孟繁偉， 王 怡

(1.中船郵輪科技發(fā)展有限公司， 上海 200137； 2.上海外高橋造船有限公司， 上海 200137)

0 引 言

隨著國際海事組織(International Maritime Organization, IMO)對船舶污染物排放要求的日益嚴格，液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃料已成為國際船舶未來主要替代燃料之一[1]。根據(jù)《國際防止船舶造成污染公約》[2](MARPOL附則VI防止船舶空氣污染規(guī)則)要求，所有經(jīng)過排放控制區(qū)域的船舶必須滿足硫氧化物及氮氧化物的排放要求，這將進一步刺激市場對天然氣動力船的需求。

對于雙燃料動力船而言，在設(shè)計過程中需考慮相關(guān)規(guī)范對船舶安全使用LNG 的相應(yīng)要求，以確保雙燃料發(fā)動機的安全運行。氣態(tài)和液態(tài)天然氣均屬于高度易燃易爆物質(zhì)[3]，且以極低溫度儲存，一旦泄漏會對人員造成嚴重凍傷并使常溫管材和設(shè)備產(chǎn)生脆裂現(xiàn)象[4]。LNG易氣化揮發(fā)，當(dāng)與空氣混合且達到一定比例時，易發(fā)生火災(zāi)和爆炸事故。

一般液化氣與空氣混合比在1.5%～15%屬于可燃范圍，液化氣和空氣的比值低于1.5%時稱為過稀，高于15%時稱為過濃，過稀和過濃都不會引起燃燒或爆炸。然而在LNG燃料處理過程中，LNG燃料儲存艙內(nèi)的氣體組成會持續(xù)處于這個可燃范圍(丁烷的可燃極限為1.5%～9%，甲烷的可燃極限為5%～15%)內(nèi)，因此必須采取一些特殊的預(yù)防措施加以避免該問題。

為保證船舶的安全運營，相關(guān)規(guī)范、規(guī)則及船級社要求在雙燃料動力船上使用氮氣對燃氣閥組(Gas Valve Unit， GVU)、燃氣管、雙燃料發(fā)動機等部件進行吹洗，使其中空氣的含氧量減少至不能支持火災(zāi)或爆炸的程度，以避免形成爆炸危險環(huán)境，對船舶進行有效保護。為保證氮氣系統(tǒng)的可靠性，通常在雙燃料動力船上設(shè)置專門的氮氣發(fā)生器，將其產(chǎn)生的氮氣作為船上相關(guān)設(shè)備和部件的吹掃氣體。

本文以某20 000 TEU大型雙燃料集裝箱船為研究對象，從安全的角度出發(fā)并結(jié)合規(guī)范要求，提出氮氣系統(tǒng)的設(shè)計與配置方案，為相關(guān)研究及工程設(shè)計提供參考。

1 氮氣系統(tǒng)概述

1.1 氮氣系統(tǒng)構(gòu)成

氮氣系統(tǒng)主要由氮氣發(fā)生器和氮氣緩沖罐組成。氮氣發(fā)生器從供氣空壓機獲取壓縮空氣，空氣經(jīng)干燥和過濾后送至氮氣發(fā)生器進行處理，其后產(chǎn)生的氮氣排至氮氣緩沖罐進行儲存，在用氣時氮氣從氮氣緩沖罐輸送至各用戶。圖1為氮氣系統(tǒng)工作流程圖。

圖1 氮氣系統(tǒng)工作流程

氮氣系統(tǒng)可提供滿足雙燃料動力船所需的氮氣。氮氣規(guī)格如表1所示。

表1 氮氣規(guī)格

1.2 規(guī)范對氮氣系統(tǒng)的要求

氮氣系統(tǒng)與雙燃料動力船上其他系統(tǒng)一樣，在設(shè)計時必須遵循相關(guān)的規(guī)范、規(guī)則以及相關(guān)設(shè)備制造廠的要求和推薦。其中， IMO制定的強制性規(guī)定《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》(InternationalCodeofSafetyforShipsUsingGasesorOtherLow-FlashpointFuels， IGF規(guī)則)[5]中的要求是必須滿足的，且適用于所有雙燃料動力船。

根據(jù)IGF規(guī)則相關(guān)規(guī)定，氮氣系統(tǒng)的設(shè)計須滿足以下要求：

(1) 惰性氣體系統(tǒng)須實現(xiàn)清除燃料加注管路可燃氣體的功能，當(dāng)不進行加注操作時，須保證管線內(nèi)無可燃氣體。

(2) 惰化和吹掃系統(tǒng)的主要目的是防止燃料系統(tǒng)的管系、燃料艙、設(shè)備和鄰近處所的內(nèi)部、附近或周圍形成可燃氣體。

(3) 燃料系統(tǒng)的惰化和吹掃程序須確?？諝獠槐灰牍芟祷蛉剂吓?，氣體燃料不被引入鄰近燃料系統(tǒng)的圍阱或處所。

(4) 加注管路須布置成具備惰化和除氣功能。當(dāng)加注管路閑置時，須保持除氣狀態(tài)，除非不除氣的后果已經(jīng)經(jīng)過評估和批準。

1.3 氮氣系統(tǒng)功能

雙燃料動力船氮氣系統(tǒng)的功能是提供足夠容量的氮氣用于如下用途：(1)LNG加注管路在加注后的惰化；(2)LNG燃料管路在維修前的惰化；(3)LNG燃料儲存艙驅(qū)氣后的透氣；(4)LNG燃料儲存艙絕緣層空間的供氣和吹掃；(5)蒸發(fā)氣(Boiled Off Gas， BOG)壓縮機的密封；(6)向主/副機和鍋爐GVU的吹掃；(7)LNG加注管、氣液管路、放空管和儀表等的吹洗；(8)泄漏試驗連接；等等。

需要注意的是，LNG燃料儲存艙在初次加注或維修后再加注都需使用氮氣對LNG燃料儲存艙進行氮氣置換惰化并用液氮初步冷卻儲罐艙體。這需要設(shè)置臨時設(shè)施來供給氮氣，通常使用液氮槽罐車運輸液氮，液氮氣化后向船上供給氮氣用于惰化和冷卻。初步估計20 000 TEU雙燃料集裝箱船上置換和冷卻用的液氮耗量約200 m3，該耗量不包括船上氮氣發(fā)生器產(chǎn)生的氮氣容量。

2 氮氣系統(tǒng)設(shè)計

2.1 氮氣用途和耗量

為維護LNG燃料供氣系統(tǒng)的安全運行，需連續(xù)或者間歇性地對一些用氣設(shè)備和燃料管路進行氮氣吹掃、密封和置換。

表2 氮氣系統(tǒng)用戶及耗氣量

根據(jù)表2中的計算結(jié)果，氮氣的連續(xù)耗量為10 m3/h，間歇耗量為82 m3/h。按30 d的續(xù)航力計算，氮氣消耗總量約7 200 m3(30 d×24 h×10 m3/h)。

2.2 氮氣供氣模式選擇

選擇氮氣的供氣模式，需兼顧氮氣連續(xù)耗量和間歇耗量，同時也需考慮在續(xù)航期內(nèi)的總體消耗量。目前廣泛應(yīng)用的小型供氮系統(tǒng)主要有以下幾種型式：

(1) 氮氣瓶組。氮氣瓶組的型式適合小型LNG氣站，該方案可連續(xù)供氣，也可間歇性供氣。20 000 TEU大型雙燃料集裝箱船續(xù)航時間長，在續(xù)航期內(nèi)氮氣消耗總量大，需要的瓶組也較多，占用空間大，因此該方案不適用該船型。

(2) 液氮儲存氣化。通過在船上儲存液氮然后再氣化供應(yīng)氮氣是一種常用的氮氣供應(yīng)方式，液氮通常布置在主甲板上，該方案在一些LNG運輸船上有應(yīng)用案例?？紤]到20 000 TEU大型雙燃料集裝箱船主甲板空間局限性及設(shè)備管理問題，該方案不適用。

(3) 薄膜式氮氣發(fā)生器。膜分離技術(shù)的原理是采用高科技中空纖維膜，當(dāng)氣體混合物通過高分子膜時，不同氣體在膜中相對滲透速率不同，從而實現(xiàn)混合氣體分離的目的。薄膜式氮氣發(fā)生器的體積小且運行可靠，是常用的制氮設(shè)備，但薄膜制氮的空氮比例高，與相同規(guī)格的變壓吸附式(Pressure Swing Adsorption， PSA)氮氣發(fā)生器相比價格較高。

(4) PSA式氮氣發(fā)生器。PSA式氮氣發(fā)生器是以空氣為原料、以碳分子篩為吸附劑，利用其對氧與氮的選擇性吸附而使氮和氧分離的方法，是純物理的分離方法。該型式氮氣發(fā)生器制氮方便快捷、可靠穩(wěn)定，可提供持續(xù)不間斷的氮氣供應(yīng)；與其他制氮方式相比，其具備運行成本低、能耗低和效率高等優(yōu)點，且產(chǎn)生氮氣的質(zhì)量較高，氮氣純度可達99.999%。

結(jié)合上述分析結(jié)果，綜合對比不同型式氮氣發(fā)生器的空氮比和設(shè)備價格等因素，20 000 TEU大型雙燃料集裝箱船更適宜使用PSA式氮氣發(fā)生器作為船上氮氣系統(tǒng)的氮氣來源。氮氣系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 大型雙燃料集裝箱船氮氣系統(tǒng)原理圖

在系統(tǒng)工作時，將抽取的空氣由空壓機壓縮至一定壓力后，先后送入空氣干燥器和過濾器去除壓縮空氣里的水分和雜質(zhì)，之后排至空氣瓶，給氮氣發(fā)生器提供空氣，空氣進入氮氣發(fā)生器后經(jīng)過處理得到滿足要求的氮氣，產(chǎn)生的氮氣送入氮氣緩沖罐后便可送至BOG壓縮機、加注站、GVU及相關(guān)燃料管路等多個處所以實現(xiàn)密封或吹掃的功能。

3 氮氣系統(tǒng)配置

以20 000 TEU大型雙燃料集裝箱船為例，確定氮氣系統(tǒng)內(nèi)各主要設(shè)備的容量，相關(guān)計算如下。

3.1 氮氣發(fā)生器數(shù)量計算

為確定PSA式氮氣發(fā)生器的制氮能力，主要考慮如下因素：

(1) 氮氣連續(xù)供氣量(10 m3/h)：系統(tǒng)需要連續(xù)供氣時的氮氣消耗量；

(2) 最大氮氣間歇供氣量(LNG 燃料儲存艙絕緣層空間吹掃30 m3/h)：系統(tǒng)間歇需要供氣時的氮氣消耗量；

(3) 系統(tǒng)設(shè)計裕量：為保證氮氣系統(tǒng)工作的可靠性，需為系統(tǒng)考慮20%的設(shè)計裕量；

基于上述因素，PSA式氮氣發(fā)生器的制氮能力為(氮氣連續(xù)供氣量+氮氣間歇供氣量)×120% = 48 m3/h?？紤]到系統(tǒng)冗余，該船配置2臺PSA式氮氣發(fā)生器。

3.2 氮氣緩沖罐容積計算

氮氣緩沖罐的容量通常應(yīng)按照LNG供氣系統(tǒng)廠家和船舶建造規(guī)格書要求進行選擇，氮氣緩沖罐應(yīng)設(shè)計有足夠容量以防止氮氣發(fā)生器在正常航行過程中每小時超過2次的頻繁啟動，從而影響其使用壽命，氮氣發(fā)生器會根據(jù)氮氣緩沖罐的壓力自動起停。

氮氣緩沖罐容積計算公式如下：

V=(Δm·R·T)/(Δp·MW)

式中：Δm為5 min吹掃所需的氮氣質(zhì)量(單次操作的最大量為80 m3/h，加注時吹掃LNG管)，Δm= 80 m3×5 min ×1.25 kg/m3/(60 min)= 8.4 kg；R為氣體常數(shù), 取8.314 J/(mol·k)；T為大氣溫度, 取303 K；Δp為儲罐壓降, 取0.4 MPa；MW為氮氣摩爾質(zhì)量, 取28 g/mol。

通過計算，氮氣緩沖罐容積為1.88 m3，實際選用1.9 m3。

3.3 空壓機容量計算

PSA式氮氣發(fā)生器的空氣來源為壓縮空氣，其制氮所消耗的壓縮空氣量根據(jù)氮氣發(fā)生器廠商的空氮比經(jīng)驗值估算，根據(jù)相關(guān)廠商參考資料，當(dāng)?shù)獨饧兌?體積分數(shù))為97%時本船所選用氮氣發(fā)生器的空氮比為2，即每臺制氮裝置至少需要的供氣壓縮空氣量預(yù)估為96 m3/h，壓力為7 bar。對于2臺制氮裝置則需配置2臺至少96 m3/h的空氣壓縮機。

綜上所述，該大型雙燃料集裝箱船氮氣系統(tǒng)主要設(shè)備配置選型如表3所示。

表3 氮氣系統(tǒng)設(shè)備配置選型

4 結(jié)束語

結(jié)合IGF規(guī)則要求，以20 000 TEU大型雙燃料集裝箱船為研究對象，對該船的氮氣系統(tǒng)設(shè)計與配置方案包括氮氣系統(tǒng)工作原理、氮氣發(fā)生器選型的主要設(shè)備容量計算進行分析。研究表明，對于雙燃料動力船，必須滿足IGF規(guī)則中對于氮氣系統(tǒng)的要求，對船上LNG燃料儲存艙、燃料管道及相關(guān)用氣設(shè)備等處所使用氮氣進行惰化或吹掃，使得系統(tǒng)中的天然氣完全被氮氣取代，徹底消除可能的爆炸風(fēng)險。

隨著雙燃料動力船舶的日益增多，相關(guān)船上的安全性也得到越來越多的重視，在船上配置氮氣系統(tǒng)是防范燃氣風(fēng)險的重要手段之一。本文所述的氮氣系統(tǒng)是針對大型雙燃料集裝箱船的，設(shè)計思路與其他雙燃料動力船類似，可供相關(guān)設(shè)計人員參考。