王志敏， 周 鋒， 孫書霄

(滬東中華造船(集團)有限公司， 上海 200129)

0 引 言

目前正在運營的液化天然氣(Liquid Natural Gas, LNG)動力船、正在建造的LNG動力船和正在開發(fā)的LNG動力船數(shù)量越來越多，顯示出LNG動力船的發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進步。此外，近幾年歐洲、新加坡、日本、韓國等國家與地區(qū)紛紛加強LNG加注基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，全球范圍內(nèi)的船舶LNG加注基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，阻礙船舶雙燃料技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的主要障礙將得到清除[1]。

在船舶所有人方面，2015年1月1日起實施的硫排放新規(guī)促使船舶所有人優(yōu)先選擇使用LNG燃料[2]。作為重燃油、船用輕柴油和硫分燃料的替代品，LNG燃料在大量減少硫氧化物排放的同時，還可以降低85%的氮氧化物排放和至少20%的二氧化碳排放，并且還能減少顆粒物排放。

近年來，船舶LNG雙燃料動力技術(shù)不斷發(fā)展成熟，其應(yīng)用也不再局限于渡船、LNG運輸船等船舶，逐漸向散貨船、集裝箱船、汽車運輸船、化學(xué)品船等其他船型擴展[3]。2016年，南通中遠川崎船舶工程有限公司(NACKS)向挪威船舶所有人歐洲聯(lián)合汽車運輸公司(UECC)交付全球首制4 000車位LNG雙燃料汽車運輸船；中航鼎衡造船有限公司也已為瑞典船舶所有人Terntank集團公司交付了3艘15 000 t雙燃料化學(xué)品船；廣州文沖船廠有限責任公司也獲得芬蘭船舶所有人Containerships公司4艘1 400 TEU雙燃料集裝箱船訂單和4艘備選訂單，新船將從2018年開始交付。

1 LNG船燃氣系統(tǒng)

LNG船必然會使用雙燃料主機或雙燃料發(fā)電機，雙燃料主機的燃氣供給系統(tǒng)與燃油供給系統(tǒng)類似，每臺主機燃氣系統(tǒng)中配有專用的燃氣閥組(Gas Valve Unit，GVU)。由于主機對燃氣有壓力、溫度、壓力波動等諸多要求，從LNG存儲艙出來的燃氣經(jīng)過燃氣壓縮機進行壓縮處理后，首先進入GVU進行減壓、穩(wěn)壓處理，并且時時監(jiān)控燃氣壓力和溫度。同時，當主機由燃氣模式轉(zhuǎn)換為燃油模式或由燃油模式轉(zhuǎn)換為燃氣模式時，主機和燃氣供給管路的氮氣吹洗工作主要通過控制GVU中的閥件來完成[4]。圖1為燃氣供給系統(tǒng)設(shè)計圖。

圖1 燃氣供給系統(tǒng)設(shè)計

GVU的組件主要包括燃氣濾器(FIL-026)、燃氣流量計(FQ-007)、壓力控制閥(PCV-014)、速關(guān)球閥(1QSV-001、1QSV-002)、電磁控制閥(1FV-002、2FV-002、3FV-002)等[5]，具體如圖2所示。

圖2 GVU組件介紹

燃氣經(jīng)由GVU處理后通過雙壁管路進入雙燃料主機中燃燒，雙燃料主機上的燃氣管等部件的吹洗由主機自身的吹洗程序完成，一般無需額外介入，只需按照主機廠家的要求連接好相應(yīng)的氮氣管路并供給主機所需的氮氣即可。

以上燃氣系統(tǒng)的設(shè)計主要針對LNG運輸船而言，LNG運輸船對安全的要求較高，比一般雙燃料船舶的設(shè)計會相對復(fù)雜一些，部件也會更多一些，但設(shè)計理念和設(shè)計原理基本相同，上述燃氣系統(tǒng)的設(shè)計與布置也可供其他類型船舶參考。

2 燃氣系統(tǒng)的氮氣吹洗

2.1 氮氣管路系統(tǒng)設(shè)計

在機艙內(nèi)與燃氣相關(guān)的主要部件有GVU、燃氣管、雙燃料發(fā)動機等，這些部件在使用天然氣之前和之后都須進行氮氣吹洗，氮氣吹洗保證了船舶在不使用天然氣作為燃料的時候，設(shè)備內(nèi)部及相關(guān)管路上都不會有天然氣的存在，天然氣被吹洗出去之后自然就徹底規(guī)避了燃氣泄漏的風險，對設(shè)備的安全運行和保養(yǎng)維護都有重大意義。這就需要根據(jù)氮氣吹洗程序布置合適的氮氣接入管路。

船上用來吹洗燃氣管路和設(shè)備的氮氣來自氮氣發(fā)生器，從氮氣發(fā)生器產(chǎn)生的氮氣先進入氮氣緩沖柜，再從氮氣緩沖柜出來的總管上分出支路來供不同的區(qū)域使用，然后各支路經(jīng)過減壓閥減壓后即可供沖洗使用。減壓閥的前后都須布置截止閥，以方便減壓閥發(fā)生故障后的維修或更換。同時為減少氮氣泄漏風險，氮氣發(fā)生器和氮氣緩沖柜一般布置在單獨的氮氣室，而不直接放置在機艙。氮氣發(fā)生器的管系原理圖如圖3所示。

圖3 氮氣發(fā)生器管路示例

從氮氣發(fā)生器出來的氮氣管路先分一路直接連至雙燃料主機的氮氣吹洗接口，然后另一路連接至GVU；GVU的透氣管和氮氣吹洗的出口管直接連接至透氣圍井。根據(jù)發(fā)動機廠家的“安全指導(dǎo)書[6]”要求，這些管路須單獨連接到透氣圍井，而不能合并后再進入透氣圍井。

考慮到主燃氣閥1GV002離透氣圍井比較近，原先考慮氮氣從GVU進入，吹洗完GVU到主燃氣閥1GV002的這段燃氣管路后直接從透氣圍井附近的1GV003處進入透氣圍井，這樣管路布置更為簡單，但GVU廠家不同意這種逆向的吹洗過程，認為逆向的氣流會影響減壓閥工作，最后設(shè)計的吹洗方案還是只能讓氮氣從1GV003處進入進行吹洗。如果其他GVU廠家認可逆向的吹洗過程，那么明顯逆向吹洗的管路布置更為合理。氮氣吹洗管路原理如圖4所示。

圖4 燃氣供給系統(tǒng)氮氣管路示例

以上氮氣管路的系統(tǒng)設(shè)計可適用于LNG運輸船的雙燃料發(fā)電機和雙燃料主機，因為燃氣管路在機艙的部分大體相似，其他類型船舶也可參考布置。氮氣管的設(shè)計主要分為2部分：一部分用來吹洗GVU前的燃氣管路；一部分用來吹洗GVU后的燃氣管路。管路設(shè)計的主要思路是分階段逐步?jīng)_洗燃氣管路，用充足的氮氣替代管路中的天然氣。沖洗的階段越少越好，所消耗的時間越短越好，目標是在最短的時間內(nèi)充分地完成吹洗工作。在布置吹洗管路時，需注意在非吹洗階段天然氣通過吹洗管路泄漏的風險，從燃氣管路上連接的吹洗管路盡量不要通過機艙或是外部通道。

2.2 氮氣吹洗量計算

為保證燃氣管里的天然氣能被徹底吹洗出管路，需先計算出燃氣管里殘留的天然氣含量，然后才能確定吹洗所需的氮氣量。計算步驟如下：

燃氣管路面積計算：

DN250的管路參數(shù)： 外徑Ф=273.1mm；厚度=9.27mm；

DN250的管路面積：[(273.1mm-9.27mm×2)/2]2×3.14=50 868.6mm2=0.051m2；

DN150的管路參數(shù)： 外徑Ф=168.3mm；厚度=7.11mm；

DN150的管路面積：[(168.3mm-7.11mm×2)/2]2×3.14=18 636.4mm2=0.018 6m2。

燃氣管路體積計算：

DN250的管路長度為27.3m；DN150的管路長度為81.54m；

V=27.3 m×0.051 m2+81.54 m×0.018 6 m2

=1.392 3 m3+1.516 644 m3= 2.91 m3

需要吹洗的天然氣量為2.91m3。

氮氣吹洗量計算：

計算條件：

①Densityat1Atm. =1 013mbarabs(絕對壓力)。

② 緩沖柜體積：5m3。

氮氣吹洗結(jié)束后，緩沖柜的壓力從6bar下降到4bar。假設(shè)整個降壓過程中緩沖柜是等溫的，則計算為

根據(jù)公式：P1×V1=P2×V2

6 bar×5 m3= 4 bar×V2

V2=7.5 m3

整個吹洗過程所用氮氣量為

ΔV=V2-5 m3=2.5 m3，at 4 bar

所有的氮氣都釋放到燃氣管路中，在吹洗完成后管路里的壓力為正常大氣壓(約1 013mbar)；最終釋放出來的氮氣量為

計算結(jié)果顯示吹洗的氮氣量滿足要求，能將管路內(nèi)殘留的天然氣吹洗干凈。

整個計算過程并不復(fù)雜，主要是需完整地考慮各個階段需吹洗的管路，在計算時不要有紕漏。同時為保證充足的吹洗，可適當留些余量。

2.3 氮氣吹洗程序

在雙燃料主機使用天然氣燃料之前和使用完天然氣燃料之后都需要進行燃氣管路的氮氣吹洗，用雙重保障來避免燃氣管內(nèi)混入氧氣的可能性。在轉(zhuǎn)為燃氣模式之前主機一般使用柴油，從柴油模式切換到燃氣模式一般被稱為油轉(zhuǎn)氣，從燃氣模式切換到柴油模式一般被稱為氣轉(zhuǎn)油。油轉(zhuǎn)氣(即使用天然氣之前)和氣轉(zhuǎn)油(使用完天然氣之后)這2個步驟的氮氣吹洗程序如下：

主機油轉(zhuǎn)氣程序之前燃氣管路的氮氣吹洗程序：

主機氣轉(zhuǎn)油程序之后燃氣管路的氮氣吹洗程序：

從整個吹洗程序可以看出，油轉(zhuǎn)氣之前的吹洗和氣轉(zhuǎn)油之后的吹洗過程大致相同，都是先吹洗從主機到GVU的管路，然后再吹洗從燃氣壓縮機到GVU的燃氣供給管路。兩者區(qū)別主要是油轉(zhuǎn)氣之前的吹洗結(jié)束后，燃氣管路里需保持一定的燃氣壓力，而氣轉(zhuǎn)油之后的吹洗結(jié)束后，讓氮氣繼續(xù)保持在燃氣管路里面即可。吹洗程序編制好之后，需要編入船舶的自動化控制系統(tǒng)中，以后切換主機的燃燒模式時就能實現(xiàn)自動吹洗與檢測，正常情況下吹洗過程都不需要手動完成。

3 結(jié) 論

隨著雙燃料船舶日益增多，燃氣系統(tǒng)的安全性也得到了越來越多的重視，氮氣吹洗是防范燃氣風險的一種重要手段，當系統(tǒng)中的天然氣都被氮氣所取代之后，也就徹底消除了所謂的燃氣風險。在設(shè)計氮氣吹洗系統(tǒng)時，往往很難做到一步就將燃氣管路一次吹洗完成，這就需要考慮不同設(shè)備、不同區(qū)域管路的分階段吹洗，如何將所涉及的設(shè)備以及管路分階段徹底沖洗干凈值得重點考慮。

本文所述的氮氣吹洗系統(tǒng)的設(shè)計、吹洗程序針對的是LNG運輸船的燃氣系統(tǒng)，設(shè)計思路同其他類型雙燃料船舶類似，供相關(guān)設(shè)計人員參考，有利于我國在雙燃料船舶的研發(fā)和設(shè)計方面得到快速發(fā)展。