MR油船雙燃料供氣系統的設計和應用

蔣士興，潘偉宸

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

近年來，船舶動力的排放污染對環境的嚴重影響受到了國際社會的極大關注，節能減排、采用清潔綠色能源已成為當前船舶航運業發展的主題。液化天然氣(LNG)燃燒后的主要產物為二氧化碳和水，和當前船舶動力推進普遍采用的燃料油或柴油相比，是一種清潔能源。隨著現代船舶行業技術的不斷發展，將柴油和LNG相結合作為燃料的船舶動力系統越來越受到船東們的青睞。

自從2000年挪威開發了第一艘LNG動力船以后，國內外學者對于LNG船的供氣系統開展了大量的研究。國外研究方面：GROTLE等在對供氣系統研究的基礎上，繼續研究海洋液化天然氣燃料箱中由于晃動而增強的熱響應；SEO等提出了一種不使用低溫泵而向低壓發動機供應LNG的增壓系統；PARK等設計了一種用于高壓發動機的壓縮機來輔助供氣系統。SON等對小型BOG再液化過程的動態行為和控制系統進行了建模和分析。國內研究方面：2010年8月長江上試航成功第一艘雙燃料改裝船；王濤等對雙燃料低速發動機供氣系統進行了研究；唐浩則是針對雙燃料發動機的燃氣供給提供了系統設計方案。

面對綠色船舶發展的需要，采用雙燃料動力系統的船舶一定是未來的重點發展對象。供氣系統作為雙燃料動力系統中重要組成部分之一，對其進行深入的研究與設計是非常必要的。為此，本文以48 500載重噸油船為研究對象，在研究該油船設計的雙燃料供氣系統的燃氣處理系統、輔助系統、安全系統和自動化系統的基礎上，提出了一種低成本、低污染及低能耗的供氣系統設計方法。

1 雙燃料MR油船供氣系統概述

1.1 供氣系統概述

48 500載重噸油船是一艘裝載二類、三類化學品、成品油并由低速雙燃料發動機驅動的單機單舵的化學品/成品油船。該船LNG供氣系統(FGSS)是船上儲存LNG并將其作為燃料供給雙燃料主機、發電機及鍋爐使用的裝置。LNG通過左右舷的2個加氣站注入2個LNG罐。為了維持LNG安全儲存所需的低溫、壓力及最大的閃蒸蒸汽(BOG)維持時間，推薦使用蒸汽回收系統。正常運行時，壓力應保持在儲罐設計壓力以下。儲罐的排氣管道上裝有2個泄壓閥和 1個自動閥，以防止儲罐超壓損壞。

FGSS的主要功能是由燃氣供給泵將LNG儲罐中的液化天然氣輸送到LNG汽化器和加熱器汽化后再輸送到緩沖罐，最終經過各自的氣體閥組單元分別輸送到主機、發電機及鍋爐。儲罐產生的BOG由BOG壓縮機壓縮后也可供主機、輔機及鍋爐使用。因此，當使用LNG作為燃料時，儲罐中的液化天然氣將被LNG供給泵加壓到發動機所需的壓力，然后將液化天然氣通過LNG汽化器和NG加熱器加熱成滿足一定溫度要求的氣體供應到NG緩沖罐，最后通過主閥進入雙燃料發動機或雙燃料鍋爐。儲罐內的BOG也可以通過BOG加熱器自由流入鍋爐，供鍋爐燃燒。

在總體布置方面：LNG燃料供給泵安裝在LNG儲罐內，水-乙二醇模塊安裝在發動機室，LNG汽化器模塊、主輔緩沖罐及BOG壓縮機模塊布置在燃料準備室(FPR室)，制氮模塊布置在機艙。

1.2 設備選型及參數

(1)主推進裝置為1臺雙燃料主機(WinGD 6X52DF), 主機燃氣氣耗為145 g/kWh，主機的合同最大持續功率點(CMCR)為7 250 kW，用氣量為1 101 kg/h，燃氣供應壓力為1.6 MPa。輔助裝置包括3臺雙燃料發電機和1臺雙燃料鍋爐等，發電機功率為900 kW，每臺用氣量為205 kg/h，鍋爐的用氣量為18 000 kg/h。

(2)FGSS設備的主要參數如下：LNG供應容量2 747 kg/h，最大供氣壓力1.4 MPa，LNG儲罐體積2×1 250 m，船舶熱源供應約 1 020 kW，水-乙二醇質量流量約 55 000 kg/h，總耗電量約 100 kW。

(3)LNG總用氣量約為2 747 kg/h。考慮1臺主機、2臺發電機、1臺鍋爐用氣量作為輸入條件來設計FGSS的LNG泵、LNG汽化器和NG加熱器。

(4)LNG儲罐的BOG是通過1臺BOG預加熱器(容量為400 kg/h)加熱后由1臺容量為328 kg/h的BOG壓縮機來處理的，然后供主機、發電機和鍋爐使用。

2 供氣系統的組成及設計

2.1 燃氣處理系統設計

2.1.1 LNG加氣站

(1)FGSS包含加氣站。LNG加氣站是按照國際氣體燃料動力船協會及相關規定設計的。2個加氣站分別安裝在左舷和右舷，在露天甲板上應有遮蔽以防組件被腐蝕。

(2)每個液灌通岸的連接管路和蒸汽回流管路的連接點都設有1個手動和遙控氣動組合閥。這些緊急停機閥門應該是“故障關閉”型。由信號關閉時間和閥門關閉時間所組成的總關閉時間應滿足船級社要求，其中液體管路通徑為150 mm，蒸汽回流管路通徑為100 mm。

(3)滴注盤要安裝在液體管路連接處的下方，由不銹鋼制成，通過舷外管道中的球閥將積液排出舷外。

(4)舷外管道最好通向靠近大海的地方，同時要有必要的壓力、溫度指示。加注液體管路進口應裝有過濾器。

(5)該系統的設計目的是通過蒸汽回流來完成燃料箱的加氣。加燃料前一定要檢查并計算液化天然氣儲罐的加氣極限。

2.1.2 LNG儲罐

(1)FGSS包含2個LNG儲罐。LNG儲罐要按照《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規則》(IGF規則)設計制造，正常運行時壓力應保持在儲罐設計壓力以下。

(2)儲罐整體進行絕緣覆蓋。頂部設有1個穹頂和1個人孔，底部裝有1個凹槽。采用穹頂設計是為了放置LNG供給泵、罐體接口、(溫度、液位、壓力)監測裝置、儲罐連接件、閥門和儲罐附件。罐內安裝加強環、防晃板和防浮防滾固定裝置。

(3)儲罐的排氣管道上裝有2個安全閥和1個自動閥，以防儲罐的超壓損壞。

(4)根據IGF規則，充入到罐內的最大LNG體積的計算公式為

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(5)LNG儲罐還需要考慮設計用于冷卻、干燥和惰化的管系。在干燥和惰化方面，第一次加注燃料時，應將儲罐內的水分和氧氣含量降至最低，該操作必須要在常溫下用干燥的氮氣來完成，從LNG罐底部注入氮氣來置換空氣。當LNG儲罐的露點低于-45 ℃，且貨艙含氧量降至2%時，即完成了干燥惰化過程。在采樣點應定期測量露點和含氧量。

(6)通常情況下，液氮通過液體噴霧管噴入LNG儲罐起到冷卻作用。流量必須通過手動調節閥小心調節，使得冷卻速度不超過每小時10 ℃。由于在液體沸騰和罐壓上升之間有一個時間延遲，為了避免罐壓超過儲罐的設計壓力，正常情況下自動排氣閥可保持開啟狀態。當每個液罐頂部和底部的溫度傳感器顯示平均溫度為-130 ℃或更低時，LNG儲罐的冷卻才被認為完成，然后LNG就可以裝艙。如果使用LNG來冷卻儲罐，在此之前應該使用常溫天然氣代替氮氣。天然氣由岸上供應，通過蒸汽管路引入液化天然氣罐頂部，替換空氣或者氮氣，氣體通過液體管路排放到大氣中。

2.1.3 LNG供給泵

(1)LNG供給泵布置在LNG儲罐內，主要用于給LNG加壓到主機所需的壓力。

(2)在本設計中，給每個儲罐配有2臺LNG供給泵，總共4臺。

(3)LNG供給泵的排出壓力和流量由變頻馬達來控制，所以FGSS可以自動調節來適應發動機負荷的變化。

2.1.4 汽化器和加熱器

(1)LNG汽化模塊包含LNG汽化器、NG加熱器、BOG加熱器，布置在LNG供給泵下方的燃料準備室。

(2)LNG汽化器將LNG汽化成天然氣，然后再由NG加熱器將天然氣加熱到所需的溫度。水-乙二醇溶液作為加熱介質先后用來加熱LNG和NG，使其能夠達到一定的溫度范圍。

(3)BOG加熱器和BOG壓縮機預熱器也都采用水-乙二醇循環加熱模塊進行加熱，熱源為船舶低溫淡水系統的熱水。

2.1.5 NG緩沖罐

(1)在LNG汽化器、NG加熱器和BOG壓縮機模塊的下方設置主緩沖罐，用于維持主機負荷變化時供氣系統壓力穩定及快速的壓力調節響應。

(2)在主緩沖罐出口安裝1個調節閥，可將壓力調整到主機的實際需要。另外1個調節閥與主緩沖罐和輔緩沖罐相連接，可將壓力降至600 kPa，進而滿足低壓設備的要求。

(3)主緩沖罐壓力和溫度需設有遠程自動控制和報警監測。輔緩沖罐適用于所有下方的低壓用氣設備，輔緩沖罐也要設有壓力和溫度監測。

2.1.6 BOG操作系統

(1)為了處理由于儲罐中LNG汽化而產生的BOG，在燃料準備室中安裝BOG壓縮機模塊。該模塊包括BOG壓縮機和BOG壓縮機預熱器。

(2)在加氣和正常航行工況下，BOG壓縮機應從LNG儲罐中吸取氣體，壓縮后將BOG輸送到主機、發電機或者鍋爐，以此降低儲罐壓力。BOG壓縮機排出管連接主緩沖罐和儲罐汽化管。BOG壓縮機預熱器安裝在BOG壓縮機吸入側的上方。

(3)根據系統壓力和溫度控制BOG壓縮機啟停。BOG預熱器管出口溫度也要檢測，因為過熱或者過冷的BOG將會干擾BOG壓縮機的啟停。

2.2 輔助系統設計

2.2.1 水-乙二醇加熱/冷卻循環系統

(1)LNG汽化器系統的加熱源是水-乙二醇溶液，用以降低汽化器殼側結冰的危險。

(2)加熱循環系統由循環泵、低溫冷卻水-乙二醇換熱器、蒸汽-乙二醇換熱器、膨脹箱、三通溫控閥、蒸汽控制閥、流量開關組成。三通溫控閥和蒸汽控制閥用來控制低溫冷卻水和蒸汽的溫度。流量開關用來監測加熱循環系統的工作狀態，以保證汽化器和加熱器獲得足夠的熱量。

(3)NG系統和BOG壓縮機的滑油系統的冷卻源也是水-乙二醇溶液。冷卻循環系統由循環泵、管殼式低溫冷卻水-乙二醇換熱器、溫控閥組成。溫控閥用于控制乙二醇水的溫度。

(4)加熱/冷卻循環系統的膨脹箱都應該布置在水-乙二醇管的上方。

2.2.2 氮氣系統

(1)氮氣用于惰化LNG和NG管道系統，填充后吹掃管道。

(2)氮氣系統將在正常的航行、加氣及維護時吹掃相關的管道。而氮氣緩沖罐被安裝在制氮器的下方，目的是為了儲存氮氣來吹掃相應的管道。

(3)為防止可燃氣體回流到任何非危險空間，惰性氣體供應管道應該配置2個串聯的關閉閥，而且中間要有1個排氣閥。

(4)氮氣系統允許從空氣中連續地生產純氮和干氮，用于各種用途。

2.3 安全系統設計

2.3.1 通風系統

(1)FPR室需設計有效的負壓機械通風系統。

(2)每個FPR室的進出口都設有防火風閘，通風能力滿足30次/h換氣次數的要求。

(3)雙壁通風管道的風機應滿足船級社要求風量30次/h，但雙壁通風管道環空壓降不超過5 kPa。

2.3.2 氣體探測系統

(1)氣體探測系統用于加氣站、穹頂、燃料準備室、機艙及雙壁管道各區域的可燃氣體檢測。

(2)在燃料補給站、穹頂區域、燃料準備室、環繞環形空間的雙壁燃氣管道，以及包含燃氣管道的任何其他機械空間內，都應該安裝永久氣體探測器。

(3)氣體探測系統應在管道有氣體燃料的情況下，在正常運行期間和維修工程前的吹掃過程中不間斷地持續運行。

(4)氣體探測設備發出的聲音和可見光警報應位于駕駛臺和ECR內。

(5)系統控制面板要安裝在發動機控制室。固定傳感器至少要在燃料準備室安裝2個、水-乙二醇膨脹罐安裝2個、雙壁管道安裝5個、發動機曲軸箱的通風設備安裝4個。

2.3.3 消防系統

(1)FGSS區域應當設計安裝永久性的火災探測器。

(2)一旦檢測到火災，通風系統將自動停止，防火風閘將關閉，主燃氣閥將會自動關閉，FGSS應立刻停止。

2.3.4 透氣系統

(1)透氣系統所有的排氣安全閥均與排氣管道連接，并通過排氣管排氣。

(2)排氣頭安裝在LNG儲罐泄壓閥的排氣管頂部，可以直接將氣體從排氣管道排放到大氣中。

(3)排氣頭設有防護格柵和防火裝置，其材質是不銹鋼的，且排氣頭的高度應高于露天甲板6 m以上。

2.4 自動化系統設計

2.4.1 監測/控制系統

本系統采用以工控機為核心的監測和數據采集系統。通過控制中心發出指令，系統自動完成具體的操作，控制中心同樣也可以對各單元的設備進行控制。FGSS控制中心通過觸摸屏操作。觸摸屏既顯示燃氣供應系統的運行情況，也可以向過程控制單元發出指令。

控制系統主要通過控制和調整燃氣壓力、流量和溫度等參數來滿足燃氣使用設備的運行需要。除了實現氣壓、流量和溫度的自動控制外，該系統還實現了與主機控制系統的啟停、通斷、釋放和吹掃等聯動功能。

2.4.2 安全控制系統

本設計將主控制和安全柜組合成安全控制系統。啟動柜可遠程控制所有電機，手動控制面板集成在機柜中。所有的電機均可以在啟動柜中操作。啟動柜包括BOG啟動器、LNG泵啟動器、水-乙二醇泵啟動器。所有電機的運行、報警狀態都將顯示在啟動柜中。

3 供氣系統設計圖

對燃氣處理系統、輔助系統、安全系統及自動化系統這4個主要系統研究后形成了一套完整的設計圖，見圖1。圖中顯示了整個供氣系統的原理：左側2個分別為左右舷加氣站；中間為2個含有LNG供給泵的LNG儲罐；右上角為燃料準備室，包含有BOG壓縮機模塊、LNG汽化器模塊及主輔緩沖罐；右下角為水-乙二醇模塊。整個設計有以下3種供氣模式：

(1)正常供氣模式。LNG儲罐中的液化天然氣通過燃氣供給泵輸送到LNG汽化器和加熱器進行汽化，之后通過緩沖罐到達各自的氣體閥組單元，再分別輸送到主機、發電機和鍋爐。

(1)—加氣站；(2)—儲罐；(3)—BOG壓縮機預熱器； (4)—BOG壓縮機；(5)—BOG壓縮機冷卻器；(6)—汽化器； (7)—主緩沖罐；(8)—輔緩沖罐；(9)—膨脹水箱； (10)—循環泵；(11)—水-乙二醇換熱器。圖1 供氣系統原理圖

(2)BOG操作模式。儲罐中汽化而產生的BOG通過BOG壓縮機壓縮后再經過冷卻也可供主機、輔機和鍋爐使用。

(3)自流模式。如果儲罐內蒸汽壓力過高，經過加熱的蒸汽可通過自流模式供鍋爐使用。

4 結語

基于船舶行業規范要求，本文以48 500 載重噸油船為研究對象，對該油船采用的雙燃料供氣系統的設計方法、原理及內容進行了具體闡述。通過對燃氣處理系統、輔助系統、安全系統及自動化系統中主要設備的合理布置，從而降低整艘油船成本、污染及能耗。