LNG燃料船舶燃?xì)庑孤┕芾?/h1>

2018-08-25 02:38:06王志敏劉文朝

船舶訂閱 2018年4期 收藏

關(guān)鍵詞：曲軸箱雙燃料機(jī)艙

王志敏 劉文朝 施 政

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 上海200129）

引 言

天然氣是一種高效清潔的優(yōu)質(zhì)低碳能源，可與核能及可再生能源等其他低排放能源形成良性互補(bǔ)，是能源供應(yīng)清潔化的最現(xiàn)實(shí)選擇。與柴油機(jī)相比，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)可以減低80%以上NOx、100%SOx和PM、20%以上CO2等有害氣體排放，滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求［1］，天然氣低于柴油的價(jià)格也可以直接降低船東的運(yùn)營成本，船舶應(yīng)用LNG作為燃料已日益受到政府和船東的關(guān)注。

隨著燃?xì)庀到y(tǒng)的逐步應(yīng)用，其安全性也越來越受到重視。由于LNG具有低溫、易燃、易爆等固有的特殊危險(xiǎn)性，其發(fā)生泄漏后的危險(xiǎn)性極大。研究天然氣發(fā)生泄漏后的應(yīng)對(duì)措施是研究天然氣安全問題的重要一環(huán)，目的在于即便天然氣發(fā)生泄漏，也可采取一定的安全應(yīng)對(duì)措施消除其危險(xiǎn)性［2］。這些安全措施可以給天然氣的使用提供可靠的安全保障。

1 LNG燃料船舶燃?xì)庀到y(tǒng)介紹及燃?xì)庀到y(tǒng)相關(guān)規(guī)范要求

1.1 LNG燃料船舶燃?xì)庀到y(tǒng)介紹

根據(jù)天然氣供給系統(tǒng)不同的功能，天然氣供給系統(tǒng)可以劃分為以下幾個(gè)模塊：

（1）LNG存儲(chǔ)模塊

LNG儲(chǔ)罐，用于存儲(chǔ)LNG；LNG運(yùn)輸船，存儲(chǔ)模塊則指LNG貨艙。

（2）LNG加注模塊

用于LNG存儲(chǔ)模塊的加注，包括通岸接頭、低溫管等部件［3］。

（3）惰性氣體模塊

可生成惰性氣體，為系統(tǒng)提供惰性氣體源，供天然氣管路和主機(jī)等設(shè)施的吹洗。

（4）LNG輸送模塊

即LNG輸送泵，用于將LNG加壓到雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)要求的天然氣壓力。

（5）LNG氣化模塊

包括LNG氣化器以及乙二醇循環(huán)模塊，用于將加壓后的LNG等壓氣化為要求溫度范圍的天然氣。

（6）閥組單元

實(shí)現(xiàn)對(duì)燃?xì)獾墓?yīng)和切斷，以及惰性氣體吹掃的控制。

（7）通風(fēng)系統(tǒng)

用于保持主機(jī)及機(jī)艙內(nèi)雙層燃?xì)夤艿耐L(fēng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否出現(xiàn)燃?xì)庑孤?/p>

（8）燃燒單元

為LNG氣化模塊提供熱源。

（9）控制系統(tǒng)

用于整個(gè)供氣系統(tǒng)的控制與監(jiān)測(cè)。

本文所描述的與燃?xì)庑孤断嚓P(guān)的模塊主要有閥組單元、通風(fēng)系統(tǒng)、燃燒單元等；主要的泄露點(diǎn)有雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)夤?、燃?xì)忾y組等部件［4］。

1.2 LNG燃料船舶燃?xì)庀到y(tǒng)相關(guān)規(guī)范要求

IMO規(guī)范對(duì)于LNG燃料船舶燃?xì)庀到y(tǒng)的要求主要體現(xiàn)在IGC CODE［5］和IGF CODE［6］。

IGC CODE的第16.2章規(guī)定應(yīng)對(duì)使用氣體燃料的處所裝置機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，并應(yīng)將該處所布置成能防止形成死角，應(yīng)將上述通風(fēng)系統(tǒng)與其他處所的通風(fēng)系統(tǒng)分開。在使用雙燃料發(fā)電機(jī)的電力推進(jìn)項(xiàng)目上，我們?yōu)橹靼l(fā)電機(jī)室與GVU房間設(shè)置單獨(dú)的房間，并為它們?cè)O(shè)計(jì)獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)與機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)分開；在使用雙燃料低速機(jī)的項(xiàng)目上，使用氣體燃料處所的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)與機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)一體，與居住區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)分開。雙燃料發(fā)電機(jī)室與機(jī)艙在布置時(shí)應(yīng)充分考慮空氣的流通以防止形成死角。

IGC CODE的第16.3章規(guī)定氣體燃料管應(yīng)被安裝在通風(fēng)管或管道內(nèi)，在氣體燃料管和通風(fēng)管或管道內(nèi)壁之間的空間，應(yīng)設(shè)置機(jī)械抽風(fēng)設(shè)備，其排量至少為30次/h；應(yīng)將通風(fēng)系統(tǒng)布置成能維持其壓力低于大氣壓力。本文所述通風(fēng)系統(tǒng)為燃?xì)夤艿碾p壁管設(shè)置了抽氣風(fēng)機(jī)，并推薦了雙壁管通風(fēng)空間容積與氣壓差值的關(guān)系，以滿足30次/h的通風(fēng)要求，介紹了各主要處所的大氣壓力設(shè)定情況。

IGC CODE的第13章規(guī)定對(duì)于每套探測(cè)設(shè)備，在確定固定取樣器的位置時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮似運(yùn)載貨物的燃?xì)饷芏纫约坝捎谂撌覂?nèi)換氣或通風(fēng)所造成的稀釋度。本文描述了如何通過燃?xì)庑孤兜哪M計(jì)算和實(shí)際的煙霧模擬來確定固定取樣器的位置。

2 燃?xì)庀到y(tǒng)的泄漏風(fēng)險(xiǎn)管理

甲板區(qū)域暴露于大氣中，一般會(huì)被定義為危險(xiǎn)區(qū)域。燃?xì)庠诩装鍏^(qū)域泄漏后會(huì)直接稀釋進(jìn)入大氣中，危險(xiǎn)性較??；而機(jī)艙屬于封閉區(qū)域，且熱源較多，一旦燃?xì)庑孤┑綑C(jī)艙，危險(xiǎn)極大。本文主要對(duì)機(jī)艙區(qū)域的燃?xì)庑孤┻M(jìn)行分析，并討論相應(yīng)的管理措施。

2.1 通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的宗旨是保證當(dāng)燃?xì)獍l(fā)生泄漏后能被快速地稀釋。甲烷與空氣混合后的爆炸極限為4.9%，當(dāng)甲烷值低于這個(gè)值時(shí)不能燃燒，故可通過快速稀釋掉泄漏后的天然氣來防范天然氣爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。因此有必要為燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)不間斷的通風(fēng)系統(tǒng)［7-8］。暴露在機(jī)艙內(nèi)與燃?xì)庀嚓P(guān)的主要部件有燃?xì)夤?、燃?xì)忾y組、雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)等，通風(fēng)系統(tǒng)的布置參見圖1。

圖1 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)布置

為保證通風(fēng)效果，圖1中幾個(gè)處所的壓力設(shè)置為：發(fā)電機(jī)室氣壓P1＞ 機(jī)艙外大氣壓力P0＞ 燃?xì)忾y組室氣壓P2。

上述的發(fā)電機(jī)室與燃?xì)忾y組室均布置在機(jī)艙內(nèi)，并都布置了單獨(dú)的房間與通風(fēng)系統(tǒng)。雙壁管的外管一頭通過膨脹節(jié)與發(fā)電機(jī)連接，一頭與燃?xì)忾y組室艙壁連接，與艙壁的連接處為敞開狀態(tài)；雙壁管的內(nèi)管一頭通過膨脹節(jié)與發(fā)電機(jī)連接，一頭與燃?xì)忾y組連接。

發(fā)動(dòng)機(jī)室通過供風(fēng)機(jī)保持其壓力大于外界大氣壓力，而燃?xì)忾y組室通過抽風(fēng)機(jī)保持其壓力小于外界大氣壓力。其中發(fā)電機(jī)室氣壓P1與燃?xì)忾y組室氣壓P2的差值跟雙壁管通風(fēng)空間（即雙壁管內(nèi)管與外管之間的空間區(qū)域）容積成正比關(guān)系，雙壁管通風(fēng)空間容積與氣壓差值的關(guān)系如圖2所示。

圖2 雙壁管通風(fēng)空間容積與氣壓差值關(guān)系圖

在此壓力設(shè)置下，空氣流通的路徑一般分為兩路：一路從主機(jī)缸頭進(jìn)入；一路從燃?xì)夤芘c機(jī)艙的連接口進(jìn)入。其流向如下：

（1）空氣從主機(jī)缸套進(jìn)入的路徑如圖3所示。

圖3 空氣進(jìn)入主機(jī)缸套的流向圖

新風(fēng)由機(jī)艙風(fēng)機(jī)提供，進(jìn)入主機(jī)缸頭雙層空間的位置如圖4所示。

新風(fēng)進(jìn)入主機(jī)后，經(jīng)由雙壁管的外管進(jìn)入到燃?xì)忾y組室，然后由連接燃?xì)忾y組室的抽氣風(fēng)機(jī)抽到艙外安全區(qū)域。

（2）空氣從燃?xì)夤芘c機(jī)艙的連接口進(jìn)入的路徑如圖5所示。

由于機(jī)艙外大氣壓力P0大于燃?xì)忾y組室氣壓P2，新風(fēng)會(huì)從艙外被吸入燃?xì)忾y組室，然后再由燃?xì)忾y組室的抽氣風(fēng)機(jī)抽至艙外完全區(qū)域。

圖4 新風(fēng)進(jìn)入主機(jī)缸頭雙層通風(fēng)空間內(nèi)

圖5 空氣從燃?xì)夤芘c機(jī)艙的連接口進(jìn)入的流向圖

燃?xì)庀到y(tǒng)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要保證對(duì)機(jī)艙內(nèi)燃?xì)夤艿娜采w，只要有天然氣經(jīng)過且有可能發(fā)生泄漏的區(qū)域都需要設(shè)計(jì)合適的通風(fēng)系統(tǒng)。不同的船型對(duì)于燃?xì)庀到y(tǒng)的設(shè)計(jì)也不盡相同，而通風(fēng)系統(tǒng)是基于燃?xì)夤┙o系統(tǒng)而設(shè)計(jì)；所以不同船型的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)也會(huì)有較大差別；但設(shè)計(jì)宗旨相同，都是為快速稀釋掉可能泄漏出來的天然氣。

2.2 可燃?xì)怏w探測(cè)布置

在機(jī)艙內(nèi)為燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)置充分的通風(fēng)系統(tǒng)后，還需要在可能發(fā)生泄漏的區(qū)域設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)裝置，以便在發(fā)生燃?xì)庑孤┖竽芗皶r(shí)檢測(cè)并報(bào)警。一般會(huì)在如下區(qū)域布置合適的可燃?xì)怏w探測(cè)裝置：

（2）氮?dú)獍l(fā)生器的干燥器出口；

（3）機(jī)艙進(jìn)風(fēng)口；

（4）機(jī)艙出風(fēng)口；

（5）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)忾y組房間；

（6）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)忾y組房間的通風(fēng)風(fēng)管出口；

（7）LNG艙的貨物機(jī)械室；

（8）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)房間的通風(fēng)進(jìn)口；

（9）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)房間的通風(fēng)出口；

（10）燃?xì)夤苈返倪M(jìn)風(fēng)口；

[13]胡志丁、曹原、劉玉立、葛岳靜：《我國政治地理學(xué)研究的新發(fā)展：地緣環(huán)境探索》，《人文地理》2013年第5期。

（11）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)上方；

（12）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸箱透氣管；

（13）雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫冷卻水膨脹水箱；

（14）應(yīng)急發(fā)電機(jī)室。

以上這些區(qū)域建議各設(shè)置1個(gè)或者2個(gè)可燃?xì)怏w探頭作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)?？扇?xì)怏w探測(cè)的設(shè)置不僅考慮機(jī)艙內(nèi)部燃?xì)庀到y(tǒng)可能發(fā)生的泄漏，也要考慮燃?xì)饪赡苡蓹C(jī)艙外部進(jìn)入的可能性；所以在與外部空間接觸的機(jī)艙棚和機(jī)艙進(jìn)風(fēng)口等區(qū)域也應(yīng)設(shè)置燃?xì)馓綔y(cè)點(diǎn)。

在設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)的時(shí)候要注意將可燃?xì)怏w探測(cè)點(diǎn)布置在燃?xì)庾钊菀壮霈F(xiàn)的地方，需充分考慮氣體的流動(dòng)軌跡，根據(jù)氣體的流動(dòng)軌跡判斷可燃?xì)怏w探測(cè)的最佳安裝位置；氣體的流動(dòng)軌跡可通過泄漏擴(kuò)散計(jì)算來獲得，也可使用煙霧來模擬燃?xì)獍l(fā)生泄漏后的實(shí)際流動(dòng)軌跡獲得，借此找到最佳安裝點(diǎn)，以降低出現(xiàn)燃?xì)庑孤┖罂扇細(xì)怏w探測(cè)裝置無法探測(cè)到燃?xì)獠?bào)警的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.1 泄漏擴(kuò)散模擬計(jì)算

圖6是以雙燃料發(fā)電機(jī)室某機(jī)6號(hào)缸連接點(diǎn)處發(fā)生泄漏后進(jìn)行模擬計(jì)算的示例。根據(jù)模擬計(jì)算得出的結(jié)論判斷燃?xì)獍l(fā)生泄漏后最先出現(xiàn)的區(qū)域，然后在合適的位置安裝可燃?xì)怏w探測(cè)點(diǎn)。

圖6 某機(jī)6號(hào)缸連接點(diǎn)發(fā)生連續(xù)泄漏，發(fā)電機(jī)室內(nèi)部不同時(shí)刻的天然氣摩爾濃度分布圖

2.2.2 實(shí)際煙霧模擬

在使用模擬計(jì)算找出可燃?xì)怏w探測(cè)的最佳安裝點(diǎn)后，可再使用煙霧桶檢驗(yàn)房間內(nèi)氣體的流通軌跡；先在需測(cè)量的房間內(nèi)選取一處最易發(fā)生燃?xì)庑孤┑狞c(diǎn)，然后在該處放置一個(gè)煙霧測(cè)試桶，在正常運(yùn)行工況下釋放煙霧，然后觀察煙霧是否最易到達(dá)可燃?xì)怏w探測(cè)點(diǎn)，通過觀察煙霧流動(dòng)軌跡可檢驗(yàn)出可燃?xì)怏w探測(cè)的放置點(diǎn)是否合理。

2.3 可燃?xì)怏w探測(cè)布置的難點(diǎn)

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在所有布置的可燃?xì)怏w探測(cè)點(diǎn)中，布置在雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水膨脹水箱和曲軸箱透氣管上的探測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)的問題最多，需要重點(diǎn)考慮。

2.3.1 冷卻水膨脹水箱上的可燃?xì)怏w探測(cè)

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫冷卻水系統(tǒng)與低溫冷卻水系統(tǒng)是集成在一起的，共用一個(gè)冷卻水膨脹水箱，獨(dú)立于機(jī)艙的中央冷卻水系統(tǒng)；如果雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的缸套發(fā)生泄露，那么燃?xì)饩陀锌赡芑烊氚l(fā)動(dòng)機(jī)的缸套水中，從而進(jìn)入冷卻水系統(tǒng)，并流入冷卻水膨脹水箱。因此需要在冷卻水膨脹水箱上布置可燃?xì)怏w探測(cè)裝置。

在初始設(shè)計(jì)的時(shí)候可燃?xì)怏w探測(cè)裝置直接安水膨脹水箱上面的透氣管側(cè)面，如圖7所示，只是在安裝探測(cè)點(diǎn)的位置把透氣管加粗至DN150以方便安裝。

圖7 可燃?xì)怏w探測(cè)直接安裝于膨脹水箱透氣管上

這種安裝方式的好處是可燃?xì)怏w探測(cè)頭可通過透氣管直接探測(cè)到膨脹水箱里面的氣體，監(jiān)測(cè)方式更為直接。不過，由于膨脹水箱內(nèi)水汽太多，導(dǎo)致透氣管內(nèi)的濕度太高，可燃?xì)怏w的探測(cè)頭在高濕度下又極易生銹，因而在實(shí)際使用過程中，發(fā)生多次可燃?xì)怏w探測(cè)頭因生銹而損壞的事故。

一方面要對(duì)膨脹水箱內(nèi)的空氣進(jìn)行探測(cè)，另一方面又要避免膨脹水箱內(nèi)水汽對(duì)探頭的腐蝕。在這種條件下，就需要選擇一種更為復(fù)雜的探測(cè)方式。

改進(jìn)后的方案如圖8所示，在膨脹水箱上面的DN50透氣管上開一路8 mm的支管，然后用一個(gè)抽氣風(fēng)機(jī)將要探測(cè)的氣體從該處支管吸入可燃?xì)怏w探測(cè)器，在可燃?xì)怏w探測(cè)器之前布置一個(gè)空氣干燥器，將水汽從需要探測(cè)的氣體中先過濾出來，這樣就避免了膨脹水箱內(nèi)水汽對(duì)探頭的腐蝕。

2.3.2 曲軸箱透氣管上的可燃?xì)怏w探測(cè)

根據(jù)IGC CODE第16章的規(guī)定，曲軸箱應(yīng)裝設(shè)氣體探測(cè)器或等效設(shè)備以及惰性氣體注入設(shè)施。在設(shè)計(jì)時(shí)，曲軸箱的氣體探測(cè)應(yīng)設(shè)置在曲軸箱的透氣管上，通過探測(cè)透氣管上的燃?xì)鉂舛葋黹g接檢測(cè)曲軸箱內(nèi)的燃?xì)鉂舛取?/p>

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱的可燃?xì)怏w探測(cè)布置如圖9所示。

圖8 帶風(fēng)機(jī)的抽吸式可燃?xì)怏w探測(cè)裝置

圖9 雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱的可燃?xì)怏w探測(cè)

曲軸箱內(nèi)部水汽雖然不多，不會(huì)銹蝕到可燃?xì)怏w探測(cè)頭，但是曲軸箱內(nèi)部的油氣濃度極高，在實(shí)船測(cè)量時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響可燃?xì)怏w探頭對(duì)燃?xì)獾臏y(cè)量精度；在氣體運(yùn)行模式下，曲軸箱內(nèi)氣體的LEL數(shù)值會(huì)從10%左右持續(xù)上升至110%左右，而通過取樣檢測(cè)的方式測(cè)出的LEL數(shù)值并沒有持續(xù)升高。這兩種結(jié)果的不同主要?dú)w咎于可燃?xì)怏w探測(cè)的類型不同，曲軸箱內(nèi)的油氣對(duì)催化型可燃?xì)怏w探測(cè)器的影響較大，而對(duì)半導(dǎo)體可燃?xì)怏w探測(cè)器的影響較小。所以在選擇可燃?xì)怏w探測(cè)器的類型與形式的時(shí)候一定要注意周圍環(huán)境對(duì)其影響。

3 結(jié) 論

在設(shè)計(jì)雙燃料船舶的燃?xì)庀到y(tǒng)時(shí)，其安全性需要著重考慮，不僅要考慮如何防范燃?xì)獍l(fā)生泄漏，而且燃?xì)獍l(fā)生泄漏后的應(yīng)對(duì)措施也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。本文所述通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和可燃?xì)怏w探頭的選型與布置均為燃?xì)獍l(fā)生泄漏后的應(yīng)對(duì)措施。其設(shè)計(jì)原理與設(shè)計(jì)思路可供設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)各類雙燃料船舶燃?xì)獍踩到y(tǒng)時(shí)參考。

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