李博洋，邱力強(qiáng)，田東方，于成龍

(1．青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院機(jī)電系，山東青島266071;2．中遠(yuǎn)集團(tuán)研發(fā)/技術(shù)中心，北京100031;3．中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，山東 青島266068)

0 引言

當(dāng)前國(guó)際石油價(jià)格忽高忽低，船舶燃油燃燒排放的SOx和NOX不能達(dá)到國(guó)際新公約有關(guān)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(duì)船舶排放的要求越來(lái)越高。解決此問(wèn)題有2個(gè)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(méi)有 SOx，而且NOX會(huì)下降很多，這種方法對(duì)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(shì)。但目前LNG作為船舶燃料主要應(yīng)用在近海渡輪和小型內(nèi)河船上，大型遠(yuǎn)洋商船很少使用，原因是燃料艙布置、供氣管線的設(shè)計(jì)、蒸發(fā)氣的處理、PBU的控制以及加注等技術(shù)難題需要不斷解決或完善，針對(duì)上述問(wèn)題下面進(jìn)行探討和研究。

1 母型船

本研究選取某公司1艘典型30萬(wàn)噸級(jí)油輪(VLCC)，選取航線為中東至國(guó)內(nèi)。船舶主要參數(shù)如表1所示。

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

選取船型和航線的主要依據(jù)是:1)船舶裝卸貨港相對(duì)比較固定即國(guó)內(nèi)或中東國(guó)家的港口，并且中東、新加坡和國(guó)內(nèi)都有LNG船裝貨站或接收站，未來(lái)更易解決LNG動(dòng)力船燃料的加注;2)燃料消耗量大有利于提高經(jīng)濟(jì)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(shí)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(duì)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(qiáng)，可能解決不了LNG加注的問(wèn)題。

2 燃料儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)

2.1 加注方案和燃料消耗計(jì)算

考慮到未來(lái)中東港口、國(guó)內(nèi)港口和必經(jīng)之地新加坡港都能進(jìn)行LNG加注，并且按照降速航行 (主機(jī)負(fù)荷的70%計(jì)算)實(shí)際情況，航線情況如圖1，同時(shí)，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(jià)格等因素，最終確定續(xù)航力按照32天計(jì)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(jī)所消耗的燃油量換算成同等熱值的LNG數(shù)量，求出LNG的消耗數(shù)量為4 427.31 m3。

圖1 航線Fig.1 Ship route

2.2 燃料儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)

LNG燃料的儲(chǔ)存如果布置甲板之下會(huì)對(duì)貨艙的艙容產(chǎn)生一定的影響，并且在甲板之下密閉艙室往往通風(fēng)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(duì)上述問(wèn)題，用2個(gè)C型獨(dú)立式全容儲(chǔ)罐作為L(zhǎng)NG燃料艙布置在船舶上層建筑前面的主甲板上，設(shè)計(jì)的3D效果圖如圖2所示。另外，因該船寬60 m，能達(dá)到IGF規(guī)則中的在敞開(kāi)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(nèi)壓容器結(jié)構(gòu)計(jì)算

選取LNG儲(chǔ)罐內(nèi)徑尺寸為Φ11 000 mm×20 000 mm，封頭采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，據(jù)壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)查得封頭總深度Hi=2 800 mm，通過(guò)下式計(jì)算:

式中:Di為內(nèi)罐內(nèi)徑;Hi為封頭總深度。由橢圓體計(jì)算公式，求出封頭體積:

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

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

查相關(guān)規(guī)范得，9Ni鋼在低于20℃時(shí)的許用應(yīng)力為252 MPa，由內(nèi)圓筒壁厚計(jì)算模型:

式中:φ為焊接接頭系數(shù);P為內(nèi)圓筒設(shè)計(jì)壓力;［σ］為9Ni鋼的許用應(yīng)力。

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

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后 (按照最大裝載率考慮)［4－7］，設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐的參數(shù)如表2所示。

3 燃料供給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為VLCC船設(shè)計(jì)的LNG動(dòng)力供氣系統(tǒng)如圖3所示。儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG燃料駁出后，一路通過(guò)高壓泵增壓至30.0 MPa，再經(jīng)過(guò)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(jī) (ME－GI)，其中乙二醇溶液采用船舶主柴油機(jī)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(jī) (DF－GE)，由于發(fā)電柴油機(jī)相對(duì)主機(jī)負(fù)荷較小，因此該路的LNG消耗量較小。此外，LNG在經(jīng)高壓氣化器時(shí)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(shè)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(gè)LNG罐的主要管線布置在甲板上的供氣室內(nèi) (見(jiàn)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(shí)際船舶運(yùn)營(yíng)中，船舶機(jī)動(dòng)航行、錨泊或者船舶大、小航修等情況下，由于LNG儲(chǔ)罐向外供應(yīng)少量LNG消耗或者不消耗，此時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG不斷從外界吸熱，產(chǎn)生BOG(蒸發(fā)氣)，導(dǎo)致儲(chǔ)罐的壓力上升，壓力超過(guò)安全閥起跳壓力，安全閥打開(kāi)，LNG逸出，造成燃料浪費(fèi)和大氣污染。針對(duì)這種情況有2種處理措施:1)在船舶機(jī)動(dòng)航行或錨泊BOG產(chǎn)生量不太大時(shí)，可以通過(guò)VLCC船固有的輔鍋爐進(jìn)行燃燒，從而無(wú)需為解決BOG問(wèn)題設(shè)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(shí)間較少或長(zhǎng)時(shí)間修船，機(jī)艙的鍋爐停用時(shí)，可以通過(guò)小型再液化裝置對(duì)BOG進(jìn)行再液化處理，同時(shí)也保證了無(wú)論船舶在何種情況，都不會(huì)出現(xiàn)將LNG儲(chǔ)罐內(nèi)BOG排放至大氣的狀況，避免經(jīng)濟(jì)損失和甲烷帶來(lái)的“溫室效應(yīng)”。

3.3 壓力再建裝置 (PBU)

PBU用于維持LNG儲(chǔ)罐內(nèi)有一定的正壓，保證將儲(chǔ)罐內(nèi)的 LNG液體排出來(lái)［10］。如果機(jī)艙內(nèi)主、副機(jī)的LNG燃料持續(xù)消耗量較大，此時(shí)儲(chǔ)罐內(nèi)僅靠自然吸熱從外界獲得熱量產(chǎn)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(huì)引起LNG儲(chǔ)罐的壓力持續(xù)下降。當(dāng)壓力太低，甚至負(fù)壓時(shí)，LNG液體排不出來(lái)，供氣失敗。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)部的壓力接近設(shè)定壓力值下限時(shí)，壓力信號(hào)會(huì)輸送到控制閥，PBU就會(huì)通過(guò)控制加熱汽化或者旁通供氣系統(tǒng)中部分氣體LNG流回儲(chǔ)罐，以保持儲(chǔ)罐內(nèi)合適的壓力。

4 安全措施

LNG動(dòng)力船供氣系統(tǒng)中的天然氣燃料是易燃易爆的氣體，在實(shí)際生產(chǎn)中一旦發(fā)生泄漏，將會(huì)對(duì)供氣管線周圍的處所產(chǎn)生潛在的火災(zāi)或爆炸風(fēng)險(xiǎn)，因此，LNG的泄漏風(fēng)險(xiǎn)的防護(hù)是非常重要的。機(jī)艙外的管線發(fā)生輕微泄漏可以自然排放到大氣中，機(jī)艙內(nèi)和供氣室的泄漏則較危險(xiǎn)，需采用通風(fēng)系統(tǒng)強(qiáng)制排放。

4.1 供氣管的通風(fēng)

船舶主機(jī)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(jié)構(gòu)。用于通風(fēng)空氣的進(jìn)口由主機(jī)掃氣雙壁管出機(jī)艙處引出，其排風(fēng)機(jī)應(yīng)設(shè)在供氣管進(jìn)入機(jī)艙之前的供氣管上，雙壁管內(nèi)的空氣流向和燃?xì)饬飨蛳喾?。風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口安裝在甲板上，且位置要保證安全區(qū)域的新風(fēng)能被吸入，排出口的位置及高度符合中國(guó)船級(jí)社《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》的要求 (見(jiàn)圖5)。根據(jù)CCS相關(guān)規(guī)范:通風(fēng)機(jī)應(yīng)為防爆型，而且電機(jī)不能安裝在風(fēng)道中，該空間的通風(fēng)次數(shù)應(yīng)至少大于30次/h。此外可在雙壁管中間加上幾個(gè)傳感器，用于泄漏測(cè)量及報(bào)警。

圖5 主機(jī)供氣管路通風(fēng)Fig.5 Ventilation of supply pipe for main engine

發(fā)電柴油機(jī)供氣管路通風(fēng)系統(tǒng)也類似，但是在每臺(tái)柴油機(jī)新風(fēng)入口應(yīng)加一只風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，便于調(diào)節(jié)進(jìn)入每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)供氣管通風(fēng)空間的空氣量。

4.2 供氣室通風(fēng)系統(tǒng)

供氣室屬于甲板上密閉艙室，內(nèi)有各種LNG相關(guān)處理設(shè)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(gè)獨(dú)立的排風(fēng)裝置，將室內(nèi)設(shè)備泄漏的氣體及時(shí)排出。風(fēng)機(jī)進(jìn)氣口安裝在甲板上，且位置要保證安全區(qū)域的新風(fēng)能從外界吸入，排出口的位置及高度符合中國(guó)船級(jí)社《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》的要求，換氣次數(shù)為30次/h。此外，內(nèi)部裝有氣體泄漏探測(cè)器，用于檢測(cè)報(bào)警。

4.3 加注站的防護(hù)

本船舶燃料加注站的設(shè)計(jì)屬于開(kāi)放式，這樣氣體的泄漏通風(fēng)條件較好［11］。不過(guò)在加注過(guò)程中，如果發(fā)生液體的泄漏，低溫液體碰到船體，就會(huì)造成船體鋼板脆性裂紋或斷裂，導(dǎo)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(shè)有耐低溫不銹鋼制成的承接盤。與此同時(shí)，在LNG加注過(guò)程中，應(yīng)對(duì)儲(chǔ)氣罐壓力和液位進(jìn)行一定監(jiān)測(cè)，設(shè)有自動(dòng)切斷裝置和高液位報(bào)警。此外，加注站加注接管靠近加注船或通岸接頭處應(yīng)串聯(lián)一個(gè)遠(yuǎn)控截止閥和一個(gè)手動(dòng)截止閥，以備緊急之用。

5 結(jié)語(yǔ)

1)對(duì)LNG動(dòng)力船研究提出了VLCC作為母型船其船型和航線的依據(jù)，計(jì)算出燃料消耗量和LNG的換算，根據(jù)航線和LNG價(jià)格確定了加注港和續(xù)航時(shí)間，確定儲(chǔ)罐的容量后并對(duì)其進(jìn)行選型和結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算。

2)對(duì)LNG動(dòng)力船的燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，針對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)BOG導(dǎo)致的罐內(nèi)壓力過(guò)高提出了解決方案，從而確保了船舶的經(jīng)濟(jì)性并減少了溫室效應(yīng)的排放;還闡述了采用PBU的原因和裝置的控制原理。

3)針對(duì)LNG泄漏可能導(dǎo)致潛在風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，對(duì)供氣管、供氣室及加注站等方面設(shè)計(jì)進(jìn)行了安全方面的考慮，通過(guò)對(duì)供氣管道和通風(fēng)室內(nèi)風(fēng)機(jī)的合理布置、承接盤的合理選材及加注過(guò)程中的嚴(yán)格監(jiān)控確保船舶供氣系統(tǒng)的安全性。

［1］ 《天然氣燃料動(dòng)力船舶規(guī)范》［S］．中國(guó)船級(jí)社，2013．《Rules for Natural Gas Fuelled Ships》［S］．China Classification Society，2013．

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