趙 烈，羅東浩

（1.惠生海洋工程有限公司，上海 201210；2.廣州中船文沖船塢有限公司，廣州511462）

1 引言

隨著天然氣的市場需求日益增大，客戶對于投資建造FSRU（浮式儲存再氣化裝置）的意愿也日益增強。FSRU 上使用天然氣作為主要燃料有著天然的優(yōu)勢。首先，在FSRU 上獲取天然氣極為方便，BOG（貨罐自然蒸發(fā)氣）即可作為燃料氣，外輸?shù)奶烊粴庥挚勺鳛橛行У难a充。使用BOG 作為燃料也是處理BOG 最經(jīng)濟的手段之一；另外，天然氣價格相比燃油更加低廉，可有效降低FSRU 的運營費用；同時，天然氣是一種清潔能源，不含硫和其它雜質，氮氧化物相比燃油也大大降低，可以滿足Tier III 標準。

盡管使用燃料氣作為發(fā)動機燃料有著許多的優(yōu)點，但由于天然氣是易燃易爆氣體，具有較大的風險。雙燃料發(fā)動機自問世以來，在船舶上運用的案例還不多見，本文結合《國際散裝液化氣運輸船規(guī)則》(IGC Code)、BV 船級社規(guī)范及實船項目EXMAR FSRU，介紹燃料氣供給系統(tǒng)的設計過程和原理，可作為類似項目的參考。為滿足排放標準和經(jīng)濟性，目前很多新建和改裝的散貨船、集裝箱船也開始使用LNG (液化天然氣)作為燃料，其燃料氣系統(tǒng)與FSRU 燃料氣系統(tǒng)大致相似，也可參考本文的設計方法。

2 FRSU 燃料氣系統(tǒng)流程

2.1 系統(tǒng)流程

LNG 貨物泵從貨罐抽取LNG 輸送至冷凝器，同時LNG 貨罐產(chǎn)生的BOG 經(jīng)壓縮機壓縮升壓后，一部分作為燃料氣輸送至燃料氣加熱器、燃料氣緩沖罐供雙燃料主機使用，多余的BOG 被輸送至冷凝器與LNG 混合后冷凝為LNG。冷凝器內(nèi)的LNG 經(jīng)高壓輸送泵至氣化器氣化為0 ℃的高壓天然氣后，通過流量計、管匯外輸至終端市場。當BOG 的量小于燃料氣的消耗量時，由外輸氣主管分配部分天然氣至燃料氣管線作為補充。

2.2 設備布置

見圖1。

3 工藝模擬及計算

3.1 燃料氣組分模擬

根據(jù)建造規(guī)格書，從FSU(浮式儲存裝置)或LNG運輸船（LNGC）裝載至FSRU 貨罐的LNG 組份，如表1 所示。使用工藝流程模擬軟件HYSYS，根據(jù)Peng-Robinson 公式模擬貨罐壓力為10kPaG 飽和蒸汽壓時得到BOG 的組份，見表2。根據(jù)流程圖可知，燃料氣組份與BOG 組份一致。

表1 LNG 組份

表2 BOG 組份

3.2 燃料氣消耗量計算

EXMAR FSRU 選用了4 臺瓦錫蘭9L34DF 雙燃料主發(fā)電機，最大外輸工況時需4 臺主發(fā)電機同時工作，可以按照以下公式計算燃料氣耗量：

式中：

Qg——燃氣模式燃料氣消耗量kg/h

P——發(fā)動機軸功率kW

Gg——燃氣模式燃料氣耗率kJ/kWh

K——系數(shù)，1.0～1.1

HLCV——燃料氣低熱值kJ/kg

n——發(fā)動機臺數(shù)

根據(jù)表2 燃料氣低熱值及表3 瓦錫蘭9L34DF 雙燃料發(fā)動機技術參數(shù)[3]，K 取1.1，,燃料氣耗量計算為3 820 kg/h。

3.3 燃料氣加熱器功率計算

燃料氣進口狀態(tài)為：3 820 kg/h、-90 ℃、8 bar；燃料氣出口狀態(tài)為：3 820 kg/h、30 ℃、7.5 bar。根據(jù)HYSYS 工藝模擬，燃料氣加熱器功率為244.3 kW，設計功率取250 kW。

3.4 燃料氣管徑計算

根據(jù)API RP 14G 規(guī)定，為防止氣體輸送中對管道的侵蝕和防止靜電產(chǎn)生，燃料氣流速不應超過40 m/s。根據(jù)工藝系統(tǒng)工程設計技術規(guī)定[1]，選取經(jīng)濟管徑，一般低壓工藝氣體百米壓降為2.3～23 kPa。通過HYSYS PIPE SEGMENT，試算壓力降并選取管徑為：主管管徑DN100；支管管徑DN80。

3.5 雙層管環(huán)形空間及GVU(燃氣閥單元)排風機選型計算

根據(jù)IGC Code 2016 16.4.3 條規(guī)定，穿過機艙及隔離空艙的燃料氣管線需布置為雙層管，雙層管環(huán)形空間需充惰性氣體或者使用機械排風。本項目根據(jù)瓦錫蘭推薦，采用機械排風，保持環(huán)形空間為負壓。規(guī)范規(guī)定的換氣次數(shù)為30 次，瓦錫蘭要求GVU 負壓低于-2 kPaG。

由于第四臺主發(fā)電機燃料氣管線最長，現(xiàn)以此計算風機風量及壓頭。

空氣狀態(tài)參數(shù)如下：

溫度20 ℃；

壓力0kPaG；

相對濕度80%；

密度1.196 kg/m3；

動力粘度18.6cP。

雙層管系數(shù)見表3。

表3 雙層管及GVU、發(fā)動機空氣容積

排風機風量=（管段1 容積+管段2 容積+主機容積+GVU 容積）x 30 次/小時 = 56.6 m3/h，取10%裕量，排風機風量取65 m3/h；

雙層管段2 的通風量=（管段2 容積+主機容積）x 30 次/小時 = 6.42 m3/h，取設計值10 m3/h；

雙層管段1 的通風量=排風機總風量-雙層管段2 的通風量=55 m3/h。

根據(jù)HG-T 20570 工藝系統(tǒng)工程設計技術規(guī)定，真空管道推薦流速5～10 m/s，百米壓降1.96 kPa，據(jù)此初步確定管徑如表4 所示。

表4 管徑表

對于標準圓管，可使用HYSYS 的PIPE SEGMENT進行壓力降計算或參照下面的環(huán)形管進行計算（區(qū)別在于計算雷諾數(shù)的特征長度不一樣）；對于雙層管的環(huán)形空間，可按照以下步驟計算：

(1)計算雷諾數(shù)

式中：u——流速，m/s；

ρ——密度，kg/m3；

μ——動力粘度，Pa.s。

(2)判斷流動狀態(tài)并計算沿程阻力系數(shù)[2]（表5）

主發(fā)動機的壓降-流量曲線，如圖2 所示；10m3/h 流量對應的壓降為230 Pa。

根據(jù)瓦錫蘭要求GVU 負壓需低于-2 000 PaG，而計算的管段1-2-4-Engine-雙層管段2 的GVU 的壓力降為1 232 PaG,，小于2 000 PaG，因此可以適當增大該路徑的流量，可簡單按照壓力降與u1.9成正比來計算，直至壓力降等于2 000 PaG 時的流量為止，此時該路徑的通風量為12.5 m3/h，主發(fā)動機通風壓降為370 PaG。

修正通過雙層管段1 的流量至53.5 m3/h，重新計算路徑1-2-3-雙層管段1GVU 的壓降為174 PaG，＜2 000 PaG，因此在管段安裝一壓降為2 000-174=1 826 PaG 的節(jié)流孔板，節(jié)流孔板可按照《GB/T 2624 流體測量節(jié)流裝置》計算，孔徑為23 mm。

排風機風量F，F(xiàn) = （V1+ V2+ VGVU+ VENG） N

式中：N取30 次/小時，計算F = 56.6 m3/h，取10%裕量，排風機風量F 取65 m3/h。

雙層管段2 通風量F2，F(xiàn)2= （V2+ VENG） N

式中：N 取30 次/小時，計算F2= 6.42 m3/h，取設計值10 m3/h。

雙層管段1 通風量F1，F(xiàn)1= F - F2= 55 m3/h= Δp1-2-GVU +Δp5-6 +Δp7-8 = 2 000+106+89 =2 195 Pa，取10%裕量，排風機壓頭為2.4 kPa。

GVU 排風機參數(shù)為65 m3/h@2.4 kPa，根據(jù)規(guī)范需選用防爆型風機。

4 燃料氣系統(tǒng)布置特殊要求

（1）根據(jù)IGC Code，燃料氣管線不允許穿過起居處所、服務處所、電氣設備間及控制站。同時，燃料氣管道布置應考慮由于機械損壞導致的潛在風險，比如在儲物間和機器吊運區(qū)域；

（2）機器處所內(nèi)的燃料氣管線應能夠排氣及惰化；在密閉空間內(nèi)的燃料氣管道系統(tǒng)應提供持續(xù)的泄漏監(jiān)測和報警及關斷相應的燃料氣供應；燃料氣加熱器、燃料氣緩沖罐及燃料氣總閥應位于貨物區(qū)域；

（3）至每臺主發(fā)動機機的燃料氣供應管線應分別單獨安裝一臺GVU；關閉其中一臺GVU 不應影響其它主機的燃料氣供應；GVU 配備以3 只為一套的自動閥門，其中2 只應被串接在通向使用設備的氣體燃料管路上，另一只被安裝在處于2 只串接閥之間的氣體燃料管路的透氣管上，該透氣管應通向開敞空氣中的安全位置。這些閥在所需的強力通風失效、氣缸點火失效、氣體燃料供應管壓力不正?；蚩刂崎y的傳動介質失效時，能自動關閉2 只串接的氣體燃料閥并能自動開啟透氣閥；

（4）至每臺主發(fā)動機的燃料氣管線應安裝一臺燃料氣主閥，使該主發(fā)動機的燃料氣能與其它主發(fā)動機的燃料氣供應隔開，隔斷本臺主發(fā)動機的燃料氣應不影響其它主發(fā)動機的燃料氣供應。該燃料氣主閥應位于貨物區(qū)域。當檢測到雙層管環(huán)形空間燃氣泄漏或GVU 通風失效（流量低報警或負壓高報警）時，該燃料氣主閥應能自動關閉，也應能手動操作和遙控操作；

（5）GVU 通風進口需位于非危險區(qū)域并安裝止回閥，或者在通風進口處安裝可燃氣體監(jiān)測報警裝置；

（6）除設備接口外，燃料氣內(nèi)管應盡量采用對焊連接，相應外管處應設有檢查孔便于檢查焊縫。

5 結語

本系統(tǒng)經(jīng)過實船調試運行，設備及系統(tǒng)均正常工作，相關參數(shù)與設計工況基本一致，證明了本文的設計方法的準確可靠，對于以后更多FRSU 或使用天然氣發(fā)動機的船舶和平臺的燃料氣系統(tǒng)設計具有一定的參考意義。