船用LNG供氣系統罐溫罐壓控制方法

杜原野，陳海霞，李 彬

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，南京 210015）

0 引言

環境污染問題越來越引起人們的關注，有關船舶減少硫化物排放的呼聲也已持續多年。國際海事組織有關限制硫化物排放的新的規定也將于 2020年1月1日起強制執行。歐美的排放控制區已經實施了更為嚴格的硫化物排放限制，中國的重要港口及相關區域也建立了新的排放控制區，硫化物排放問題的解決迫在眉睫。當前主流的解決方案為使用清潔能源以及使用脫硫塔。作為一種清潔能源，LNG對船舶來講無疑是一種解決環境污染的優選方案。對于遠洋的船舶，LNG通常是以低溫低壓的方式進行儲存，控制其罐溫的上升速率及蒸發氣體的產生是其中最關鍵的指標。如果在使用過程中其儲罐內溫度上升過快，將會導致LNG氣化，產生大量無法消耗的蒸發氣體，這會使儲罐內壓力上升過快，對于船舶的運營安全性及續航力產生極大的影響。

1 問題描述

某雙燃料貨船要求天然氣為船舶動力的第一燃料，同時續航力要能達到 14天。本項目配備了 1臺高壓雙燃料的主機、3臺低壓雙燃料的發電機以及1套低壓雙燃料鍋爐。供氣采用1套帶有C型真空絕緣儲存罐的、具備獨特設計的 LNG高、低壓混合供氣系統，通過 LNG低壓泵供液至日用罐，再通過此日用罐給 LNG高壓泵及低壓用戶的氣化器供液，然后通過高低壓氣化器和加熱器進行氣化、加熱、調整供氣壓力等工序，最終實現向用戶供氣。LNG供氣系統見圖1。

圖1 L NG供氣系統

2 問題分析

罐溫升高的影響因素主要有罐子本體的真空度、低壓泵回液、高壓泵回液以及高壓緩沖罐的回氣。

如果 LNG罐子本體真空度較低，則其保溫性能較差，罐內溫度會迅速上升。停止系統后，進行儲罐罐溫保持試驗，24 h內罐溫基本不變，由此判定儲罐自身保溫性能無缺陷。

為保證設備的正常運行，低壓泵和高壓泵必須要具備回液功能。通過改變回液節流孔板的尺寸來調節回液量的大小，選擇能夠保證高低壓泵正常運行的最小的節流孔板尺寸。在實際測試過程中發現，無論在主機發電機同時運行，還是僅有部分設備運行的工況下，低壓泵的功率消耗均很大，比理論估算的功率消耗要高1.25 kW～2.5 kW左右。也就意味著多余的功率均轉化為熱量，通過低壓泵的回液，熱量轉移到LNG儲存罐。

高壓緩沖罐的回氣功能主要為保證主機在頻繁操作過程中防止供氣超過限定壓力。這種情況在正常航行中出現的比重較小，可以忽略不計。

僅僅在回液/氣管路增加節流孔板，會減少LNG儲存罐的回液量和回氣量，罐溫及罐壓有所改善，但這無法從根本上解決儲罐溫升問題。只有降低低壓泵的實際運行功率，才能從根本上解決 LNG儲存罐的溫升問題。

3 處理方案

初始的設計方案根據日用罐的壓力和液位，通過PID調節，對低壓泵的頻率進行調整。罐內壓力維持在0.83 MPa，以保證低壓控制系統需要的燃氣壓力。液位控制設定在950 m m，保證高壓系統中高壓泵的吸口液位高度，以確保高壓泵能夠正常運行。降低泵運行功率最有效的方法是降低頻率，使得低壓泵在低轉速下運行，同時還要滿足系統的供液要求。本文中LNG供氣系統采用高、低壓混合設計，其控制模式分為備用模式、高壓模式以及高低壓混合模式。

3.1 備用模式

備用模式為 LNG系統處于備用狀態、無用戶消耗氣體的一種模式。根據用戶的運行狀態以及氣體請求的信號進行模式判斷，當設備運行但是沒有使用氣體的請求命令時，判斷為無用氣用戶狀態，此時控制系統將低壓泵的功率調整到最低功耗。為降低功率，可將液位調低至高壓泵對于進口液位的最低要求。根據高壓泵廠家要求及實際測試，最低液位高度可設定為450 m m。由于日用罐和低壓泵出口的壓差較小，泵消耗的功率主要用于克服日用罐和 LNG儲罐之間的壓差。若將此壓差控制在 1個相對固定的較低范圍內，可大幅降低低壓泵的功率。通過控制系統采集日用罐與儲存罐的壓力，判斷壓差大小，根據壓差控制日用罐回氣閥門的開啟和關閉，在日用罐比儲存罐的壓力高于0.2 MPa的情況下開啟回氣閥門泄壓，在壓差低于0.1 MPa的情況下關閉回氣閥門。根據實船測量，低壓泵的功率消耗約為0.65 kW。為進一步降低低壓泵的功率，將開啟回氣閥的壓差降低為0.15 MPa，關閉壓差設定不變。調整后低壓泵的實際功耗為0.44 k W，相較于調整前的功率消耗，降低了約1.5 kW。

3.2 高壓模式

高壓模式為主機僅使用燃氣的工況。通過主機的運行信號和氣體請求信號進行判斷。當主機運行并且發出氣體請求命令時，判定為高壓模式。此種模式可使用備用模式的指導思想，盡量降低低壓泵的功率，但是日用罐液位應滿足主機高負荷情況下供氣量的要求。在實際運行過程中發現，由于日用罐的容積過小，如果按照備用模式的設置進行控制，日用罐液位450 mm設定值無法支持主機的用氣需求。日用罐的液位設定值由高到低進行測試，在測試過程中發現如下2種情況：

1）當液位低于580 mm時，日用罐內的液體會快速下降，不足以維持主機的用氣消耗。這種極限工況雖然很少出現，但為確保供氣系統的穩定性，LNG控制系統增加600 mm的液位設定。當液位低于此設定，打開日用罐與 LNG儲存罐之間的回氣閥，降低日用罐的壓力，提高低壓泵的轉速、增大排量，及時補充 LNG至設定目標，同時關閉日用罐與LNG儲存罐之間的回氣閥。

2）日用罐和LNG儲罐之間的回氣閥開啟頻率過高，導致回氣量較大，低壓輸送泵功率波動較大，低壓泵變頻器發熱嚴重。通過提高日用罐和 LNG儲罐之間的回氣閥的開啟壓力和關閉壓力，可以減少回氣閥的開啟次數，限制回氣量，使得低壓泵在相對穩定的工況下運行。經測試，正常的液位設定在800 mm，回氣閥開啟壓力設定在0.26 MPa，關閉壓力設定為0.18 MPa。極限工況下，設定液位600 mm時開啟回氣閥，迅速向日用罐補充LNG。低壓泵的平均功率在1.3 kW左右，相較于改進前降低了2.5 kW。

3.3 高低壓混合模式

高低壓混合模式為主機和低壓輔機同時運行或者僅有低壓輔機運行的模式。通過主輔機的運行信號和氣體請求信號進行判斷。高低壓混合模式下既要兼顧低壓系統的壓力，又要兼顧日用罐液位的需求，不能再沿用前面2種模式的控制原理。根據系統設計，發電機需求壓力不能低于0.7 MPa，為保證日用罐的壓力穩定，減少回氣次數，同時保證日用罐不超壓，將日用罐的壓力控制點設定為：1）0.83 MPa時打開回氣閥；2）0.73 MPa時關閉回氣閥。日用罐液位的設定要高于800 mm。對830 mm、850 mm、900 mm以及950 mm液位工況進行實際測量，選取了供氣穩定且功耗相對較低的900 m m液位進行控制。在多次實驗過程中，均未出現某一液位下 LNG供應不足的問題。根據測試，高低壓混合模式的實際平均功耗在2.5 kW左右。雖然實際消耗的功率高于高壓模式，但是這個功率比原始的廠家方案降低了約1.25 k W。為了進一步提高來控制罐溫罐壓的效果，使用鍋爐進行消耗罐內的蒸發氣體。當LNG罐內的壓力高于0.45 MPa時，系統自動發出信號至鍋爐控制系統，自動啟動鍋爐，消耗蒸發氣體，達到降低罐溫罐壓的作用。

3種控制模式下，新方案和原方案功率消耗對比情況見表1。

表1 新方案和原方案功率消耗對比表

4 結論

通過對 LNG供氣系統的控制邏輯進行優化，將控制模式分為備用模式、高壓模式和高低壓混合模式。通過動態控制日用罐及儲罐之間的壓差、降低日用罐控制液位高度、減小LNG低壓泵的運行功率。與此同時，使用鍋爐消耗罐內蒸發氣體，使得LNG儲罐的溫升及壓力得到有效控制，完全滿足實際使用需求。