全球首艘23000箱LNG動力船供氣系統及其安全防護

黃浦海事局 張竹心

2019 年9月25日，全球首艘以LNG為動力的23000TEU超大型集裝箱船“達飛雅克·薩德”號，正式在滬東中華造船（集團）有限公司長興島造船基地下水。這是世界上第一艘如此大規模的LNG動力船，船身長400米，寬61米，高78米，最大載貨容量為23112TEU，船身的燃料倉將容納最多18600立方米LNG。

該輪核心亮點在于LNG燃氣供應系統在23000TEU超大型集裝箱船上的成功應用。根據現行公約和法規對船舶燃料使用閃點的規定：除應急發電機的燃料閃點不能低于43℃外，為確保船舶防火安全，其他船舶燃料使用限制在閃點60℃以上。很顯然，這一核心亮點突破了這一規定。為解開LNG燃料在船使用安全的疑惑，本文將對超大型雙燃料集裝箱船概況、燃氣供應系統及其安全防護進行介紹。

該船LNG燃氣供應系統主要包括加注系統、燃料儲存艙、供氣系統等。此外，為提高燃氣安全性，氮氣保護系統也是雙燃料船區別于普通燃料船的重點內容。

1、燃料加注系統方面，燃料加注是指將燃料站的LNG燃料導入到船上燃料儲存艙的過程。燃料加注系統主要由LNG加注站、LNG液體注入總管以及LNG蒸汽回收總管三部分組成。相關管路的法蘭、閥等連接裝置均布置在接管處所內（Tank Connection Space，簡稱TCS）。該處所位于LNG燃料艙上方，其艙壁采用耐低溫材料，可起到保護主船體結構、承受主屏蔽最大泄漏量及最大積聚壓力的作用。考慮到超大型集裝箱船LNG充裝靈活性，該輪在二層甲板左右兩舷均設置完整的加注站。每側加注站共設2根LNG液體管路，1根蒸汽管路（用于回收加注過程中產生的LNG氣體）。加注站布置、接管處所位置及加注管系如圖2所示。

圖2 燃料艙及其他區域位置示意圖

2、LNG燃料儲存艙方面，考慮到重油密度為940～1060kg/m3，LNG液體密度不及重油密度的一半，為450kg/m3。雖LNG的熱值略高于重油，但換算后，為滿足相同航程，LNG艙的容積依然約為重油艙容積的1.85倍。因此，合理布置LNG燃料儲存艙，盡量減少裝箱空間的損失，成為雙燃料集裝箱設計中重點考慮的問題。

如圖2所示，該船將LNG燃料儲存艙布置在船員居住區的下方，大大減少了對貨艙區域的空間占用，而且所載LNG燃料足以滿足所有亞歐航線的一個往返航次所需，所以每航次只要在歐洲港口加注一次LNG燃料即可。不僅如此，為縮短燃料加注的靠港時間，該輪可同步進行集裝箱裝卸與LNG燃料加注操作。

為有效降低LNG汽化損耗率，提高裝箱量，該船LNG燃料艙首次采用法國GTT公司的MARK III薄膜艙技術。MARK III薄膜艙屬于薄膜型，由船體結構直接支撐，相較于原先的GTT NO96型薄膜艙，該輪采用的MARK III薄膜艙還在承受自由液面的沖擊負荷方面進行了升級。

如圖3所示，從船體內板向內依次是樹脂繩、次層絕緣板、組合次層膜、主層絕緣板、金屬條、主層不銹鋼薄膜。主層不銹鋼薄膜為1.2mm厚帶有縱橫方向（長度為340mm方格）波紋方格的304不銹鋼板，而組合次層膜為2層玻璃纖維布中間夾1層鋁箔結構。在隔熱方面，主要由介于組合次層膜與主層不銹鋼薄膜間的為厚度為100mm的主層絕緣板，加上組合次層膜向船體內板方向設置了厚度為170mm的次層絕緣板共同組成了兩層隔熱結構。樹脂繩位于次層絕緣板與船體內板之間，起到錨固絕緣層和均勻分配所裝載的液態LNG載荷的雙重作用。

圖3 MARK III型燃料艙

LNG燃料儲存艙內配有4臺低溫潛液泵，交替使用這4臺泵，可確保一個塢修期內免維護，從而保障了安全使用。其中，2個泵的流量較小，其吸口位于LNG艙底部結構凹槽內，可起到掃艙作用，減少艙內液體殘余；另外2個泵流量較大，用于LNG輸送供應，且在緊急情況下，其中一個輸送泵可被替換為200m3/h流量的應急泵，用于快速卸載LNG。

除上述以外，在安全防護方面，該船還對LNG燃料儲存艙采取了如下保護措施：一是防泄漏保護，當主層不銹鋼薄膜出現泄漏情況時，組合次層膜內的金屬鋁箔結構依然具有密封作用。同時，緊鄰主層不銹鋼薄膜這一層主層絕緣體間的探測裝置檢測到泄漏其中的LNG觸發相關報警提醒船員留意。在依托組合次層膜密封的情況下，該燃料儲存艙依然有170mm次層絕緣板起到隔熱作用。二是防撞保護，在船舶左右兩舷LNG燃料儲存艙的位置各設立兩個獨立的干隔艙以防止船舶碰撞情形下對LNG燃料儲存艙的損壞。

圖4 燃氣處理間位置示意圖

圖5 乙二醇加熱單元示意圖

圖6 燃料供氣系統示意圖

圖7 停泊時LNG供氣狀態

圖8 航行時LNG供氣狀態

此外，該船還單獨設置了整套船舶燃油管系，即在整個LNG燃料艙破損失效的情況下，該船仍然可以通過這套燃油管系供給燃油，從而確保船舶動力裝置的有效穩定運行。

3、燃氣處理間方面，燃氣處理間（FGHR，具體如圖1和圖4所示）位于LNG燃料艙上方，與接管處所相鄰，設有LNG蒸發器、壓縮機、加熱器（蒸汽加熱中間加熱介質和中間加熱介質再加熱LNG的加熱器各一套）、燃氣緩沖柜等設備，是全船處理LNG的關鍵處所。

眾所周知，液態LNG為-162℃。為確保在對液態LNG加熱氣化時不被凍結，需要采用一種水、乙二醇混合溶液（類似防凍劑）的中間加熱介質，具體如圖6所示。運行時，中間加熱介質（圖4紅色部分）通過乙二醇泵在系統內封閉循環。通過左側蒸汽加熱器時，中間加熱介質經蒸汽（圖4黃色部分）加熱后先開始對LNG加熱，后續中間加熱介質的余溫進一步通過蒸發器再循環到蒸汽加熱器。從圖5不難發現，中間加熱介質均保持與兩邊介質（蒸汽和LNG）相反的路徑走向。左邊蒸汽加熱這一路不難理解，但對右邊LNG這一路來說，LNG則體現出是先用較低溫度的中間加熱介質蒸發后用較高溫度的中間加熱介質進一步加熱的過程，表現在中間加熱介質，則走的是先加熱LNG再到蒸發器的過程。

4、供氣系統方面，燃氣供氣系統主要作用：一是供給各個設備燃用符合其流量、壓力和溫度要求的LNG氣體，二是實現系統的啟停、閥的通斷、LNG的泄放、惰性氣體的吹掃等功能。考慮到LNG的天然特性，對供氣系統的設計、焊接質量以及施工環境的嚴格要求，為安全起見，該輪供氣系統依據天然氣動力船舶安全導則（IGF Code）、國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規范（IGC Code）和天然氣燃料動力船舶規范要求設計和建造。

不僅如此，LNG供氣管道均采用不銹鋼材質，除了必要的法蘭連接外，中間連接皆為一次焊接成型，以保障管路的密封性。LNG供氣管路均為雙壁管，內管用于供氣，外管為最后一層保護。在內外管之間的環形管道中通惰性氣體，并設置LNG探測和泄漏警報裝置以提高安全性。

本船供氣系統由主供氣支路和自然蒸發氣支路兩部分組成，結合上述圖5一起，具體如下：

主供氣支路對應強制揮發氣（FBO）的供給：LNG通過LNG燃料艙內的潛液泵加壓，把液態LNG經由低溫液態管路泵出，在燃氣處理間經LNG蒸發器氣化后再由加熱器升溫輸出。

自然蒸發氣支路對應燃料自然揮發氣（NBO）的供給：由于NBO為LNG艙頂部的自然揮發氣，呈氣體狀態，通過NBO壓縮機經供氣管路輸出后直接由加熱器（不經過蒸發器）升溫至合適溫度后輸出供氣。

主供氣支路及自然蒸發氣支路各自將符合壓力與溫度要求的燃氣輸送至燃氣緩沖柜穩壓，再經緩沖柜分別輸送至各燃氣閥單元（GVU）過濾調壓，供不同用氣設備（主機、副機和鍋爐）使用。在緊急情況下（NBO壓力超過設定值時），NBO可通過旁通管路至雙燃料鍋爐，如圖6所示。

由于船舶在航行工況與停泊工況時用氣需求差異，LNG供氣狀態有所不同：當船舶處于停泊狀態時（如圖7所示），自然蒸發氣足以供給副機燃燒發電所需。此時，僅有自然蒸發氣支路工作，多余的NBO供給雙燃料鍋爐（用作氣體燃燒裝置（Gas Combustion Unit，簡稱GCU）的替代）燃燒，所產生的蒸汽用于供應船舶日常和NBO本身的加熱所需。當船舶處于航行狀態時（如圖8所示），NBO不足以滿足主副機燃燒所需的用氣量。此時，主供氣支路工作，船舶用氣主要由FBO供給，位于燃氣處理間的LNG蒸發器和加熱器同時處于工作狀態。

5、氮氣室方面，氮氣室的配置是該類船舶特有的安全保護措施。上文提到，為減少LNG燃料艙對裝箱空間的損失，LNG燃料艙布置在生活區域下方，且與之配套的燃氣處理室也位于附近，致使燃氣處理間與機艙之間的距離較遠（約200米），供給用氣設備的輸送管路長，泄漏風險隨之增大。同時，LNG燃料艙處于船舶生活區域下方，這也帶來的一定的潛在風險。為此，在緊鄰燃料處理間的邊上設置了氮氣室，如圖9所示。

圖9 氮氣室示意圖

氮氣室內裝有2臺氮氣發生器，可從空氣中直接制取高純度氮氣。制取的氮氣存儲于在艙內氮氣罐中，供給氮氣吹掃系統，其主要用途表現：一是用做LNG汽化后的氣體壓縮機的軸封密封氣體，以防止LNG氣體壓縮機運轉過程中，LNG從其運動軸端泄漏而帶來的安全風險；二是用于LNG燃料艙的惰性氣封，即在需要時將氮氣注入到組合次層膜兩邊的絕緣體中，從而起到LNG燃料艙的惰性化處理效果。

6、透氣管系方面，該船設有艏艉兩個透氣桅。主透氣桅為艏部透氣桅，該桅與前桅組合成一體。LNG艙的氣體可通過雙管壁透氣管，與一并匯入其中的主屏蔽單管壁透氣管氣體，經由服務通道到達該透氣桅。次屏蔽的透氣就近從主甲板引出。而主機、副機和鍋爐各自的燃氣閥單元（GVU）透氣管采用單管壁結構，通過氮氣吹掃，從船舶機艙直接通至艉部透氣桅。