雙燃料動力船舶燃氣雙層管系統設計

許新啟，黃慶雷，劉李峰

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

0 引言

為滿足日益嚴格的國際海事組織(IMO)船舶廢氣排放法規要求，天然氣雙燃料船舶以其綠色、環保的顯著優勢，得到逐步發展。我國近年來為大力發展“綠色能源”，針對內河船舶開展“油改氣”試點研究工程，但主要內容還是中小型內河船舶的加裝改造。大型遠洋雙燃料動力船舶的設計、建造，目前國內外尚處在起步發展階段，亟需進一步研究，形成技術儲備[1]。

因天然氣具有易燃、易爆、易泄露的特性，為保證位于船舶機艙等安全區域的主要燃氣動力設備(包括主機、發電機、鍋爐)安全可靠地運行，其燃氣管路均采用雙層管設計方案，即燃氣雙層管內管輸送天然氣燃料，外管實時通風或實時通入惰性氣體，從而可以避免燃氣內管泄漏等故障產生的危險[2]。燃氣雙層管系統設計是雙燃料動力船舶設計、建造的關鍵技術，目前國內外尚無成熟的技術方案可供參考。

本文結合實船項目設計方案，分別從高壓主機燃氣雙層管(曼恩高壓雙燃料主機，燃氣設計壓力30 MPa)和低壓發電機(瓦錫蘭低壓雙燃料發電機，燃氣設計壓力1 MPa)、鍋爐燃氣雙層管系統兩方面進行闡述，詳細介紹燃氣雙層管設計中的關鍵技術以及試驗方法，為雙燃料動力實船項目燃氣雙層管系統設計及試驗提供參考與借鑒。

1 主機高壓燃氣雙層管系統設計

1.1 系統介紹

目前市場上主機燃氣系統主要分為高壓燃氣系統和低壓燃氣系統，其中ME-GI主機高壓燃氣系統內管設計壓力達到33 MPa，因此為防止高壓燃氣泄漏至機艙安全區劃，機艙內的燃氣管路采用雙層管設計[3]。如此高的設計壓力，對整個高壓系統設計、管路的材質、加工工藝及試驗等方面都有很高的要求。以下對該高壓系統進行詳細分析說明。

高壓雙層管系統原理見圖1。高壓燃氣經高壓泵增壓后，依次通過高壓加熱器、燃氣主控制閥、主機燃氣閥組單元(簡稱“GVT”)，穿過隔艙連接到主機。當主機由燃氣模式切換為燃油模式時，燃氣自主機引出，通向消音器、通風桅，將已進入高壓雙層管系統但未燃燒的燃氣及時釋放，保證機艙的安全。同時，在系統中設置了排風機對外管進行強制通風，以避免因故障而泄漏的燃氣在外管中積聚，并將吸風口和排風口設置在上甲板安全區劃，從而滿足了雙層管通風系統要獨立于其他通風系統的規范要求。主機高壓燃氣雙層管的管材，可根據廠家的推薦，選用雙相不銹鋼、超級雙相不銹鋼或相當的高強度材質。

1.1.1 主機燃氣內管系統

燃氣經過主機燃氣閥組單元后，然后供氣給主機使用。主機燃氣閥組單元包括濾器、手動操作閥、互為自鎖的2個截止閥和透氣閥。

圖1 高壓雙層管系統原理圖

當主機由燃氣模式向燃油模式轉變時，剩余燃氣經過消音器等向大氣排放。

若出現主機或主機燃氣閥組單元內部燃氣管進行維護、拆解的情況，重新裝配完成以后，需要再次進行密性試驗。方法是利用主機增壓泵對內管進行加壓，增壓泵增壓的同時需將消音器前的高壓透氣閥門關閉。

1.1.2 主機燃氣外管系統

主機燃氣外管需進行實時通風，以便能夠保證在燃氣內管泄露的故障情況下及時排出泄露的燃氣。通風的方式是在通風出口管路上安裝離心式排風機。風機進口處安裝可燃氣體探測器，用于檢測雙壁管的環形空間內有無燃氣泄漏。如檢測到的燃氣含量超過設定值，將切斷燃氣，轉成燃油運行。從安全角度考慮，燃氣外管通風系統設計需注意以下幾點：

(1)雙層管的吸口空氣必須滿足低于一定露點的要求。

(2)出于安全方面的考慮，在吸口設置了氣體探測器。

(3)為確保充分的通風，在通風管路進口處安裝了流量開關，用于檢測進口處的通風量。如果燃氣雙層管發生風機故障或其他意外情況，通過該流量開關檢測到的通風量小于設定值，燃氣運行即時被切斷，轉成燃油運行。

(4)在雙層管風機進口設置減壓閥，使得內管泄漏時產生的高壓及時泄放，防止破壞外管風機。

(5)為便于船上進行必要的密性試驗，還設計了進口閘閥和自動控制閥，同時配有壓縮空氣接口。當外管需要進行密性試驗時，可將壓縮空氣接管相連，并關閉風機進口閘閥及吸氣進口閘閥。考慮到進行外管密性試驗時，內管需注意保持一定的壓力，如果內管沒有壓力，此時進口閘閥的旁通自動控制閥自動開啟[4]。

1.2 高壓燃氣雙層管規格確定

高壓燃氣雙層管的設計壓力及壁厚是燃氣雙層管的關鍵規格，下文結合實船項目經驗重點詳細闡述其壓力及壁厚的計算及確定方法。

1.2.1 管系設計壓力

燃氣高壓雙層管的內管設計壓力根據主機燃氣的設計壓力要求決定。外管設計壓力考慮以下兩個因素，并最終依據下述兩者中較大壓力來決定。

(1)最大累積壓力：供氣管路破裂時，氣體在外管內流動產生的靜壓。

(2)內管破裂時外管局部瞬時峰值壓力，可以通過以下公式獲得。

P1=P0(2/(K+1))K/(K-1)

(1)

式中：P1為內管破裂時外管局部瞬時峰值壓力；P0為內管最大工作壓力；K=CP/Cv(Cp為定壓比熱，Cv為定容比熱)，對于天然氣(CH4)，K=1.31。

1.2.2 管系壁厚計算

1.2.2.1 內管壁厚

參照英國勞氏船級社 IGF code規范，內管壁厚t應不小于按下式計算所得之值。

t1=(t0+b+c)/(1-a/100)

(2)

式中：t0為理論厚度，t0=P2D1/(20σe+P)；P2為設計壓力，MPa。D1為內管管子外徑，mm。σ為許用應力，MPa。e為效率系數。b為彎曲余量，mm。c為腐蝕余量，mm。a為制造負公差厚度，%。

1.2.2.2 外管壁厚

外管的壁厚計算參考規范要求。當外管泄漏時，直管承受上述內管最大工作壓力時，其切向膜應力(σθ)應不超過Rm/1.5。所有其他管件的壓力等級所反映的強度水平應和直管相同。

σθ=(P2(D2-2t2)/(2t2))<(Rm/1.5)

(3)

式中：D2為外管管子外徑，mm；t2為壁厚，mm；Rm為拉伸強度，MPa。

2 主機高壓燃氣雙層管壓力試驗

高壓燃氣雙層管壓力試驗用于檢測系統設計及其安全性，以確保整個系統能夠滿足設計壓力條件。 壓力試驗主要包括內、外管試驗壓力的確定，壓力試驗用介質及試驗工藝三個方面。

2.1 內外管試驗壓力

根據實際項目經驗內外管試驗壓力試驗方法同常規做法，取1.5倍設計壓力。

2.2 壓力試驗的介質

根據主機廠家的要求，壓力試驗的介質為蒸餾水，同時要求在壓力試驗結束后，需要對整個管路進行干燥空氣的通風，以確保所有的水分能夠從管系中吹出。

2.3 試驗方案的確認

除主機及其燃氣閥組單元內部，內外管均使用對接焊。根據實船項目經驗，需要重點解決水壓試驗泵如何與管路相連的問題。經過多次研討，最終確認在主機及燃氣閥組單元連接處，設置臨時法蘭和水壓試驗泵相連。當水壓試驗后，切除臨時法蘭，再和主機及燃氣閥組焊接，從而能夠確保焊縫盡可能被試驗到。

3 發電機和鍋爐低壓燃氣雙層管設計

相比ME-GI主機33 MPa的高壓系統，發電機、鍋爐則采用低壓燃氣供氣系統，燃氣壓力大約為1 MPa。同高壓燃氣系統一樣，為防止燃氣泄漏至機艙安全區劃，機艙內的低壓燃氣管路也采用雙層管設計。

3.1 系統構成介紹

低壓燃氣內管系分為2路：一路給發電機供氣，另一路給鍋爐供氣。按照發電機及鍋爐廠家的要求，透氣管無需雙層管設計，此點與主機的設計不同。主機透氣管壓力很高，達到了33 MPa，即使氮氣吹掃，也會有燃氣殘留；而發電機和鍋爐燃氣系統為低壓系統，氮氣吹掃過后，可以將燃氣基本吹出。所以，發電機和鍋爐的透氣管使用單層管設計。此外，對于發電機、鍋爐雙層管的管材，根據廠家的推薦，內管采用SUS316L，外管采用普通碳鋼。

3.1.1 發電機燃氣內層管系統

燃氣經過發電機燃氣閥組單元進行壓力調整后，供氣給發電機使用。發電機燃氣閥組單元包括手動操作閥、濾器、互為自鎖的2個截止閥和透氣閥、質量流量計和控制閥。當發電機開始運行時，2個截止閥處于開的狀態，透氣閥處于關閉狀態。發電機自帶透氣閥處于關閉狀態，燃氣管路開始給發電機供氣。當發電機燃氣停止用氣時，2個截止閥均處于關閉狀態，透氣閥處于開啟狀態，此時燃氣儲存在內管中。發電機只在主燃氣閥關閉、雙層管通風不良、燃氣閥組單元維護階段等情況下，進行氮氣吹掃。

發電機氮氣吹掃分為2路：

(1)主燃氣閥和第1個截止閥之間，此路由供氣系統控制單元控制。

(2)發電機燃氣閥組單元第2個截止閥和透氣閥之間，此路由發電機控制。每臺發電機透氣管和燃氣閥組單元的透氣管相連到1根透氣總管上，再通往大氣中。

3.1.2 鍋爐燃氣內層管系統

燃氣經過鍋爐燃氣閥組單元調整后，供氣給鍋爐使用。鍋爐燃氣閥組單元由手動操作閥、濾器、質量流量計、控制閥、互為自鎖的2個截止閥和透氣閥組成。

當鍋爐開始運行時，2個截止閥處于開啟狀態，透氣閥處于關閉狀態。當鍋爐停止用氣時，2個透氣閥處于開啟狀態，截止閥處于關閉狀態，氮氣進行吹掃。氮氣吹掃分為兩路：

(1)主燃氣閥和燃氣閥組單元的第1個截止閥之間。

(2)2個截止閥閥門之間。第2個截止閥和鍋爐之間的燃氣直接供給鍋爐，直至燃燒完畢。

3.2 發電機及鍋爐外層管設計

從安全角度考慮，同時結合規范要求，燃氣雙層管外管配有風機通風，并在每臺發電機、鍋爐總管及燃燒器上都設置進風口。空氣進入管路后，通過發電機燃氣閥組單元出口、鍋爐燃氣閥組單元出口，連接到位于上層甲板的外層管風機的進口，經過風機再排到大氣中。為檢測是否有燃氣異常泄露，在每個進風口附近及風機出口設置了氣體探測器。

發電機廠家推薦每個發電機用單獨的風機從機艙外抽風，再排到大氣中。實船項目中最終采用外層管設計是從機艙內抽風，再排到大氣中，同時所有發電機及鍋爐共用一個外層管系統。從機艙內抽風，并在抽風口增加止回閥，再排到大氣中，此設計能滿足規范要求的雙層管通風的進口要安裝在非危險區域，遠離點火點。此設計不僅節省了成本，如減少了風機數量及風管長度等，同時也為機艙布置節省了空間。此外，結合實船項目經驗，該通風系統設計方式能夠有效解決多個通風管路風量分配的難題，在實船項目上得到很好的驗證。

4 發電機和鍋爐燃氣雙層管壓力試驗

發電機和鍋爐燃氣雙層管內外管的壓力試驗是驗證雙層管設計壓力及密性的關鍵。試驗的介質為蒸餾水，試驗壓力取1.5倍設計壓力。關于水壓試驗泵和管路連接方式，采用的是與高壓雙層管試驗相同的方法，即在發電機、鍋爐的燃氣閥組單元進口設置臨時法蘭，對管線中大部分焊縫進行壓力試驗后，切除臨時法蘭，然后和發電機、鍋爐的燃氣閥組單元對接[5]。

經實際項目試驗驗證，低壓發電機、鍋爐燃氣雙層管內外管系統包括管路焊接處均能夠長時間保持一定的試驗壓力，試驗結果良好。

5 結論

本文結合某全球首制雙燃料動力汽車運輸船的實船項目經驗，針對主機高壓燃氣與發電機、鍋爐低壓燃氣系統的不同特性，本著確保燃氣系統及其動力設備安全可靠運行的原則，主要從以下幾方面提出并詳細闡述了燃氣雙層管系統設計及試驗方案：

(1)高、低壓燃氣雙層管系統總體設計及詳細系統構成，包括燃氣系統內管供給、透氣，以及燃氣外管強制通風的系統設計原理；系統構成中的燃氣控制及安全的關鍵環節包括燃氣閥組控制單元的構成及功能，以及強制通風系統的構成及工作原理。

(2)高壓燃氣雙層管內、外管規格的計算方案，主要闡述了內、外管的系統壓力及壁厚兩大關鍵規格的計算及決定方法，是內、外管實船管路規格包括管路材質選用的基礎。因低壓管內外管規格計算相對簡單，本文未進行論述。

(3)高、低壓燃氣雙層管內、外管壓力試驗方案及工藝包括內、外試驗壓力的決定，壓力試驗用介質的選擇，以及具體試驗工藝的選用，為實船項檢驗燃氣內、外管能夠安全可靠運行提供了參考解決方案。

在全球范圍內日益重視環境保護、推廣使用清潔能源的背景下，傳統的燃油燃料正被液化天然氣等清潔燃料逐步代替，采用雙燃料動力作為目前船舶行業可行的實船項目方案，也必然會逐步成為未來的發展趨勢。