新型獨立B型液化天然氣燃料艙圍護系統設計

李欣,王怡,王曌文,郭敏捷,周熲

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

1 B型艙圍護系統設計方案

B型艙圍護系統系指包括燃料艙接頭在內的用于燃料儲存的裝置,包括主屏壁、次屏壁、絕緣層、燃料艙處所以及相關系統,以及必要時用于支撐這些構件的相鄰結構。

B型艙作為自持型液艙[5],需利用船體結構對其進行支撐。在確保續航力的前提下,為獲得更優的集裝箱布局、裝載更多集裝箱,目標雙燃料集裝箱船設置一個B型艙作為LNG燃料儲存艙,位于上層建筑居住區域下方、主甲板以下燃料艙處所內。燃料艙絕緣層外表面與內船殼之間設有維修空間,見圖1。

圖1 雙燃料集裝箱船新型B型艙布置

對于布置在主甲板以下的LNG燃料艙需設置燃料艙連接處所,作為布置所有燃料艙接頭和燃料艙所需閥附件儀表的圍蔽處所。

1.1 B型艙氣室和泵井布置

本船B型艙氣室包括人孔,因此其尺寸主要取決于人孔尺寸以及艙上的閥附件儀表和管路布置。在滿足布置的前提下,可將氣室盡量做小,以提高經濟性。

B型艙泵井尺寸主要取決于艙內LNG供給泵的尺寸及其維修空間。LNG供給泵有潛液泵和深井泵兩種形式,深井泵的馬達布置在艙外氣室平臺上,相較潛液泵維修更方便,無需進艙維修,但由于小排量深井泵廠家較少,該型式泵價格昂貴。

本船艙內配置2×100% LNG潛液泵,一用一備。該配置從設計角度完全可以滿足系統要求,但是潛液泵的工作壽命為20 000 h,無法滿足船舶5年塢修要求,因此不排除船東會要求采用3×100% LNG潛液泵,一用兩備。若考慮深井泵方案,則配置2×100% LNG深井泵即可,一用一備。本B型艙泵井尺寸設計同時考慮了2×100% LNG潛液泵和3×100% LNG潛液泵的布置,可靈活應對船東不同要求。

1.2 B型艙絕緣系統布置

所述新型B型艙絕緣系統主體基于雙層聚氨酯泡沫系統。第一層為根據B型艙艙體表面形狀設計的聚氨酯板,第二層為噴涂聚氨酯泡沫,應用于聚氨酯板表面。新型B型艙圍護系統的燃料艙和絕緣與船殼分離,無需分擔船體強度,即燃料艙和絕緣的變形和溫度應力不會對船體結構造成直接影響[6],船體結構無需選用耐低溫鋼材,并且減小由于冷縮效應所產生的熱應力。

2）譯碼單元：對AHB-Lite下發的地址和數據進行譯碼，并分派給相關的寄存器；將控制單元的處理的結果送回總線；譯碼單元包括數據輸入寄存器和控制寄存器，控制寄存器主要控制加速核的工作模式和標志起始工作狀態。

絕緣系統同時起到防濺屏和微泄漏防護層的作用,泄漏液體通過艙表面和絕緣內層板之間的泄漏通道進入集液盒?；?5%加注率下蒸發率BOR<0.25%天的設計目標,經計算,該B型艙的絕緣厚度為330 mm。新型B型艙絕緣系統布置圖見圖2。

圖2 雙燃料集裝箱船新型B型艙絕緣系統布置

1.3 B型艙泄漏、集液盒通風及加熱系統

B型艙泄漏主要由B型艙裂紋擴展引起,一旦出現泄漏,泄漏的低溫液體自裂紋處流至艙表面與絕緣之間的泄漏通道內。泄漏通道底部設置泄漏管,泄漏管上設置爆破片,在設定的爆破溫度下,爆破片兩側壓力差達到預設值時,爆破片破裂,泄漏液體流入底部集液盒。所述新型B型艙采用5個敞開式集液盒,分別位于B型艙底部4個角落以及艙底中部,集液盒之間無需設置連通管。泄漏至集液盒內的LNG自然氣化為BOG,揮發至燃料艙處所內,揮發后的BOG通過燃料艙處所的風機抽至透氣桅進行排放,避免低溫氣體擴散到周邊船體空間破壞船體結構,見圖3。

圖3 B型艙泄漏、集液盒通風及加熱系統

燃料艙處所風機配置為2×50%風機,總通風能力為每小時至少換氣30次;若一組風機失效,通風能力不應下降超過50%。由于BOG為低溫氣體,風機需選用低溫風機,出于成本考慮,為了更合理地進行風機選型,考慮通過B型艙泄漏擴散模擬計算,對燃料艙處所內結構溫度進行計算,通過模擬溫度值進行低溫風機選型。

風機的控制可通過在燃料艙處所內設置溫度開關、壓力開關或可燃氣體探頭監測進行控制,當達到一定設定值時起動風機進行氣體排放。關于傳感器設置及對比見表1。

表1 風機控制方式對比

針對集液盒的通風系統設計,也可考慮在燃料艙處所上安裝PV閥來取代風機的方案,該方案相較于風機配置更具成本優勢。當泄漏至集液盒內的LNG揮發成BOG排至燃料艙處所內達到一定壓力設定值后,將觸發PV閥開啟。參考LNG燃料艙上安全閥的設計,在燃料艙處所上配置2×50% PV閥。需要注意:基于PV閥的結構型式,PV閥無排放接口接至透氣桅,即PV閥開啟后只能在閥上直接透氣。該PV閥的設置位置需滿足《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規則》(IGF Code)[7]對危險區域劃分要求,即壓力釋放閥透氣出口與通向起居處所、服務處所和控制站或其他非危險區域的空氣進口、出口或開口和機器的廢氣出口的距離應不小于10 m。

本船的上層建筑位于B型艙上方,因此若選用PV閥,會對居住區域造成直接影響,并對危險區域劃分及相關設備布置帶來一定困難。因此,本船優選風機方案。

根據船級社規范,每個集液盒的容量需滿足最大艙的泄漏總量,由于各船級社對B型艙泄漏率要求不同,集液盒的尺寸也有差異。為了合理設計集液盒尺寸,可通過在集液盒上設置加熱系統,加速LNG氣化減少集液盒內LNG積聚的方式減小集液盒尺寸。對于集液盒內未及時蒸發的液體,可以選擇三種加熱方式:電加熱、蒸汽加熱以及水乙二醇加熱,具體實施方案根據不同項目情況而定。該三種加熱方式的對比見表2。

表2 集液盒加熱方式對比

每個集液盒內設有溫度傳感器,用于監測集液盒的溫度變化,當盒內溫度降低到設定值時,則啟動加熱系統,加速集液盒內泄漏液體的氣化。

1.4 B型艙安全系統

1.4.1 氮氣系統

氮氣系統主要用于向B型艙泄漏通道提供密封氣,并根據IGF Code要求對燃料艙處所提供氮氣進行惰化,降低該處所的環境大氣含氧量,同時用于用氣設備和相關LNG管路的吹掃。

考慮到萬一存在泄漏,氮氣系統還需向B型艙泄漏通道以及燃料艙處所進行補氮,為保障氮氣系統正常運行,本船氮氣系統考慮冗余配置,即每臺氮氣發生器配置獨立空壓機,若一臺氮氣發生器或空壓機發生故障,還有備用氮氣發生器及空壓機可以使用,保持氮氣系統依然在工作,見圖4。

圖4 氮氣系統

1.4.2 可燃氣體探測系統

根據IGF Code要求,需對可能存在液化天然氣泄漏的處所設置固定式可燃氣體探測系統。與燃料艙相關的可燃氣體探頭應布置在如表3所示的處所內。其中,針對燃料艙接頭處所,當可燃氣體濃度達到20%時應觸發聲光報警;當兩個可燃氣體探頭探測濃度達到40%時則觸發安全系統,燃氣主閥相應關閉。

表3 B型艙相關可燃氣體探頭布置處所

2 B型艙BOG處理方式

B型艙為非承壓容器,其設計壓力一般不超過0.07 MPa,蓄壓時間短,但LNG在船上的儲存不可避免地會產生多余BOG蒸發氣(Boil Off Gas),對LNG燃料艙艙壓造成一定程度的影響。因此,針對B型艙,選擇合適的BOG處理方式對于整個供氣系統的穩定性和船舶安全性至關重要。根據規范要求,BOG處理方式的選擇,應能使燃料艙的壓力在燃料艙壓力釋放閥的設定壓力以下至少維持15 d。

本船配置1臺雙燃料主機、3臺雙燃料發電機組以及1臺雙燃料組合鍋爐。其中,推進主機選取了德國曼恩公司(MAN-ES)的雙燃料高壓發動機,該機型的燃氣供給壓力為30 MPa,而雙燃料發電機供氣壓力約為0.6～0.9 MPa,雙燃料組合鍋爐的供氣壓力則為0.4～0.6 MPa。該船配置低壓常溫BOG壓縮機,將燃料艙內產生的BOG經BOG壓縮機供至雙燃料發電機組和雙燃料組合鍋爐,以此處理艙內BOG,降低艙壓。

由于正常航行時,只需運行一臺雙燃料發電機組,無法消耗艙內產生的全部BOG。因此,只能通過雙燃料組合鍋爐燒掉燃料艙內多余的BOG,確保維持較低艙壓。在此過程中,鍋爐燃燒BOG會產生大量蒸汽。根據蒸汽平衡計算,該模式下產生的蒸汽量超出船上正常所需蒸汽耗量,這部分蒸汽只能通過鍋爐過量蒸汽泄放閥泄放至大氣冷凝器,經冷卻回到熱井[9]。此外,為了更好地處理艙內BOG,雙燃料組合鍋爐還配置了“Free flow”功能,即BOG經加熱后可直接供雙燃料組合鍋爐燃燒,無需通過BOG壓縮機增壓,確保艙壓較低時也能及時處理艙內BOG。BOG處理系統見圖5。

圖5 BOG處理系統

經綜合對比,本船的B型艙配置采用雙燃料組合鍋爐作為處理艙內多余BOG的方式最為簡單可靠,經濟性更佳。

3 結論

現階段,針對新型B型艙圍護系統的應用和設計研究成果相對較少,本文基于9 200箱雙燃料集裝箱船新型B型燃料艙圍護系統,進行了系統設計和設備布置研究,同時對比了LNG泄漏擴散處理方案,分析了作為非壓力容器的B型艙BOG處理方式。此圍護系統的設計符合IGF Code和船級社相關規范的要求,能保證系統相關工藝流程設計要求,為后續其他大型LNG 動力船的B型艙圍護系統設計提供參考和依據。

1)經過研究,新型B型艙圍護系統艙容利用率高,相較于其他獨立液艙安全性和可靠性更佳,可同時應用于LNG運輸船和LNG動力船,具有很好的應用前景。

2)分析LNG泄漏擴散的不同處理方案,后續應考慮進一步通過LNG泄漏擴散分析,進行LNG燃料艙處所內的溫度場計算,驗證氣化后的BOG擴散是否會對船體結構造成低溫影響,并優化風機選型。

3)新型B型艙設計壓力低于0.07 MPa,選擇合適的BOG處理方式控制艙壓則尤為重要。通過對比,針對ME-GI雙燃料主機,若B型艙內多余的BOG 無法消耗,既可通過配置“Free Flow”功能的雙燃料組合鍋爐消耗BOG,該方案為最經濟有效的BOG處理方式。