蔣士興，潘偉宸

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

近年來，船舶動(dòng)力的排放污染對(duì)環(huán)境的嚴(yán)重影響受到了國際社會(huì)的極大關(guān)注，節(jié)能減排、采用清潔綠色能源已成為當(dāng)前船舶航運(yùn)業(yè)發(fā)展的主題。液化天然氣(LNG)燃燒后的主要產(chǎn)物為二氧化碳和水，和當(dāng)前船舶動(dòng)力推進(jìn)普遍采用的燃料油或柴油相比，是一種清潔能源。隨著現(xiàn)代船舶行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，將柴油和LNG相結(jié)合作為燃料的船舶動(dòng)力系統(tǒng)越來越受到船東們的青睞。

自從2000年挪威開發(fā)了第一艘LNG動(dòng)力船以后，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于LNG船的供氣系統(tǒng)開展了大量的研究。國外研究方面：GROTLE等在對(duì)供氣系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究海洋液化天然氣燃料箱中由于晃動(dòng)而增強(qiáng)的熱響應(yīng)；SEO等提出了一種不使用低溫泵而向低壓發(fā)動(dòng)機(jī)供應(yīng)LNG的增壓系統(tǒng)；PARK等設(shè)計(jì)了一種用于高壓發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)來輔助供氣系統(tǒng)。SON等對(duì)小型BOG再液化過程的動(dòng)態(tài)行為和控制系統(tǒng)進(jìn)行了建模和分析。國內(nèi)研究方面：2010年8月長江上試航成功第一艘雙燃料改裝船；王濤等對(duì)雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)進(jìn)行了研究；唐浩則是針對(duì)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)夤┙o提供了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

面對(duì)綠色船舶發(fā)展的需要，采用雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)的船舶一定是未來的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。供氣系統(tǒng)作為雙燃料動(dòng)力系統(tǒng)中重要組成部分之一，對(duì)其進(jìn)行深入的研究與設(shè)計(jì)是非常必要的。為此，本文以48 500載重噸油船為研究對(duì)象，在研究該油船設(shè)計(jì)的雙燃料供氣系統(tǒng)的燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)、輔助系統(tǒng)、安全系統(tǒng)和自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了一種低成本、低污染及低能耗的供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 雙燃料MR油船供氣系統(tǒng)概述

1.1 供氣系統(tǒng)概述

48 500載重噸油船是一艘裝載二類、三類化學(xué)品、成品油并由低速雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的單機(jī)單舵的化學(xué)品/成品油船。該船LNG供氣系統(tǒng)(FGSS)是船上儲(chǔ)存LNG并將其作為燃料供給雙燃料主機(jī)、發(fā)電機(jī)及鍋爐使用的裝置。LNG通過左右舷的2個(gè)加氣站注入2個(gè)LNG罐。為了維持LNG安全儲(chǔ)存所需的低溫、壓力及最大的閃蒸蒸汽(BOG)維持時(shí)間，推薦使用蒸汽回收系統(tǒng)。正常運(yùn)行時(shí)，壓力應(yīng)保持在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力以下。儲(chǔ)罐的排氣管道上裝有2個(gè)泄壓閥和 1個(gè)自動(dòng)閥，以防止儲(chǔ)罐超壓損壞。

FGSS的主要功能是由燃?xì)夤┙o泵將LNG儲(chǔ)罐中的液化天然氣輸送到LNG汽化器和加熱器汽化后再輸送到緩沖罐，最終經(jīng)過各自的氣體閥組單元分別輸送到主機(jī)、發(fā)電機(jī)及鍋爐。儲(chǔ)罐產(chǎn)生的BOG由BOG壓縮機(jī)壓縮后也可供主機(jī)、輔機(jī)及鍋爐使用。因此，當(dāng)使用LNG作為燃料時(shí)，儲(chǔ)罐中的液化天然氣將被LNG供給泵加壓到發(fā)動(dòng)機(jī)所需的壓力，然后將液化天然氣通過LNG汽化器和NG加熱器加熱成滿足一定溫度要求的氣體供應(yīng)到NG緩沖罐，最后通過主閥進(jìn)入雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)或雙燃料鍋爐。儲(chǔ)罐內(nèi)的BOG也可以通過BOG加熱器自由流入鍋爐，供鍋爐燃燒。

在總體布置方面：LNG燃料供給泵安裝在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)，水-乙二醇模塊安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)室，LNG汽化器模塊、主輔緩沖罐及BOG壓縮機(jī)模塊布置在燃料準(zhǔn)備室(FPR室)，制氮模塊布置在機(jī)艙。

1.2 設(shè)備選型及參數(shù)

(1)主推進(jìn)裝置為1臺(tái)雙燃料主機(jī)(WinGD 6X52DF), 主機(jī)燃?xì)鈿夂臑?45 g/kWh，主機(jī)的合同最大持續(xù)功率點(diǎn)(CMCR)為7 250 kW，用氣量為1 101 kg/h，燃?xì)夤?yīng)壓力為1.6 MPa。輔助裝置包括3臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)和1臺(tái)雙燃料鍋爐等，發(fā)電機(jī)功率為900 kW，每臺(tái)用氣量為205 kg/h，鍋爐的用氣量為18 000 kg/h。

(2)FGSS設(shè)備的主要參數(shù)如下：LNG供應(yīng)容量2 747 kg/h，最大供氣壓力1.4 MPa，LNG儲(chǔ)罐體積2×1 250 m，船舶熱源供應(yīng)約 1 020 kW，水-乙二醇質(zhì)量流量約 55 000 kg/h，總耗電量約 100 kW。

(3)LNG總用氣量約為2 747 kg/h?？紤]1臺(tái)主機(jī)、2臺(tái)發(fā)電機(jī)、1臺(tái)鍋爐用氣量作為輸入條件來設(shè)計(jì)FGSS的LNG泵、LNG汽化器和NG加熱器。

(4)LNG儲(chǔ)罐的BOG是通過1臺(tái)BOG預(yù)加熱器(容量為400 kg/h)加熱后由1臺(tái)容量為328 kg/h的BOG壓縮機(jī)來處理的，然后供主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐使用。

2 供氣系統(tǒng)的組成及設(shè)計(jì)

2.1 燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 LNG加氣站

(1)FGSS包含加氣站。LNG加氣站是按照國際氣體燃料動(dòng)力船協(xié)會(huì)及相關(guān)規(guī)定設(shè)計(jì)的。2個(gè)加氣站分別安裝在左舷和右舷，在露天甲板上應(yīng)有遮蔽以防組件被腐蝕。

(2)每個(gè)液灌通岸的連接管路和蒸汽回流管路的連接點(diǎn)都設(shè)有1個(gè)手動(dòng)和遙控氣動(dòng)組合閥。這些緊急停機(jī)閥門應(yīng)該是“故障關(guān)閉”型。由信號(hào)關(guān)閉時(shí)間和閥門關(guān)閉時(shí)間所組成的總關(guān)閉時(shí)間應(yīng)滿足船級(jí)社要求，其中液體管路通徑為150 mm，蒸汽回流管路通徑為100 mm。

(3)滴注盤要安裝在液體管路連接處的下方，由不銹鋼制成，通過舷外管道中的球閥將積液排出舷外。

(4)舷外管道最好通向靠近大海的地方，同時(shí)要有必要的壓力、溫度指示。加注液體管路進(jìn)口應(yīng)裝有過濾器。

(5)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是通過蒸汽回流來完成燃料箱的加氣。加燃料前一定要檢查并計(jì)算液化天然氣儲(chǔ)罐的加氣極限。

2.1.2 LNG儲(chǔ)罐

(1)FGSS包含2個(gè)LNG儲(chǔ)罐。LNG儲(chǔ)罐要按照《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國際安全規(guī)則》(IGF規(guī)則)設(shè)計(jì)制造，正常運(yùn)行時(shí)壓力應(yīng)保持在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力以下。

(2)儲(chǔ)罐整體進(jìn)行絕緣覆蓋。頂部設(shè)有1個(gè)穹頂和1個(gè)人孔，底部裝有1個(gè)凹槽。采用穹頂設(shè)計(jì)是為了放置LNG供給泵、罐體接口、(溫度、液位、壓力)監(jiān)測裝置、儲(chǔ)罐連接件、閥門和儲(chǔ)罐附件。罐內(nèi)安裝加強(qiáng)環(huán)、防晃板和防浮防滾固定裝置。

(3)儲(chǔ)罐的排氣管道上裝有2個(gè)安全閥和1個(gè)自動(dòng)閥，以防儲(chǔ)罐的超壓損壞。

(4)根據(jù)IGF規(guī)則，充入到罐內(nèi)的最大LNG體積的計(jì)算公式為

V

=0.95

V

(

d

/

d

)式中：

V

為儲(chǔ)罐可裝載的最大容積，m；

V

為儲(chǔ)罐容積，m；

d

為LNG在基準(zhǔn)溫度下的體積質(zhì)量；

d

為LNG在裝載溫度下的體積質(zhì)量。

(5)LNG儲(chǔ)罐還需要考慮設(shè)計(jì)用于冷卻、干燥和惰化的管系。在干燥和惰化方面，第一次加注燃料時(shí)，應(yīng)將儲(chǔ)罐內(nèi)的水分和氧氣含量降至最低，該操作必須要在常溫下用干燥的氮?dú)鈦硗瓿?，從LNG罐底部注入氮?dú)鈦碇脫Q空氣。當(dāng)LNG儲(chǔ)罐的露點(diǎn)低于-45 ℃，且貨艙含氧量降至2%時(shí)，即完成了干燥惰化過程。在采樣點(diǎn)應(yīng)定期測量露點(diǎn)和含氧量。

(6)通常情況下，液氮通過液體噴霧管噴入LNG儲(chǔ)罐起到冷卻作用。流量必須通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥小心調(diào)節(jié)，使得冷卻速度不超過每小時(shí)10 ℃。由于在液體沸騰和罐壓上升之間有一個(gè)時(shí)間延遲，為了避免罐壓超過儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力，正常情況下自動(dòng)排氣閥可保持開啟狀態(tài)。當(dāng)每個(gè)液罐頂部和底部的溫度傳感器顯示平均溫度為-130 ℃或更低時(shí)，LNG儲(chǔ)罐的冷卻才被認(rèn)為完成，然后LNG就可以裝艙。如果使用LNG來冷卻儲(chǔ)罐，在此之前應(yīng)該使用常溫天然氣代替氮?dú)狻Ｌ烊粴庥砂渡瞎?yīng)，通過蒸汽管路引入液化天然氣罐頂部，替換空氣或者氮?dú)猓瑲怏w通過液體管路排放到大氣中。

2.1.3 LNG供給泵

(1)LNG供給泵布置在LNG儲(chǔ)罐內(nèi)，主要用于給LNG加壓到主機(jī)所需的壓力。

(2)在本設(shè)計(jì)中，給每個(gè)儲(chǔ)罐配有2臺(tái)LNG供給泵，總共4臺(tái)。

(3)LNG供給泵的排出壓力和流量由變頻馬達(dá)來控制，所以FGSS可以自動(dòng)調(diào)節(jié)來適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的變化。

2.1.4 汽化器和加熱器

(1)LNG汽化模塊包含LNG汽化器、NG加熱器、BOG加熱器，布置在LNG供給泵下方的燃料準(zhǔn)備室。

(2)LNG汽化器將LNG汽化成天然氣，然后再由NG加熱器將天然氣加熱到所需的溫度。水-乙二醇溶液作為加熱介質(zhì)先后用來加熱LNG和NG，使其能夠達(dá)到一定的溫度范圍。

(3)BOG加熱器和BOG壓縮機(jī)預(yù)熱器也都采用水-乙二醇循環(huán)加熱模塊進(jìn)行加熱，熱源為船舶低溫淡水系統(tǒng)的熱水。

2.1.5 NG緩沖罐

(1)在LNG汽化器、NG加熱器和BOG壓縮機(jī)模塊的下方設(shè)置主緩沖罐，用于維持主機(jī)負(fù)荷變化時(shí)供氣系統(tǒng)壓力穩(wěn)定及快速的壓力調(diào)節(jié)響應(yīng)。

(2)在主緩沖罐出口安裝1個(gè)調(diào)節(jié)閥，可將壓力調(diào)整到主機(jī)的實(shí)際需要。另外1個(gè)調(diào)節(jié)閥與主緩沖罐和輔緩沖罐相連接，可將壓力降至600 kPa，進(jìn)而滿足低壓設(shè)備的要求。

(3)主緩沖罐壓力和溫度需設(shè)有遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和報(bào)警監(jiān)測。輔緩沖罐適用于所有下方的低壓用氣設(shè)備，輔緩沖罐也要設(shè)有壓力和溫度監(jiān)測。

2.1.6 BOG操作系統(tǒng)

(1)為了處理由于儲(chǔ)罐中LNG汽化而產(chǎn)生的BOG，在燃料準(zhǔn)備室中安裝BOG壓縮機(jī)模塊。該模塊包括BOG壓縮機(jī)和BOG壓縮機(jī)預(yù)熱器。

(2)在加氣和正常航行工況下，BOG壓縮機(jī)應(yīng)從LNG儲(chǔ)罐中吸取氣體，壓縮后將BOG輸送到主機(jī)、發(fā)電機(jī)或者鍋爐，以此降低儲(chǔ)罐壓力。BOG壓縮機(jī)排出管連接主緩沖罐和儲(chǔ)罐汽化管。BOG壓縮機(jī)預(yù)熱器安裝在BOG壓縮機(jī)吸入側(cè)的上方。

(3)根據(jù)系統(tǒng)壓力和溫度控制BOG壓縮機(jī)啟停。BOG預(yù)熱器管出口溫度也要檢測，因?yàn)檫^熱或者過冷的BOG將會(huì)干擾BOG壓縮機(jī)的啟停。

2.2 輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 水-乙二醇加熱/冷卻循環(huán)系統(tǒng)

(1)LNG汽化器系統(tǒng)的加熱源是水-乙二醇溶液，用以降低汽化器殼側(cè)結(jié)冰的危險(xiǎn)。

(2)加熱循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)泵、低溫冷卻水-乙二醇換熱器、蒸汽-乙二醇換熱器、膨脹箱、三通溫控閥、蒸汽控制閥、流量開關(guān)組成。三通溫控閥和蒸汽控制閥用來控制低溫冷卻水和蒸汽的溫度。流量開關(guān)用來監(jiān)測加熱循環(huán)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，以保證汽化器和加熱器獲得足夠的熱量。

(3)NG系統(tǒng)和BOG壓縮機(jī)的滑油系統(tǒng)的冷卻源也是水-乙二醇溶液。冷卻循環(huán)系統(tǒng)由循環(huán)泵、管殼式低溫冷卻水-乙二醇換熱器、溫控閥組成。溫控閥用于控制乙二醇水的溫度。

(4)加熱/冷卻循環(huán)系統(tǒng)的膨脹箱都應(yīng)該布置在水-乙二醇管的上方。

2.2.2 氮?dú)庀到y(tǒng)

(1)氮?dú)庥糜诙杌疞NG和NG管道系統(tǒng)，填充后吹掃管道。

(2)氮?dú)庀到y(tǒng)將在正常的航行、加氣及維護(hù)時(shí)吹掃相關(guān)的管道。而氮?dú)饩彌_罐被安裝在制氮器的下方，目的是為了儲(chǔ)存氮?dú)鈦泶祾呦鄳?yīng)的管道。

(3)為防止可燃?xì)怏w回流到任何非危險(xiǎn)空間，惰性氣體供應(yīng)管道應(yīng)該配置2個(gè)串聯(lián)的關(guān)閉閥，而且中間要有1個(gè)排氣閥。

(4)氮?dú)庀到y(tǒng)允許從空氣中連續(xù)地生產(chǎn)純氮和干氮，用于各種用途。

2.3 安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 通風(fēng)系統(tǒng)

(1)FPR室需設(shè)計(jì)有效的負(fù)壓機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。

(2)每個(gè)FPR室的進(jìn)出口都設(shè)有防火風(fēng)閘，通風(fēng)能力滿足30次/h換氣次數(shù)的要求。

(3)雙壁通風(fēng)管道的風(fēng)機(jī)應(yīng)滿足船級(jí)社要求風(fēng)量30次/h，但雙壁通風(fēng)管道環(huán)空壓降不超過5 kPa。

2.3.2 氣體探測系統(tǒng)

(1)氣體探測系統(tǒng)用于加氣站、穹頂、燃料準(zhǔn)備室、機(jī)艙及雙壁管道各區(qū)域的可燃?xì)怏w檢測。

(2)在燃料補(bǔ)給站、穹頂區(qū)域、燃料準(zhǔn)備室、環(huán)繞環(huán)形空間的雙壁燃?xì)夤艿?，以及包含燃?xì)夤艿赖娜魏纹渌麢C(jī)械空間內(nèi)，都應(yīng)該安裝永久氣體探測器。

(3)氣體探測系統(tǒng)應(yīng)在管道有氣體燃料的情況下，在正常運(yùn)行期間和維修工程前的吹掃過程中不間斷地持續(xù)運(yùn)行。

(4)氣體探測設(shè)備發(fā)出的聲音和可見光警報(bào)應(yīng)位于駕駛臺(tái)和ECR內(nèi)。

(5)系統(tǒng)控制面板要安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)控制室。固定傳感器至少要在燃料準(zhǔn)備室安裝2個(gè)、水-乙二醇膨脹罐安裝2個(gè)、雙壁管道安裝5個(gè)、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱的通風(fēng)設(shè)備安裝4個(gè)。

2.3.3 消防系統(tǒng)

(1)FGSS區(qū)域應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)安裝永久性的火災(zāi)探測器。

(2)一旦檢測到火災(zāi)，通風(fēng)系統(tǒng)將自動(dòng)停止，防火風(fēng)閘將關(guān)閉，主燃?xì)忾y將會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，F(xiàn)GSS應(yīng)立刻停止。

2.3.4 透氣系統(tǒng)

(1)透氣系統(tǒng)所有的排氣安全閥均與排氣管道連接，并通過排氣管排氣。

(2)排氣頭安裝在LNG儲(chǔ)罐泄壓閥的排氣管頂部，可以直接將氣體從排氣管道排放到大氣中。

(3)排氣頭設(shè)有防護(hù)格柵和防火裝置，其材質(zhì)是不銹鋼的，且排氣頭的高度應(yīng)高于露天甲板6 m以上。

2.4 自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.4.1 監(jiān)測/控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用以工控機(jī)為核心的監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過控制中心發(fā)出指令，系統(tǒng)自動(dòng)完成具體的操作，控制中心同樣也可以對(duì)各單元的設(shè)備進(jìn)行控制。FGSS控制中心通過觸摸屏操作。觸摸屏既顯示燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，也可以向過程控制單元發(fā)出指令。

控制系統(tǒng)主要通過控制和調(diào)整燃?xì)鈮毫?、流量和溫度等參?shù)來滿足燃?xì)馐褂迷O(shè)備的運(yùn)行需要。除了實(shí)現(xiàn)氣壓、流量和溫度的自動(dòng)控制外，該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了與主機(jī)控制系統(tǒng)的啟停、通斷、釋放和吹掃等聯(lián)動(dòng)功能。

2.4.2 安全控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)將主控制和安全柜組合成安全控制系統(tǒng)。啟動(dòng)柜可遠(yuǎn)程控制所有電機(jī)，手動(dòng)控制面板集成在機(jī)柜中。所有的電機(jī)均可以在啟動(dòng)柜中操作。啟動(dòng)柜包括BOG啟動(dòng)器、LNG泵啟動(dòng)器、水-乙二醇泵啟動(dòng)器。所有電機(jī)的運(yùn)行、報(bào)警狀態(tài)都將顯示在啟動(dòng)柜中。

3 供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

對(duì)燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)、輔助系統(tǒng)、安全系統(tǒng)及自動(dòng)化系統(tǒng)這4個(gè)主要系統(tǒng)研究后形成了一套完整的設(shè)計(jì)圖，見圖1。圖中顯示了整個(gè)供氣系統(tǒng)的原理：左側(cè)2個(gè)分別為左右舷加氣站；中間為2個(gè)含有LNG供給泵的LNG儲(chǔ)罐；右上角為燃料準(zhǔn)備室，包含有BOG壓縮機(jī)模塊、LNG汽化器模塊及主輔緩沖罐；右下角為水-乙二醇模塊。整個(gè)設(shè)計(jì)有以下3種供氣模式：

(1)正常供氣模式。LNG儲(chǔ)罐中的液化天然氣通過燃?xì)夤┙o泵輸送到LNG汽化器和加熱器進(jìn)行汽化，之后通過緩沖罐到達(dá)各自的氣體閥組單元，再分別輸送到主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐。

(1)—加氣站；(2)—儲(chǔ)罐；(3)—BOG壓縮機(jī)預(yù)熱器； (4)—BOG壓縮機(jī)；(5)—BOG壓縮機(jī)冷卻器；(6)—汽化器； (7)—主緩沖罐；(8)—輔緩沖罐；(9)—膨脹水箱； (10)—循環(huán)泵；(11)—水-乙二醇換熱器。圖1 供氣系統(tǒng)原理圖

(2)BOG操作模式。儲(chǔ)罐中汽化而產(chǎn)生的BOG通過BOG壓縮機(jī)壓縮后再經(jīng)過冷卻也可供主機(jī)、輔機(jī)和鍋爐使用。

(3)自流模式。如果儲(chǔ)罐內(nèi)蒸汽壓力過高，經(jīng)過加熱的蒸汽可通過自流模式供鍋爐使用。

4 結(jié)語

基于船舶行業(yè)規(guī)范要求，本文以48 500 載重噸油船為研究對(duì)象，對(duì)該油船采用的雙燃料供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法、原理及內(nèi)容進(jìn)行了具體闡述。通過對(duì)燃?xì)馓幚硐到y(tǒng)、輔助系統(tǒng)、安全系統(tǒng)及自動(dòng)化系統(tǒng)中主要設(shè)備的合理布置，從而降低整艘油船成本、污染及能耗。