基于天然氣燃料船的FGSS設計研究

劉淑亭

[摘? ? 要]近年來，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）對SOx和NOx排放的要求日益嚴格，隨著IMO Tier Ⅲ于2020年1月1日正式實施，船用燃料硫排放上限從3.5%大幅降至0.5%，為滿足這一規定，“綠色能源”成為如今造船業最鮮明的底色和發展主

旋律，從而帶動了一系列船用市場的能源改革，其中LNG屬于熱值大、性能高的清潔能源，以LNG為原料的FGSS近幾年橫行于整個船用能源市場。文章針對不同的雙燃料發動機，介紹了FGSS系統的主要流程，同時以WinGD 5RT-Flex50DF

為例，詳細介紹FGSS的設計要點。

[關鍵詞]FGSS;LNG儲罐;LNG汽化器;BOG;緩沖罐

[中圖分類號]P631.436 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–00–03

Research on Fgss Design Based on Natural Gas Fuel Ship

Liu Shu-ting

[Abstract]In recent years， the International Maritime Organization （IMO） has increasingly stringent requirements on Sox and NOx emissions. With the formal implementation of IMO tier III on January 1， 2020， the upper limit of sulfur emission from marine fuel has been greatly reduced from 3.5% to 0.5%. In order to meet this requirement， "green energy" has become the most distinctive background and development theme of shipbuilding industry， LNG is a kind of clean energy with high calorific value and high performance. The fuel gas supply system based on LNG has been widely used in the whole marine energy market in recent years. This paper introduces the main process of fgss system for different dual fuel engines， and takes wingd 5rt-flex50df as an example， The design points of fgss are introduced in detail.

[Keywords]fgss; LNG storage tank; LNG vaporizer; BOG; buffer tank

FGSS（Fuel Gas Supply System）是一種以LNG為燃料，經過裝載、儲存、氣化調壓后滿足雙燃料發動機燃燒的供氣系統。

目前，雙燃料發動機主要有MAN、WinGD和瓦錫蘭等公司的低速和中速機，其主要機型及分類見表1。

由此根據發動機的不同壓力需求，市場主要將FGSS分為3種類型，即高壓供氣系統：30～35 MPa;低壓供氣系統：DF低速機≤1.6 MPa及DF中速機≤0.6 MPa。

1 FGSS流程介紹

1.1 PBU系統

PBU（Pressure Build up Unit）是一種通過自增壓的形式無需泵輸供給發動機燃燒的供氣系統，基本原理如圖1所示。

PBU系統主要適用于DF中速機（P<0.6 MPa），以圖1為例，C型LNG儲罐設計壓力<1 MPa，系統的壓力建成來源于PBU系統，當LNG儲罐中的壓力低于某一低壓限值，PBU系統氣動閥自動開啟，通過儲罐中的LNG自流進入PBU中的汽化器進行氣化，氣化后的低溫BOG返于儲罐內，使得罐內氣體壓力提升至所需壓力，從而達到發動機的供氣壓力，整套系統無需提升泵，PBU系統實質是增加了一套LNG汽化器專供罐內升壓使用，儲罐中的LNG進入PBU中的LNG汽化器，與水乙二醇進行換熱氣化，其中進入PBU的LNG設計量可以根據質量守恒進行計算。

目前，PBU系統多半用于內河船，海船已很少采用，主要歸結以下幾個原因。

（1）采用PBU系統，需要增加LNG儲罐的設計壓力，價格成本差異比較大;

（2）采用自增壓系統，LNG儲罐內壓力升高，溫度升高從而增加了LNG揮發率及罐內的翻滾現象的發生，不利于節能減排且增加了運行風險;

（3）船用系統對燃氣的供應溫度及壓力更為嚴格，供氣量受航行提速、減速及停靠影響較大，僅靠PBU系統無法保證發動機的穩定運行。

1.2 低壓泵輸系統

低壓泵輸系統是一種通過低壓離心泵將罐內的LNG外輸氣化調壓供船用發動機使用的供氣系統，基本原理如圖2所示。

低壓泵輸系統適用于供氣壓力≤1.6 MPa的供氣系統。圖2中，LNG儲罐采用C型單層罐外包絕熱層或者雙層真空充珠光砂，為了避免LNG的氣化，LNG提升泵置于單層LNG儲罐內，也可置于罐外的專設LNG低溫泵池中，罐中LNG通過提升泵輸至主氣化器中氣化升溫后，通過緩沖罐進行緩存后進入發動機供其燃燒。

低壓泵輸系統相對于PBU系統，其在以下各方面有顯著優勢：

（1）LNG儲罐設計壓力較低，C型LNG儲罐采購成本相對低;

（2）LNG儲罐運行壓力較低，減少罐內BOG的產生量，罐內的壓力穩定，保證系統運行更加安全可靠;

（3）泵輸系統通過緩沖罐中的天然氣壓力控制LNG泵的變頻，系統運行較PBU更加穩定。

1.3 高壓泵輸系統

高壓泵輸系統適用于MAN的低速機，其正常供氣壓力大于30 MPa，基本原理如圖3所示。

圖3中，LNG通過罐內低壓泵輸至罐外高壓泵進行二級升壓，隨后輸至高壓汽化器中與水乙二醇換熱，氣化LNG并升高天然氣溫度至發動機所需燃氣溫度（～45 ℃）后，供主機使用，LNG罐內的BOG，根據船用輔機或者鍋爐的需求，可以通過儲罐壓力控制BOG管線中控制閥的開啟，BOG自流進BOG壓縮機進行升壓后進入氣體換熱器升溫，供輔機或鍋爐燃燒使用。

目前，在MAN主機高壓泵輸系統中，高壓泵及氣化單元（PVU）一般由MAN公司打包提供，相對低壓泵輸系統，高壓泵輸系統成本較高，同時在發動機燃燒排放中不能直接達到T III標準，需配置SCR進行尾氣處理后排放。

2 FGSS設計分析

2.1 典型事例

本項目以一艘化學品船為例，船用主機采用WinGD5RT-Flex50DF，供氣壓力為1.33 MPa，耗氣量為950 kg/h;船用燃氣設備IGG，供氣壓力0.2～0.4 MPa，耗氣量最大為160 kg/h;項目總耗氣量為1110 kg/h。兩座C型儲罐位于甲板兩側，左右舷各設加注系統配套。

由基礎信息可以確定采用低壓FGSS泵輸系統適用于本項目的設計，但同時也要將系統的節能性與適用性相結合，系統采用IGG用于儲存化學品船艙的氮氣充裝，一方面阻隔空氣與化學品的接觸面，另一方面更可用于控制LNG罐內壓力，BOG處理系統對儲罐壓力穩定及系統的安全運行起著至關重要的作用。

2.2 設計思路

如圖4所示，正常運行中，LNG從罐內通過泵輸系統氣化升溫至緩沖罐進行緩沖后通向主機及IGG燃燒使用，當儲罐壓力升高至某一設定值（～0.5 MPa），BOG氣體閥聯鎖打開，主供氣系統進IGG閥關閉，通過罐內的BOG自流進BOG換熱器升溫后進入IGG使用，也可以通過閥門操作讓BOG升溫后的NG使主機在平緩低速下慢行，通過這兩種方式可降低LNG儲罐壓力，減少釋放量。

系統設計中要注意以下幾點。

（1）系統按照IGF規范設計，并同時執行相應船級社天然氣燃料船規范及SOLAS等。

（2）基于本系統的特點，IGG供氣壓力較低（0.2～0.4 MPa），BOG處理系統考慮與LNG罐內BOG壓力聯鎖啟閉，通過自流方式進入IGG燃燒使用，這種模式取消傳統BOG壓縮機的使用，降低成本，簡化流程。

（3）由于船在行駛過程中有提速、減速及停靠的頻繁操作，對于燃氣的需求處于變動狀態，系統對于泵的變頻控制尤其重要。一般而言，可以通過緩沖罐內的氣體壓力控制泵的流量，但是在船減速及停靠的過程中，泵的流速很可能低于泵的最低流量限值，所以在FGSS設計中，泵后回流管線的設置至關重要。一方面，流量過低時，開啟LNG回流閥，通過一部分LNG的回流使得泵的流量保持在泵的有效運行區間內;另一方面，在FGSS故障或者停止運行時，保持泵回流低流量運行，維持系統LNG管線時刻預冷狀態。

（4）為了阻止LNG的氣化，需將LNG離心泵置于低溫潛液池中，潛液池需設氣相平衡管，防止潛液池中BOG氣體壓力過高，造成進泵管線氣阻或泵的汽蝕。

（5）主汽化器后端需設置LNG儲罐補氣管，一方面在罐壓力過低時，自動補氣，另一方面在汽化器出現故障時，可及時將汽化器中大部分的氣體短時間內回流至儲罐中。

（6）必須設置與PLC系統獨立的ESD系統，按照IGF及相關船級社燃料船的相關規定，在加注系統以及LNG儲罐進出口連通閥及主氣體閥設置ESD緊急切斷閥，與相應信號聯鎖控制，實現ESD緊急切斷功能。這也是HAZID重要分析內容。

2.3 軟件模擬

HYSYS在船用FGSS中的熱量平衡與設備選型方面起到關鍵作用，圖5為項目HYSYS分析模擬圖表。

整套系統的供熱通過水乙二醇閉式系統提供，50%∶50%水乙二醇的冰點為–30 ℃，避免了與LNG換熱過程中的結冰現象的發生，水乙二醇的供水量及進出水溫度影響整個系統的運行情況。

在FGSS換熱系統中，為保證發動機的最佳運行，天然氣供氣溫度設置為40 ℃，水乙二醇分兩路進入系統，第一路進主供氣系統供天然氣主流程氣化及升溫使用，另一路進BOG系統為BOG升溫提供熱量;主供熱系統中，設置水乙二醇先為氣化后的天然氣升溫后再進入LNG汽化器為LNG氣化提供熱量，保證天然氣升溫后的溫度能達到40～45 ℃，系統熱量計算對于整個FGSS的設計及設備選型非常重要，由HYSYS模擬數據見表2。

2.4 系統計算結果

水乙二醇系統由達西公式、天然氣管線采用威莫斯公式及溫降公式結合以上HYSYS模擬數據，水力壓降及溫降計算見表3。

2.5 其他輔助系統說明

整個設計除工藝及供熱系統設計外，同時要考慮TCS通風及安全區域雙壁管的通風設計、系統的氮氣吹掃設計、儀表風設計及TCS、加注系統的集液池的安全設計等。

3 結語

船用FGSS設計不僅需要考慮系統的安全性，還需結合船廠船東的意見做到操作簡單合理，船體布置合理、成本控制得當。船用FGSS設計船級社送審文件及圖紙工作量大，設計過程中需設計者對傳熱學與流體力學相關知識熟練運用，同時精通HYSYS模擬操作以及CAESAR對管線的應力分析;近幾年隨著國內綠色長江及國際IMO TierⅢ的實施，FGSS在國內及國際船用市場逐漸進入高峰，也許需要更多的專業技術人員加入這一新時代的船用領域，對系統及設備有更好的鉆研及開發，讓FGSS走的更久更遠。

參考文獻

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