徐岸南，田大冰，宋麗君

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

當(dāng)前人們對環(huán)境的重視程度日益提高，國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）提出的Tier Ⅲ氮排放標(biāo)準(zhǔn)已于2016年1月1日在部分排放控制區(qū)域生效，提出排放物中硫的含量小于0.5%的要求將于2020年開始執(zhí)行。使用天然氣作為燃料可有效降低SOx、NOx、CO2和顆粒物的排放。大多數(shù)液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）中硫的含量都是少于30mg/m3（氣態(tài)）的，換算成質(zhì)量分?jǐn)?shù)是0.004%，僅為硫氧化物排放控制區(qū)（SECA）排放要求的 1/25。同時(shí)，采用天然氣作為燃料可使 NOx排放量減少20%～80%，CO2排放減少20%～30%，更易滿足Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的要求[1]。

在船上儲(chǔ)存天然氣最有效的方法是將其液化。天然氣的主要成分為甲烷，通過將其液化，可使其體積縮小為原體積的 1/600，便于減小艙容，提高運(yùn)輸效率。另外，傳統(tǒng)重油的熱值為 38～40MJ/kg，密度為980～1010kg/m3；LNG 的熱值約為 50MJ/kg，比重油的熱值高，但其密度較小，為 425～470kg/m3，通常LNG燃料艙會(huì)占用更大的空間[2]。因此，在達(dá)到同等續(xù)航能力的條件下，LNG燃料艙會(huì)比傳統(tǒng)重油燃料艙大很多，通常約為重油燃料艙的1.8倍。

超大型集裝箱船所需LNG燃料艙的艙容通常在10000m3以上，傳統(tǒng)C型艙因空間利用率較低已不適用，可采用薄膜型或棱形B型艙作為LNG燃料艙。當(dāng)前薄膜型艙在LNG運(yùn)輸船上的應(yīng)用已較為成熟，且薄膜型艙比棱形B型艙成本低。目前，常見的設(shè)計(jì)方案是將薄膜型LNG燃料艙布置在機(jī)艙前部或上層建筑下方。

1 雙燃料用戶

超大型雙燃料集裝箱船一般采用雙燃料低速機(jī)作為推進(jìn)主機(jī)，采用雙燃料中速機(jī)作為主電站柴油機(jī)，同時(shí)配備雙燃料鍋爐或氣體焚燒裝置（GCU）處理應(yīng)急情況下的自然蒸發(fā)氣體（Boil Off Gas, BOG）。

雙燃料低速機(jī)一般采用WinGD公司的XDF系列機(jī)型或MAN公司的ME-GI系列機(jī)型，雙燃料發(fā)電機(jī)組一般采用2500～5000kW的四沖程中速機(jī)。四沖程發(fā)電機(jī)多采用奧托循環(huán)，采用電火塞或引燃油點(diǎn)燃。二沖程低速機(jī)方案分為2種：

1) 以WinGD公司為代表的低壓系統(tǒng)，其特點(diǎn)是供氣壓力低（約為1.6MPa），供氣系統(tǒng)方案簡單，同時(shí)在氣體模式下已滿足IMO Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，主要缺點(diǎn)是在燃油模式下油耗高；

2) 以MAN公司為代表的高壓系統(tǒng)，其特點(diǎn)是供氣壓力高（約為30MPa），供氣系統(tǒng)較復(fù)雜，延續(xù)了常規(guī)燃料機(jī)的高效率[3]，在燃油模式和燃?xì)饽Ｊ较碌哪芎幕旧吓c常規(guī)燃料機(jī)相同，但其成本較高，同時(shí)因?yàn)樵谌細(xì)饽Ｊ较虏粷M足 IMO Tier Ⅲ排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，需增加選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction,SCR）系統(tǒng)或廢氣再循環(huán)（Exhaust Gas Re-circulation, EGR）系統(tǒng)以達(dá)到IMO Tier III排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在正常工作情況下，雙燃料鍋爐或GCU的供氣壓力一般與雙燃料發(fā)電機(jī)的壓力類似。同時(shí)，考慮到應(yīng)急情況下壓縮機(jī)可能無法正常工作，雙燃料鍋爐或GCU也具有在近似大氣壓力下處理多余BOG的功能（free flow功能）。

近幾年雙燃料主機(jī)方案已大致成熟，雙燃料主機(jī)及發(fā)電機(jī)種類見表1。

表1 雙燃料主機(jī)及發(fā)電機(jī)種類

2 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)

LNG運(yùn)輸船在營運(yùn)過程中必然會(huì)產(chǎn)生自然BOG，將這部分BOG送至雙燃料發(fā)電機(jī)作為燃料，不僅能解決LNG貨艙壓力和BOG處理的問題，而且能解決廢氣中NOx和SOx排放的問題[4]。當(dāng)前LNG運(yùn)輸船的艙容一般為14萬～22萬m3，即使采用最先進(jìn)的絕緣圍護(hù)系統(tǒng)，每天產(chǎn)生的自然BOG也很多，這些自然BOG的量基本上接近LNG運(yùn)輸船全速航行時(shí)消耗的燃料量。LNG運(yùn)輸船通常需配備較小的LNG燃料泵和再液化裝置，其中：LNG燃料泵用來補(bǔ)充LNG運(yùn)輸船高速航行時(shí)自然BOG的不足量；再液化裝置用來將船舶低速航行工況下產(chǎn)生的多余自然BOG再液化，減少LNG貨物的損失。

超大型集裝箱船的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)與LNG 運(yùn)輸船不同。對于超大型集裝箱船而言，若考慮往返航次的燃料消耗量，通常需18000～20000m3的艙容。LNG自然BOG的產(chǎn)生量較少，因此船舶航行時(shí)采用的LNG燃料主要來自強(qiáng)制BOG。同時(shí)，為降低LNG燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的成本，不傾向于在大型集裝箱船上配備價(jià)格較高的再液化裝置和迷宮式高壓BOG壓縮機(jī)。大型雙燃料集裝箱船的LNG燃?xì)夤┙o系統(tǒng)設(shè)計(jì)要優(yōu)化BOG處理，一方面要求保證整個(gè)系統(tǒng)的安全性（通常采用的方案是使用GCU或雙燃料鍋爐處理應(yīng)急情況下無法消耗的BOG）；另一方面要求減少整個(gè)系統(tǒng)無法使用的BOG，以提高整船的經(jīng)濟(jì)性。典型的超大型集裝箱船LNG 燃?xì)夤┙o系統(tǒng)方案見圖1。

圖1 典型的超大型集裝箱船LNG燃?xì)夤┙o系統(tǒng)方案

圖1中的方案a僅適用于XDF的1.6MPa供氣系統(tǒng)，對于ME-GI機(jī)型而言，需考慮采用方案b，這是因?yàn)閷OG壓縮到30MPa通常需采用迷宮密封的活塞壓縮機(jī)，成本較高，且大型集裝箱船上的BOG量有限，可由發(fā)電機(jī)等低壓用戶消耗掉，或通過再冷凝裝置液化一部分。

3 船舶航行過程中的自然BOG消耗

對于超大型集裝箱船而言，LNG燃料艙自然蒸發(fā)的天然氣不能滿足雙燃料主機(jī)和發(fā)電機(jī)的需求。因此，LNG燃料大部分是通過LNG燃?xì)獗脤NG增壓之后經(jīng)過LNG 蒸發(fā)器壓氣化（強(qiáng)制蒸發(fā)氣）送到氣體用戶的，同時(shí)自然BOG可通過壓縮機(jī)送到氣體用戶。某超大型集裝箱船的天然氣消耗量見表2，基于純甲烷進(jìn)行估算，密度取425kg/m3，低熱值取50000kJ/kg。

表2 某超大型集裝箱船的天然氣消耗量

為達(dá)到燃油同等里程，LNG燃料艙約需2倍的艙容。對于超大型集裝箱船而言，通常需18000～20000m3的艙容。絕緣層厚度通常為 270～400mm，日蒸發(fā)率為 0.2%～0.3%。對于某超大型集裝箱船而言，燃料艙容積為18600m3，絕緣層厚度為270mm，日蒸發(fā)率為0.26%，計(jì)算燃料艙自然BOG量約為840kg/h， 基于氣耗150g/(kW·h)、電機(jī)效率96%估算的電功率，相當(dāng)于5380kW。

由表2可知，在冷箱負(fù)荷較小的情況下，LNG燃料艙自然蒸發(fā)的天然氣量通常會(huì)大于發(fā)電機(jī)的天然氣消耗量，因此需考慮將自然BOG提供給主機(jī)使用，下面比較3種BOG處理方式：

1) BOG壓縮機(jī)采用1.6MPa級別的中壓壓縮機(jī)，BOG可供主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐使用，該方案不適用于MAN ME-GI機(jī)型；

2) BOG壓縮機(jī)采用0.6MPa級別的低壓壓縮機(jī)，BOG僅供發(fā)電機(jī)和雙燃料鍋爐（應(yīng)急情況和加熱蒸氣不夠）使用；

3) BOG壓縮機(jī)采用0.6MPa級別的低壓壓縮機(jī)，通過再冷凝器，部分或全部BOG可供主機(jī)使用。

在上述3種處理方式中，前2種處理方式分別對應(yīng)圖1中的方案a和方案b，第3種處理方式中的再冷凝器方案（方案c）見圖2，其原理是利用高壓LNG冷卻0.6MPa左右的BOG，各壓力下LNG的沸點(diǎn)見表3。

圖2 配LNG再冷凝器的燃?xì)庀到y(tǒng)

表3 各壓力下LNG的沸點(diǎn)

根據(jù)上述數(shù)值和各狀態(tài)下的比焓和汽化潛熱，可估算再冷凝器的再液化能力。根據(jù)廠家的估算，再冷凝量約為20%的主機(jī)（對于ME-GI主機(jī)而言）氣體消耗量。由上述計(jì)算所得BOG消耗量可知，在NCR狀態(tài)下再冷凝器可將100%的BOG再液化，若考慮在航行狀態(tài)下有370kg/h的耗電量，則主機(jī)只需氣體消耗2350kg/h（主機(jī)功率約為16810kW）即可將剩余的BOG汽化，以便供主機(jī)使用。另外，再冷凝器的成本比直接再液化裝置低，當(dāng)LNG泵始終對外供氣時(shí)，可確保BOG再冷凝器的冷源[4]。

可根據(jù)超大型集裝箱船的實(shí)際運(yùn)行情況估算各方案對BOG的有效處理能力。表4為某大型集裝箱船實(shí)際運(yùn)行過程中各工況持續(xù)時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的百分比，分別對應(yīng)各種吃水和航速?？紤]到低速工況持續(xù)時(shí)間占整體運(yùn)行時(shí)間的比例很小，可將其忽略不計(jì)。

表4 某大型集裝箱船實(shí)際運(yùn)行過程中各工況持續(xù)時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的百分比

根據(jù)表4和實(shí)際大型集裝箱的航速、吃水和功率曲線，可估算集裝箱船在各運(yùn)行工況下的功率（見表5）。

表5 集裝箱船各運(yùn)行工況下的功率估算

冷箱負(fù)荷通常與船舶實(shí)際運(yùn)營有關(guān)，同時(shí)與市場經(jīng)濟(jì)情況相關(guān)。若不考慮冷箱負(fù)荷，可估算BOG無法完全消耗的百分比，同時(shí)大型集裝箱船可裝載一定數(shù)量的冷箱，因此各方案的BOG處理能力可以裝載多少冷箱量來表征，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 某大型集裝箱船航行過程中BOG消耗情況

從表6中可看出，在航行工況下：方案a產(chǎn)生的BOG幾乎都能被主機(jī)和發(fā)電機(jī)及時(shí)消耗；方案b需依賴發(fā)電機(jī)負(fù)荷（額外的冷箱）消耗多余的BOG；方案c在極少數(shù)工況下無法消耗掉多余的BOG，這部分BOG可通過壓力升高的方式存儲(chǔ)在LNG燃料中，在高負(fù)荷時(shí)可通過主機(jī)消耗掉，該方案適用于ME-GI主機(jī)。

XDF主機(jī)通常會(huì)采用方案a，而ME-GI主機(jī)傾向于方案c，通過比較方案a與方案c可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前XDF主機(jī)相對于ME-GI主機(jī)在大型集裝箱船上有一定的優(yōu)勢，包括：BOG控制靈活，燃料艙壓力小、溫度低；系統(tǒng)簡單，系統(tǒng)控制相應(yīng)簡單；成本低。

若在很多工況下BOG都無法使用，可能需考慮通過增大薄膜型燃料艙的絕緣厚度來降低BOG產(chǎn)生量。

4 船舶在碼頭和加注狀態(tài)下的自然BOG消耗

船舶在航行過程中產(chǎn)生的BOG通常會(huì)被主機(jī)和發(fā)電機(jī)消耗掉，而在碼頭和加注狀態(tài)下的BOG通常比較難消耗。圖3為加注LNG時(shí)自然BOG狀態(tài)。

圖3 加注LNG時(shí)自然BOG狀態(tài)

根據(jù)估算，加注船與集裝箱船之間的壓差控制在14kPa，加注時(shí)產(chǎn)生的BOG大多數(shù)通過活塞效應(yīng)回到加注船，少量多余的BOG可通過集裝箱船或加注船消耗掉。

通常，導(dǎo)致 LNG燃料艙壓力不斷升高的階段出現(xiàn)在剛加注完成時(shí)，此時(shí)：LNG消耗量比較少；低速操縱時(shí)間比較長，約8h；加注過程中帶入的熱量造成BOG量增加。

圖4為無BOG消耗時(shí)LNG燃料艙壓力時(shí)程曲線，顯示加注完之后艙壓有足夠的余量留給加注完的操縱時(shí)間。若艙壓由于氣體的原因（如管內(nèi)阻力過大、加注速率過快和外界熱量過大等）造成BOG大量產(chǎn)生，應(yīng)將過量的BOG送入雙燃料鍋爐，以保持燃料艙在正常壓力操作范圍內(nèi)。此外，可通過增大薄膜型燃料艙絕緣層的厚度來降低總體BOG產(chǎn)量，這通常會(huì)增加較多的成本。

圖4 無BOG消耗時(shí)LNG燃料艙壓力時(shí)程曲線

5 結(jié) 語

通過對某大型集裝箱船航行過程中自然BOG的消耗量分析可知：XDF的低壓系統(tǒng)相對于ME-GI高壓系統(tǒng)在自然BOG控制上有一定的優(yōu)勢，這種優(yōu)勢可使整個(gè)系統(tǒng)的成本降低；同時(shí)，LNG燃料艙的壓力可控制在較小的范圍內(nèi)以保證LNG液體溫度較低。ME-GI系統(tǒng)需考慮使用再冷凝器，以便合理地處理BOG。

船舶在加注LNG時(shí)的自然BOG消耗一般通過控制LNG燃料艙壓力來完成，若多余的BOG無法消耗，既可通過雙燃料鍋爐或GCU來降低總的自然BOG量，也可考慮通過增加LNG燃料艙絕緣層的厚度來降低總的自然BOG量。