；由于氮含量超過一定量時，混合氣體不是易燃的，并且火焰也不穩定，這種狀況下點火變壓器保持工作以提供穩定的點火源；這時，火焰檢測將被旁通，即使火焰丟失也不會導致氣體燃燒裝置關斷，這種模式只有在遙控狀態下可用，啟動前及此模式運行時，要確保點火器正常工作；此外此模式下的燃氣流速需要限制在正常工作流速的50%以下。自由流量模式下，天然氣直接從貨艙流向燃燒器，不需要使用壓縮機，此模式只有在壓縮機沒有運行時才可以啟動。另外，配置再液化裝置的液化氣運輸船還需要有一種廢氣模式，來處理再液化裝置不能液化的廢氣。

氣體流量的控制是通過燃氣控制閥實現的，燃氣閥組設置有燃氣溫度、閥位異常、控制空氣壓力、燃氣壓力、燃氣流量等報警點，燃燒器設置有火焰故障、燃燒腔壓力、燃燒腔溫度、排氣溫度等報警點。如果集成控制系統的燃氣流量計故障，氣體燃燒裝置將自動切換到開始循環控制，流量控制閥根據PLC預先存儲的曲線通過線性差值預估的命令來調節，此時，實際氣體流量和預估的有差異，只要裝置一直運轉，就必須通過操作者停止裝置后才能返回到正常閉環控制。如果排氣溫度或者燃燒腔壓力接近設定點，控制系統將自動減少燃氣流量設定值。

3.3安裝要求

船級社對氣體燃燒裝置的首要要求就是安全處置過量蒸發氣，避免產生過熱區域，防止天然氣釋放到氣體燃燒裝置的排氣區域被引燃。甲烷的引燃溫度大概在540—705℃。美國海岸警衛隊首次提出氣體燃燒裝置的最高溫度要求為535℃，這個溫度也被多數船級社認可。

船級社對氣體燃燒裝置的第二個要求就是氣體燃燒裝置的排氣要避免損壞天線或危害船員健康。氣體燃燒裝置的布置應靠近到雙燃料發動機機艙或再液化裝置的蒸發氣供氣管路，還需要盡可能遠離駕駛臺和居住艙，同時需要采取措施減小燃燒腔和風機的噪聲，另外還要考慮風機布置容易從外面吸進新鮮的空氣。因此，氣體燃燒裝置基本布置在船艉機艙棚。

氣體燃燒裝置的安裝步驟主要是風機安裝、排氣管安裝、燃燒腔吊裝、燃燒腔安裝、減震器安裝、附件安裝。風機的安裝要考慮振動及噪音要求。燃燒腔的安裝要保證以保證燃燒腔的垂直定位確保燃燒腔頂部和排氣管的間隙，相對兩個位置間隙差必須小于5mm。

4.結論

氣體燃燒裝置以安全和環境友好的方式很好地處理了液化天然氣運輸船貨艙產生的蒸發氣，將會在安裝有雙燃料動力裝置的液化天然氣運輸船上得到更廣泛的應用。

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