基于某集裝箱船改造的甲醇燃料供應系統設計

中圖分類號：U664.12

文獻標志碼：A

Design of Methanol Fuel Supply System Based on Container Ships Retrofit

YUAN Shan， HE Shouan， LIANG Zhanxin， LUO Donghao，FU Qinling（，，511400，China）

Abstract： This paper focuses on the methanol fuel supply system design for a container ship retrofit. Considering therequirement to shorten the renovation period，a modular design schemefor the methanol fuel supply system is proposed.The paper elaborates on the system compositionand functionality，which canserve as areference for similar ship retrofits.

Key words：methanol; retrofit; container ship； fuel supply system

1 引言

近年來，由于能源危機以及環境污染等問題日益嚴峻，國際海事組織減排目標正式啟動。海運行業作為全球貿易的主要運輸方式，占國際貿易總量的80～90% ，每年排放約10億噸溫室氣體，占全球總排放的 3%^[1] 。傳統船舶使用的化石燃料硫含量高，導致溫室氣體和硫化物的排放問題突出，航運業面臨巨大的碳減排壓力。為此，隨著國際海事組織減排目標正式實施，各國紛紛出臺政策推動船舶行業綠色發展，我國也提出了以清潔能源為核心，結合動力技術和能效技術的綜合減排路徑。甲醇作為一種清潔燃料，具有易溶于水、可生物降解、不含硫、能有效減少 CO₂ 排放的優點，且常溫下為液態，便于儲存和運輸，只需對現有基礎設施進行低成本改造即可廣泛應用。因此，甲醇作為船舶低碳燃料在航運業中迅速發展。

本文基于某集裝箱甲醇替代燃料改造項目，分析了甲醇燃料供給系統的改裝設計方案。

2 改造方案

2.1改裝船概況

本集裝箱船改造項目，原船長 368m 、型寬 51m 設計航速 22.5kn 。原燃料系統以傳統化石燃料為主，配備常規燃油艙、燃油供應及輸送設備。此次改造旨在將甲醇作為替代燃料，提升船舶環保性能。改造目標是在滿足船舶動力需求的同時，顯著降低溫室氣體和硫化物排放，符合國際海事組織減排標準。

改造范圍涵蓋甲醇燃料艙、加注系統、駁運及供給系統、惰氣系統等多個甲醇燃料供應相關系統。占用250個貨艙箱位改造成甲醇艙，獲取 10000m³ 艙容;重新規劃燃料加注、輸送、監測及安全保障等系統，確保甲醇燃料在存儲、加注、使用過程中的安全與高效。

2.2甲醇供應系統改造方案

為縮短改造周期，采用模塊化的設計理念，將整個甲醇改造分成多個單元模塊（如甲醇艙、透氣槍模塊、燃料準備間模塊、日用柜模塊等），每個單元模塊均可在船舶進廠改造前完成預制。具體改造項目如表1所示。

3集裝箱船甲醇燃料供應系統

本船在原始設計和建造時已經為船舶替代燃料的改造做必要的預留工作，包括燃料艙區域的預留，燃料準備間位置的預留和通風、管系等必要的預留。改造后的甲醇燃料供應系統主要包括甲醇燃料供應單元、燃料艙監測系統、惰氣系統以及甲醇發動機，其布置如圖1所示。系統將甲醇燃料艙的甲醇供應到日用艙，日用艙中的甲醇燃料經過增壓過濾處理后，通過主機燃料閥組供給到主機，確保主機的穩定運行。在集裝箱船甲醇供應系統改造中，為了減小施工技術難度，縮短船臺周期，各單元應放置于臨近的區域并靠近機艙以簡化管系布置。

注：A為甲醇燃料艙；B為甲醇日用艙amp;燃料準燃油艙備間；C為燃油艙；D為機艙；E為通風系統。

甲醇燃料供應系統子系統與外部設備交互關系如圖2所示。

4甲醇燃料艙及監測系統

4.1甲醇燃料艙

集裝箱船的甲醇燃料艙有多種配置方案：1）將集裝箱船原燃料艙改為甲醇艙；2）除方案1）將原燃料艙改為甲醇艙外，還將部分壓載艙改為甲醇艙；3）原船燃料艙室不變，將部分集裝箱位改為甲醇艙；4）通過增加船長增加甲醇艙。顯然，方案1）會大大降低船舶航程，方案2）需增加深井泵，提高了成本，方案3）減少了載貨量，方案4）改造費用巨大，綜合考慮，方案3）經濟性較好，改造的部分燃料艙如圖3所示。

由圖3可知，沿船寬方向分割3個艙，設置3臺液壓潛液泵，實現儲艙分隔。同時，在艙底設置互聯管路，確保實現液壓潛泵的備用功能。在燃料艙改造中，為了確保在燃料艙結構失效的情況下，易燃和有毒的甲醇不會在其他空間擴散，燃料艙周圍均設置隔離空艙且對燃料艙及周圍區域做防火絕緣處理。

4.2甲醇燃料艙監測系統

甲醇燃料艙的監測系統是確保燃料存儲與使用安全的關鍵組成部分，該系統通過集成多種傳感器，實時監測燃料艙內的壓力、溫度、液位、甲醇濃度等關鍵參數。傳感器網絡將數據傳輸至中央控制單元，對系統報警值進行設定，能夠及時識別潛在風險，如泄露或壓力異常，并出發預警機制。甲醇燃料艙監測系統的主控單元，考慮安裝在集裝箱船的駕駛室和集控室，方便值班人員進行監測和操作。

5甲醇燃料加注系統

圖4為甲醇燃料加注模塊，甲醇燃料艙的加注接頭的閥門VL應當具有手動截止與遙控截止功能，保證緊急情況下無論人員是否在場均可對燃料加注進行控制。在燃料加注管路上應串接有第二過濾器，以過濾掉來自加注燃料的雜質，提高燃料純凈度。另外，燃料艙設置兩套液位報警，互為備用，以防在一套發生故障時產生燃料加注溢出事故。加注管的氮氣注入作用是在燃料加注前后對加注管路進行惰化處理。

6 甲醇燃料供應單元

甲醇燃料供應單元的主要作用是將燃料艙內的甲醇經過增壓加熱、多級過濾等處理后輸送至甲醇發動機中燃燒使用。不過，由于甲醇供應單元的內部處理模塊較多，會導致甲醇供應過程中安全風險大大增加，因此其在安全保障上也需采取一系列安全防護措施。

圖5為甲醇燃料供給單元系統圖，其主要包括甲醇燃料艙、甲醇駁運泵及主閥、燃料閥組單元、甲醇發動機及甲醇回收單元，每個模塊由甲醇燃料供給管路依次連接，最后的甲醇回收單元又回接到甲醇燃料艙。從燃料準備間至機艙主機之間的管路采用雙壁管，設置抽風機對雙壁管環形空間進行持續機械通風，在雙壁管的環形空間設置氣體探測器，當有甲醇泄露時能及時檢測并發出報警信號

在甲醇燃料供給單元中，甲醇駁運泵與甲醇燃料艙相連，由泵將甲醇燃料艙中的甲醇抽出，通過燃料主閥輸送至燃料閥組單元。甲醇駁運泵與主閥之間還設有回流支路，其通斷由壓力控制閥控制，另一端連接到甲醇燃料艙，對應安裝的第一壓力變送器S則位于泵與壓力控制閥之間的管路上。當由泵輸送甲醇燃料在管道內壓力過大時，壓力變送器控制壓力控制閥打開，通過回流支路將燃料自動回流至甲醇艙中，以維持管道內甲醇輸送壓力始終在閾值之下。

燃料閥組單元一般情況下安裝在燃料準備間，閥組單元的控制部分和甲醇發動機一起布置于機艙內，閥組單元的組成部分包括手動閥VS、第二壓力變送器S2、第一過濾器F1、供液主閥VM1、第三壓力變送器S3、第一流量計L1、調壓閥VP和第四壓力變送器S4，其間通過甲醇輸送管路依次連接，一起集成在密閉容器之中，為甲醇發動機提供合適壓力和流量的甲醇燃料。

圖6為閥組單元示意圖，手動閥VS用于隔離閥組單元與前路甲醇供給管路的聯系，當閥組單元機后路的甲醇發動機單元需要維護和檢修時，手動關閉閥VS可保證檢修安全；供液主閥VM1是閥組單元的核心閥，用于控制甲醇燃料的供液和停止。第一流量計L1用于監測整個甲醇燃料供給系統的甲醇燃料供給量，壓力控制閥VP用于調節供給甲醇發動機的燃料供給壓力，其開合由第四壓力變送器控制，當閥組單元管路出口壓力值超過設定值，則壓力控制閥VP減小開度，增加管路阻力，限制甲醇流量，從而降低下游壓力。同時，回流支路的壓力控制閥可能同步開啟，將多余甲醇回流至甲醇艙，進一步穩定壓力。當出口壓力低于設定閥值時，壓力控制閥VP增大開度，減少管路阻力，允許更多甲醇通過。此時，甲醇駁運泵需提供足夠的揚程（壓力）以滿足流量增加的需求。在閥組單元密閉容器底部設置有液位開關，當液位開關檢測到管路有燃料泄露時，系統立即緊急停止。

甲醇回收單元包括回液主閥VR、第二流量計L2、熱交換器TH和溫度變送器T，通過管路依次相連，其結構如圖7所示。

甲醇發動機通過前端回液管路與回液主閥VR相連，溫度變送器T通過后端回液管路與甲醇燃料艙相連。回液主閥用于控制燃料回收管路的開合，當需要對回收管路單元進行檢修維護時，可關閉主閥以保證安全。第二流量計L2用于監測燃料回收量，且通過第一流量計和回液流量計的差值可以精確計算甲醇發動機得燃料消耗量。在甲醇回收單元中設置有熱交換器，其主要作用是將從發動機回收的高溫甲醇燃料進行冷卻處理，保證甲醇艙內的燃料溫度正常，熱交換器有進出兩個接口，用于冷卻液的循環作用。經過熱交換器處理的甲醇燃料經過溫度變送器T檢測，若溫度正常，則將燃料回收至甲醇艙，若燃料溫度異，則發出報警，緊急停止甲醇回收單元繼續工作。

通過設置泄放閥組和管路氮氣輸入接頭，當供應系統停機或緊急跳閘時，可以將甲醇供應單元內殘留的甲醇燃料排出，防止將殘留的甲醇燃料反方向吹回至甲醇艙后因壓力升高導致危險事故發生的問題，保證了供應系統的安全性。經過集液盤收集排出的殘留甲醇可進行回收后處理，這也減少甲醇燃料的浪費。

7惰氣系統

船舶惰氣系統主要作用是為了給全船提供惰化所需的壓縮氮氣，并進行監測調節。

甲醇燃料供應系統中設置有兩套惰化系統，由氮氣瓶提供壓縮氮氣，分別接到甲醇燃料艙以及管路的惰化氣體輸人接頭，向燃料艙或管路內充氮。在功能實現上，兩套系統有所區分，管路充氮系統主要為手動控制，在加注作業前后人為操作，而燃料艙充氮主要為自動控制，燃料艙內設置有氧氣傳感器，燃料艙內的氧氣濃度決定著燃料艙充氮系統工作與否。當燃料艙內氧氣濃度超過設定值時，為了保證燃料安全，自動打開氮氣瓶至燃料艙的充氮電磁閥，自動補充氮氣，稀釋燃料艙內氧氣濃度。當氧氣濃度降低到設定氧氣濃度閾值之下，則電磁閥關閉，停正充氮。圖8為甲醇燃料惰氣系統圖。

8 電氣控制、監測和安全系統

電氣控制、監測和安全系統是確保甲醇燃料供應系統安全、可靠運行的核心部分。系統不僅需要滿足甲醇燃料的要求，還需與原船的電氣系統無縫集成，確保整體運行的協調性和安全性。

8.1控制系統

甲醇燃料供應系統的控制系統主要包括主控單元、遠程控制、自動化控制邏輯。主控制單元安裝在集控室，負責整個甲醇燃料供應系統的集中控制和監控，通過冗余通信網絡與各子系統（如燃料閥組單元、惰氣系統、監測系統等）進行數據交換，實現實時控制和狀態反饋。遠程控制站便于駕駛室和機艙值班人員對甲醇燃料供應系統進行遠程操作和監控。控制系統根據預設的邏輯自動調節甲醇燃料的供應壓力、流量和溫度。

甲醇燃料供應系統的人機界面（HMI）安裝在集控室和駕駛室，為操作人員提供直觀的系統狀態顯示和操作功能。HMI界面實時顯示液位、壓力、溫度、氧氣濃度等關鍵參數，并提供歷史數據查詢、報警記錄和操作日志功能，便于故障排查和系統維護。

8.2監測系統設計

監測系統用于實時監控甲醇燃料供應系統的運行狀態，在甲醇供應流程中布置傳感器進行實時監測。關鍵傳感器（如液位計、氧氣分析儀）應采用雙冗余配置，確保可靠性。傳感器網絡布置如表2所示。

8.3安全系統

甲醇燃料供應系統的安全系統旨在預防和應對甲醇泄漏、火災等緊急情況，主要包含氣體探測系統、消防系統、緊急切斷系統（ESD）、惰氣系統聯動。

在甲醇艙、燃料準備間、機艙等危險區域安裝可燃氣體探測器（如甲醇蒸氣探測器），實時監測空氣中甲醇蒸氣濃度，當濃度超標時，系統觸發聲光報警并啟動應急通風系統。在甲醇艙和燃料準備間周圍設置水霧噴淋系統和干粉滅火裝置，當火災探測器檢測到火情時，系統自動啟動滅火裝置，同時向集控室和駕駛室發送報警信號。在甲醇艙、燃料準備間和機艙的關鍵位置設置緊急切斷閥，當系統檢測到泄漏、火災或其他緊急情況時，ESD系統自動關閉所有切斷閥，停止甲醇供應。惰氣系統與控制系統聯動，當氧氣濃度超標或系統檢測到潛在危險時，自動啟動惰氣裝置，向甲醇艙和管路充入氮氣，確保系統處于惰性狀態。

8.4電氣系統集成

甲醇燃料供應系統的關鍵設備（如主控制單元、風機、泵等）采用雙路供電設計，分別接入主配電板和應急配電板，確保在主電源故障時系統仍能正常運行。甲醇燃料供應系統與原船的AMS系統、閥控系統、消防系統等通過冗余通信網絡進行信號交互，確保數據實時傳輸和系統協同運行。甲醇供應系統框架圖如圖9所示。

在危險區域（如甲醇燃料艙、燃料準備間）的電氣設備采用防爆設計，并確保所有設備可靠接地，防止靜電或電火花引發危險。

聲光報警器燃料準備間燃氣探測、報警 閥控箱1號 風機、泵組合啟動屏1號機艙 液位探測、報警 閔控箱2號 風機、泵組合啟動屏2號火警探測

9 結語

本文緊扣集裝箱船甲醇燃料供應系統改造的需求，通過將甲醇燃料艙、加注系統、供應單元進行模塊化集成設計，在滿足船東對貨運能力需求的情況下盡可能降低裝箱損失，實現了燃料系統的高效布局與空間優化。在安全防護方面，引入雙壁管通風監測、多在安全防護方面，引入雙壁管通風監測、多級壓力智能調節以及惰氣濃度自適應控制技術，有效降低了甲醇泄漏、壓力異常等風險；同時，利用冗余傳感器網絡與自動化控制系統，確保關鍵參數的實時精準監測與動態響應。該方案不僅驗證了甲醇燃料在船舶動力系統中的工程適用性，更為航運業應對低碳轉型壓力提供了可行的技術路徑。

參考文獻

[1]Naya Olmer，Bryan Comer，Biswajoy Roy.GreenhouseGasEmissions from Global Shipping，2O13-2O15[R].Washington DC： International Council on Clean Transportation（ICCT），2O17：2-3.