淺談甲醇-柴油雙燃料船舶燃料系統設計

劉靖宇 王正鈞

摘? ? 要：為減少日益嚴重的船舶排放污染，甲醇作為一種清潔燃料，已被越來越多的用于船舶燃料。本文主要介紹我司甲醇-柴油雙燃料船舶甲醇燃料系統設計要點。

關鍵詞：甲醇；雙燃料；系統；設計；船舶

中圖分類號：U664.16 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Discussion on Design of Methanol Diesel Dual Fuel Ship System

LIU Jingyu，? WANG Zhengjun

（ Jianglong Boat Technology Co.， Ltd.，? Zhuhai 519000 ）

Abstract： In order to reduce the increasingly ship emission pollution， methanol， as a kind of clean fuel， has been used more and more as ship fuel. This paper mainly introduces the main points of the design of the methanol fuel system of methanol diesel dual fuel ships for our company.

Key words： methanol; dual fuel; system; design; ship

1? ? ?前言

當今船舶排放污染問題日益嚴重，綠色環保越來越受到世界各國的重視，相繼出臺各種法規限制船舶的排放。繼《國際海事組織》IMO發布船舶“排放控制區”、“硫排放控制區”后，我國也公布了珠三角、長三角、環渤海水域船舶“排放控制區”，并發布了一系列法規規范船舶的排放標準[1]。

甲醇是清潔能源，其閃點較低、易燃、易爆、有毒，在用作船舶燃料時需做好十足的安全防護措施。

本文介紹甲醇燃料加注、儲存、供應等系統的設計、甲醇泄漏的探測、通風、控制、消防等安全系統，使船舶能穩定、安全的營運。

2? ? ?甲醇燃料的特點

甲醇燃料不含硫和顆粒，甲醇發動機的硫與顆粒的排放可降低80%～90%[2]，能夠比較容易的達到或超過現有的排放限值。

我司與玉柴股份聯合天津大學，共同研發了甲醇-柴油雙燃料船舶[3]，應用雙燃料壓燃式工作模式，95%的甲醇燃料做主燃料，5%的柴油做引燃劑，兩種燃料的混合物經壓燃發火做功，使甲醇替代率可達50％，甲醇對柴油的替換率（應用甲醇后替換下的柴油折合量）＜2.0（替換下的單位柴油等熱值的甲醇量）。甲醇燃燒時，可以大幅度減少炭煙生成，改善了排放的品質。

本船應用柴油甲醇組合燃燒技術（DMCC），即起動用柴油，等充分暖車后采用柴油—甲醇二元燃料燃燒的方法，避免了甲醇不易著火的特性，又使二元燃料燃燒的特點得到充分發揮。

我國是個貧油、少氣、富煤的國家，甲醇作為煤化工的衍生產品非常豐富，采用甲醇燃料替代柴油、重油燃料，具有重要的意義。

3? ? 甲醇燃料系統設計

3.1? 甲醇燃料箱

本船采用耐腐蝕的奧氏體不銹鋼[4]材料制成甲醇燃料箱儲存甲醇燃料。甲醇燃料箱位于主甲板艉部的開敞甲板上，用固定支架做支撐，周圍設置圍板，防止甲醇燃料箱因意外碰撞而造成損壞；箱體下方設有集液盤，能收集可能泄漏的燃料；集液盤下方設有止回閥和管路，直接泄放至污燃料油柜，如圖1所示。

甲醇燃料箱設有壓力/真空閥（PV閥），當箱內壓力增加達到壓力/真空閥壓力端開啟壓力，則壓力閥開啟，氣體以不小于30 m/s的速度垂直向上排出；當壓力降低，不足支撐氣體以30 m/s的速度排出時，則自動關閉，防止火星進入燃料箱。

當燃料箱內壓力降低達到真空閥開啟壓力，則真空閥開啟，吸入空氣，以平衡艙內的壓力。壓力/真空閥真空端設有不銹鋼防火網，也可防止火星進入燃料箱。

3.2? 甲醇燃料注入系統

本船燃料箱位于主甲板開敞位置，在燃油箱旁邊設有燃料加注站，加注站距離上建生活區的距離大于5 m，以保證加注甲醇燃料泄漏時不會對居住環境造成影響；加注管路和閥件采用316 L不銹鋼。

甲醇燃料注入采用標準注入接頭，接頭后設有一個手動截止閥和一個氣動遙控截止閥，以確保在緊急情況下可就地關閉，也可遙控關閉；同時，在燃料箱上設有高位報警和高高位報警，設置兩道報警系統，以確保當其中一個故障時，不會造成燃料加注時溢出危險的發生。

燃料加注管路上還設有惰化和掃線專用的快速接頭和止回閥，在加注燃料之前對加注管路進行充氮惰化，以排出管內可能存在的氧氣；在燃料加注完成后，再次對燃料加注管路進行充氮，以將管內殘存的燃料吹掃入燃料箱內。

燃料加注管路上設置常閉截止止回閥，在充氮掃線結束后打開此閥，讓可能存在于加注管路內的殘存燃料泄放至污燃料油柜，然后拆卸燃料加注接頭完成加注。

甲醇燃料注入系統圖，如圖2所示。

3.3? ?甲醇燃料供應系統

甲醇燃料管在進入機艙之前，使用耐腐蝕的不銹鋼316 L管做輸送管路，輸送管路除有閥件和附件的地方使用法蘭連接外，其他地方均采用全焊接結構，以防止管路的泄漏。

燃料從主甲板燃料箱重力輸送至底部燃料準備間[5]（泵閥間），甲醇燃料輸送管系上的甲醇泵、甲醇濾器、閥件等帶有接頭容易造成泄露的閥附件，均設置于燃料準備間中，接頭下方設置集油盤，并設置止回閥和泄放管系自動泄放至污燃料油柜。

從燃料準備間至機艙主機之間的管路采用雙壁管，雙壁管內外均采用316 L不銹鋼，外管和內管焊接為一體，中間形成氣密空間，在外管前后兩端設置惰化接頭，初次使用之前，使用氮氣惰化系統對雙壁管中間進行驅氣惰化，以降低氧氣含量；在雙壁管外管上設置壓力表和壓力傳感器，以保證雙壁管中間惰性氣體的壓力大于燃料管路設計壓力，當惰性氣體的壓力低于內管設計壓力時發出警報，以便檢查管路是否有泄漏，并及時補充氮氣；外管上設有泄放管路和截止止回閥，能將可能產生的泄漏自動泄放至污燃料油柜。

每臺發動機的燃料供應管路上，設有1 個氣動遙控截止閥和1 個手動截止閥，確保在發動機維修期間能進行安全有效的隔離；另外，在整個燃料供應管路上設置惰化接頭，在初次使用之前使用氮氣對所有的管系進行惰化。

甲醇燃料供應系統圖，如圖3所示。

3.4? ?甲醇燃料惰化系統

本船設有2套氮氣瓶、減壓閥和管路等，為全船提供惰化所需的壓縮氮氣。

2套惰化系統：一套為手動惰化系統，即每次加注、掃艙或管路惰化時，采用連接氮氣瓶的軟管接至燃料箱或管路的惰化快速接頭，向管路或箱體手動充氮；另一套為自動惰化系統，使用于燃料箱，燃料箱設有氧氣濃度傳感器，當氧氣濃度達到設定濃度時打開連接氮氣瓶至燃料箱管路上的電磁閥，自動向燃料箱內補充氮氣，以降低箱內的氧氣濃度；當氧氣含量達到設定的低濃度時，關閉電磁閥停止供氮，以保證燃料箱的惰化效果。

甲醇燃料惰化系統圖，如圖4所示。

3.5? ?氣動遙控站

本船在主甲板上建艙壁旁設有1套氣動速閉閥控制箱，箱體上設有壓縮空氣瓶和多個接口，可將壓縮空氣接至各個需要遙控操作的氣動速閉閥上，以實現緊急情況下的遙控關閉。

3.6? ?淋浴和洗眼站

上建后艙壁布置有供緊急情況下使用的淋浴和洗眼站，淋浴和洗眼站在所有情況下都可以操作和使用，以降低任何誤操作和泄漏對船員人生安全的影響。

3.7? ?防火防爆及消防安全

燃料準備間作為防火防爆處所，燃料準備間和機艙采用A-60級防火分隔，面向甲醇燃料箱的上建界限面采用A-60級防火分隔。

本船消防區域分為三類：

（1）水消防

主甲板所有區域使用常規水消防，機艙設有一臺消防水泵，可供全船所有消防水所需；全船設有3只水柱、水霧兩用型消防水槍，可噴射消防水到全船甲板所有失火區域。

（2）水噴淋消防系統

上建及上建到甲醇燃料箱之間的有人區域，額外設置一套水噴淋消防系統，當甲醇泄露有毒氣體擴散時，可開啟本區域的水噴淋消防系統，噴射的水霧可使甲醇氣體溶于其中，保證不被人體呼吸吸入。

（3）抗醇泡沫滅火系統

由于常規泡沫滅火和高壓CO2滅火系統在甲醇做燃料的環境下已無法適用，本船特設置抗醇泡沫滅火系統，可在此環境下及時撲滅機艙或燃料準備間的火災。

本船設置抗醇泡沫罐[6]和泡沫泵間一個，并設置相應管路通向機艙和燃料準備間，在艙內設置泡沫噴頭，當機艙或燃料準備間失火時，起動泡沫泵抽泡沫罐內的泡沫與水混合后撲滅火災并吸收可能泄漏的甲醇。

抗醇泡沫滅火系統圖，如圖5所示。

3.8? ?通風透氣

機艙設有兩臺大流量軸流風機，為機艙中推進主機和發電柴油機提供燃燒所需空氣，以及排出機艙多余熱量和可能會出現的甲醇燃料氣體。

料準備間與周圍艙室的限界面設計成氣密和水密，以防止準備間內氣體進入相鄰艙室；燃料準備間內設有2臺由主配電板直接獨立供電的防爆型軸流抽風風機（一用一備），每小時的換氣量大于30次，能完全排出燃料準備間中甲醇供應管路上設置的閥件、附件等溢出的甲醇氣體；房間內安裝有甲醇氣體濃度探測器，用以探測可能泄漏的燃料。

3.9? ?檢測報警與自動控制系統

本船設有一套新型甲醇氣體檢測報警系統[7]。通過該氣體檢測報警系統，可檢測甲醇儲存和輸送管路的安全情況，并將檢測數據傳送至控制站、岸基和移動電子設備，實現實時監控。當檢測到隔離空艙內甲醇濃度超標、雙壁管內甲醇濃度超標、甲醇液體泄漏等危險情況時，可自動切斷甲醇燃料供應；另外，設有自動惰化系統，可根據艙內氧氣濃度，自動對甲醇燃油艙進行惰化。

甲醇氣體檢測報警系統，由駕駛室監測顯示系統、信號收集系統、若干個監測報警單元及無線網絡傳輸系統組成，駕駛室監測顯示系統與機艙信息收集系統電信號連接，監測報警信號網采用高速冗余環網結構，分布于各個甲醇燃料儲藏及使用場所，若干個所述監測報警單元均通過所述控制信號網與所述機艙信息收集系統電信號連接，可通過4G/5G無線網絡傳輸系統采用最新網絡技術將各個監測報警單元的內容傳控制站、岸基和移動電子設備，使甲醇作為船舶燃料的使用上，更加安全。

4? ? 總結

以上各系統，可以保證甲從注入到使用過程的安全、甲醇艙內壓力的平衡、氧氣濃度的含量控制，防止可燃有毒甲醇的聚集，還能在發生泄漏和火災時進行有效的控制，保證甲醇作為船舶燃料在整個使用過程中的安全可靠。該系統的設計滿足中國船級社CCS《船舶應用甲醇乙醇燃料指南》2022的要求。

參考文獻

[1]船舶發動機排氣污染物排放限值及測量方法實施指南[S]. 北京：中國船級社， 2018.

[2]袁世春.甲醇燃料船試驗方案分析[J].世界海運， 2017（04）.

[3]戚朋哲，劉高令，王雙波，宋印東.柴油機燃用甲醇柴油的研究現狀[J].?科技資訊， 2017（04）.

[4]李方晨，于朋，金賢. 30 000 DWT不銹鋼化學品船液貨系統設計[J].船舶工程， 2015（11）.

[5]船舶應用甲醇乙醇燃料指南[S]. 北京：中國船級社， 2022.

[6]王鵬.抗醇泡沫滅火劑在水溶性有機溶劑表面鋪展能力的實驗研究[J].火災科學， 2015（12）.

[7]徐小蘭.大氣中甲醇監測分析方法的探討[J].科技信息， 2010（35）.