李博洋，邱力強，田東方，于成龍

(1．青島遠洋船員職業(yè)學院機電系，山東青島266071;2．中遠集團研發(fā)/技術中心，北京100031;3．中國科學院海洋研究所，山東 青島266068)

0 引言

當前國際石油價格忽高忽低，船舶燃油燃燒排放的SOx和NOX不能達到國際新公約有關限制排放區(qū)域的要求，而且每年都新增很多的限制排放區(qū)域，對船舶排放的要求越來越高。解決此問題有2個途徑:一是采用船舶尾氣處理裝置，這種方法效率低，成本高;二是采用新能源 LNG，沒有 SOx，而且NOX會下降很多，這種方法對于解決船舶排放較為理想，成本低，符合全球能源的發(fā)展趨勢。但目前LNG作為船舶燃料主要應用在近海渡輪和小型內河船上，大型遠洋商船很少使用，原因是燃料艙布置、供氣管線的設計、蒸發(fā)氣的處理、PBU的控制以及加注等技術難題需要不斷解決或完善，針對上述問題下面進行探討和研究。

1 母型船

本研究選取某公司1艘典型30萬噸級油輪(VLCC)，選取航線為中東至國內。船舶主要參數如表1所示。

表1 VLCC船主要參數Tab.1 The main parameters of VLCC

選取船型和航線的主要依據是:1)船舶裝卸貨港相對比較固定即國內或中東國家的港口，并且中東、新加坡和國內都有LNG船裝貨站或接收站，未來更易解決LNG動力船燃料的加注;2)燃料消耗量大有利于提高經濟性和減排效果;3)VLCC船解決LNG燃料艙的布置比其他船型更容易實現(xiàn)，甲板上有充足的空間;4)航線比較固定，船舶每年靠泊的港口也相對固定，避免了不定航線和其他類型船舶掛靠港口多、隨意性強，可能解決不了LNG加注的問題。

2 燃料儲罐的設計

2.1 加注方案和燃料消耗計算

考慮到未來中東港口、國內港口和必經之地新加坡港都能進行LNG加注，并且按照降速航行 (主機負荷的70%計算)實際情況，航線情況如圖1，同時，考慮到VLCC船的安全性 (滿載情況下一般不在新加坡加注燃料)和LNG價格等因素，最終確定續(xù)航力按照32天計算 (中東加注1次，空載在新加坡加注1次)，并將32天船舶柴油機所消耗的燃油量換算成同等熱值的LNG數量，求出LNG的消耗數量為4 427.31 m3。

圖1 航線Fig.1 Ship route

2.2 燃料儲罐的設計

LNG燃料的儲存如果布置甲板之下會對貨艙的艙容產生一定的影響，并且在甲板之下密閉艙室往往通風不好，通常還需要加裝許多特殊的裝置以滿足各種規(guī)范的要求［2］。為此，針對上述問題，用2個C型獨立式全容儲罐作為LNG燃料艙布置在船舶上層建筑前面的主甲板上，設計的3D效果圖如圖2所示。另外，因該船寬60 m，能達到IGF規(guī)則中的在敞開式甲板的布置要求［3］。

圖2 LNG罐布置圖與3D效果圖Fig.2 LNG tank layout and 3D renderings

2.3 內壓容器結構計算

選取LNG儲罐內徑尺寸為Φ11 000 mm×20 000 mm，封頭采用標準橢圓封頭，據壓力容器的標準查得封頭總深度Hi=2 800 mm，通過下式計算:

式中:Di為內罐內徑;Hi為封頭總深度。由橢圓體計算公式，求出封頭體積:

式中:a，b為罐內徑的一半;a，b，c分別為橢圓各軸長的一半;c為橢圓封頭的深度Hi－h(huán)i。

由橢圓體體積計算公式和圓柱體計算公式得出罐的體積V=2 257.38 m3。

查相關規(guī)范得，9Ni鋼在低于20℃時的許用應力為252 MPa，由內圓筒壁厚計算模型:

式中:φ為焊接接頭系數;P為內圓筒設計壓力;［σ］為9Ni鋼的許用應力。

求出LNG罐內壁厚度 δ=14.56 mm，取值15 mm。同樣可得內壓橢圓封頭的壁厚δ1=14.57 mm，取值15 mm。

經過上述計算后 (按照最大裝載率考慮)［4－7］，設計儲罐的參數如表2所示。

3 燃料供給系統(tǒng)的設計

3.1 系統(tǒng)設計

為VLCC船設計的LNG動力供氣系統(tǒng)如圖3所示。儲罐內的LNG燃料駁出后，一路通過高壓泵增壓至30.0 MPa，再經過換熱器 (乙二醇溶液)加熱氣化至40℃變?yōu)闅鈶B(tài)天然氣送至主機 (ME－GI)，其中乙二醇溶液采用船舶主柴油機的缸套冷卻水或船舶蒸汽加熱［8］;另外一路由低壓汽化器加熱后直接送至發(fā)電柴油機 (DF－GE)，由于發(fā)電柴油機相對主機負荷較小，因此該路的LNG消耗量較小。此外，LNG在經高壓氣化器時釋放出大量冷能，可以考慮利用其LNG冷能，在高壓氣化器之前加設冷能利用裝置［9］。

系統(tǒng)中高壓泵、高壓氣化器、低壓氣化器、PBU、再液化裝置及2個LNG罐的主要管線布置在甲板上的供氣室內 (見圖2)，圖4為甲板上供氣示意圖。

圖4 甲板上供氣示意圖Fig.4 The LNG gas supply system in deck

3.2 BOG的處理措施

在實際船舶運營中，船舶機動航行、錨泊或者船舶大、小航修等情況下，由于LNG儲罐向外供應少量LNG消耗或者不消耗，此時儲罐內的LNG不斷從外界吸熱，產生BOG(蒸發(fā)氣)，導致儲罐的壓力上升，壓力超過安全閥起跳壓力，安全閥打開，LNG逸出，造成燃料浪費和大氣污染。針對這種情況有2種處理措施:1)在船舶機動航行或錨泊BOG產生量不太大時，可以通過VLCC船固有的輔鍋爐進行燃燒，從而無需為解決BOG問題設立專門的燃燒系統(tǒng)，大大減低了系統(tǒng)的改造成本;2)在船舶停泊時間較少或長時間修船，機艙的鍋爐停用時，可以通過小型再液化裝置對BOG進行再液化處理，同時也保證了無論船舶在何種情況，都不會出現(xiàn)將LNG儲罐內BOG排放至大氣的狀況，避免經濟損失和甲烷帶來的“溫室效應”。

3.3 壓力再建裝置 (PBU)

PBU用于維持LNG儲罐內有一定的正壓，保證將儲罐內的 LNG液體排出來［10］。如果機艙內主、副機的LNG燃料持續(xù)消耗量較大，此時儲罐內僅靠自然吸熱從外界獲得熱量產生的氣態(tài)天然氣的體積比排出去LNG的液體的體積小，就會引起LNG儲罐的壓力持續(xù)下降。當壓力太低，甚至負壓時，LNG液體排不出來，供氣失敗。當儲罐內部的壓力接近設定壓力值下限時，壓力信號會輸送到控制閥，PBU就會通過控制加熱汽化或者旁通供氣系統(tǒng)中部分氣體LNG流回儲罐，以保持儲罐內合適的壓力。

4 安全措施

LNG動力船供氣系統(tǒng)中的天然氣燃料是易燃易爆的氣體，在實際生產中一旦發(fā)生泄漏，將會對供氣管線周圍的處所產生潛在的火災或爆炸風險，因此，LNG的泄漏風險的防護是非常重要的。機艙外的管線發(fā)生輕微泄漏可以自然排放到大氣中，機艙內和供氣室的泄漏則較危險，需采用通風系統(tǒng)強制排放。

4.1 供氣管的通風

船舶主機的供氣噴射閥位于氣缸頭上，且為高壓供氣系統(tǒng)，噴射閥和供氣管全部采用雙壁管結構。用于通風空氣的進口由主機掃氣雙壁管出機艙處引出，其排風機應設在供氣管進入機艙之前的供氣管上，雙壁管內的空氣流向和燃氣流向相反。風機進氣口安裝在甲板上，且位置要保證安全區(qū)域的新風能被吸入，排出口的位置及高度符合中國船級社《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》的要求 (見圖5)。根據CCS相關規(guī)范:通風機應為防爆型，而且電機不能安裝在風道中，該空間的通風次數應至少大于30次/h。此外可在雙壁管中間加上幾個傳感器，用于泄漏測量及報警。

圖5 主機供氣管路通風Fig.5 Ventilation of supply pipe for main engine

發(fā)電柴油機供氣管路通風系統(tǒng)也類似，但是在每臺柴油機新風入口應加一只風量調節(jié)閥，便于調節(jié)進入每臺發(fā)動機供氣管通風空間的空氣量。

4.2 供氣室通風系統(tǒng)

供氣室屬于甲板上密閉艙室，內有各種LNG相關處理設備和一些閥件，容易發(fā)生泄漏，且伴有人員出入，所以供氣室需有一個獨立的排風裝置，將室內設備泄漏的氣體及時排出。風機進氣口安裝在甲板上，且位置要保證安全區(qū)域的新風能從外界吸入，排出口的位置及高度符合中國船級社《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》的要求，換氣次數為30次/h。此外，內部裝有氣體泄漏探測器，用于檢測報警。

4.3 加注站的防護

本船舶燃料加注站的設計屬于開放式，這樣氣體的泄漏通風條件較好［11］。不過在加注過程中，如果發(fā)生液體的泄漏，低溫液體碰到船體，就會造成船體鋼板脆性裂紋或斷裂，導致船體破損的大事故，為了避免發(fā)生此現(xiàn)象，在加注接頭的下方設有耐低溫不銹鋼制成的承接盤。與此同時，在LNG加注過程中，應對儲氣罐壓力和液位進行一定監(jiān)測，設有自動切斷裝置和高液位報警。此外，加注站加注接管靠近加注船或通岸接頭處應串聯(lián)一個遠控截止閥和一個手動截止閥，以備緊急之用。

5 結語

1)對LNG動力船研究提出了VLCC作為母型船其船型和航線的依據，計算出燃料消耗量和LNG的換算，根據航線和LNG價格確定了加注港和續(xù)航時間，確定儲罐的容量后并對其進行選型和結構尺寸計算。

2)對LNG動力船的燃料供給系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，針對儲罐內BOG導致的罐內壓力過高提出了解決方案，從而確保了船舶的經濟性并減少了溫室效應的排放;還闡述了采用PBU的原因和裝置的控制原理。

3)針對LNG泄漏可能導致潛在風險的發(fā)生，對供氣管、供氣室及加注站等方面設計進行了安全方面的考慮，通過對供氣管道和通風室內風機的合理布置、承接盤的合理選材及加注過程中的嚴格監(jiān)控確保船舶供氣系統(tǒng)的安全性。

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