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)
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。
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
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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
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。