楊海建,范 祥,馬小勇,朱天宇

(南通中遠(yuǎn)海運川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

0 引言

在全球日益關(guān)注綠色環(huán)保的大環(huán)境下,國際海事組織(International Maritime Organization,IMO)對船舶排放要求越來越高[1]。液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃燒后具有碳排放低、不會產(chǎn)生碳煙顆粒、不含硫氧化物等特點,因此LNG燃料成為實現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰很好的過渡燃料。據(jù)統(tǒng)計,相比常規(guī)燃油,采用LNG燃料可以減少約25% 的二氧化碳(CO2)排放量、20%～30%(高壓主機)或85%(低壓主機)氮氧化合物(NOx)排放量、95%的硫化物(SOx)和90%顆粒物排放[2]。因此,基于對未來排放法規(guī)和油氣價格發(fā)展趨勢的預(yù)期,LNG作為船用燃料的優(yōu)越性將越來越顯著,LNG雙燃料船也會具有十分廣闊的市場前景和發(fā)展空間[3]。

隨著船用燃料供應(yīng)系統(tǒng)(Fuel Gas Supply System, FGSS)技術(shù)的迅速發(fā)展,FGSS的設(shè)備投資成本逐漸下降,以LNG作為燃料的多用途船也越來越受到青睞。

本文以LNG雙燃料28 000 t多用途船為開發(fā)對象,研究雙燃料設(shè)備選型、LNG燃料艙的設(shè)計布置、LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù),分析LNG動力船使用LNG燃料的經(jīng)濟性,形成完整的LNG燃料應(yīng)用設(shè)計流程。

1 項目簡介

某LNG雙燃料28 000 t多用途船(Genenal Cargo Ship,GCS)的發(fā)電機和鍋爐均采用雙燃料形式,LNG燃料艙采用了IMO C型獨立燃料艙,布置在艉部甲板開敞處。其主要參數(shù)如下:總長179.5 m,型寬28.0 m,型深14.8 m,吃水9.2 m,LNG燃料艙容積500 m3。

2 雙燃料設(shè)備選型

2.1 雙燃料主機

目前市場主流的雙燃料主機分為曼恩的ME-GI機和溫特圖爾的X-DF機,這2款主機的對比情況見表1。

表1 雙燃料主機對比表

綜合考慮主機的市場占有率、燃料消耗率、甲烷逃逸和船廠的工作量等因素,本項目主機采用曼恩ME-GI主機。該主機在燃料模式下工作壓力為20～30 MPa,溫度為(45±10) ℃,詳細(xì)參數(shù)如下:

主機曼恩6S50ME-C8.2-GI-Tier II,最大連續(xù)運轉(zhuǎn)功率(SMCR)9 300 kW×122 r/min,正常連續(xù)運轉(zhuǎn)功率(NCR)6 510 kW×108.3 r/min,基于輕油低熱值(LCV)42 700 kJ/kg時設(shè)計燃料消耗25.8 t/d,基于LNG(純甲烷)的 LCV 50 000 kJ/kg時設(shè)計燃料消耗20.7 t/d。

2.2 雙燃料發(fā)電機

本項目配備3臺瓦錫蘭低壓雙燃料四沖程發(fā)電機。其主要特征是采用奧托循環(huán)模式、低壓燃料系統(tǒng),燃料模式下可以直接滿足NOxTier III的排放要求。詳細(xì)參數(shù)如下:

機型瓦錫蘭W6L20DF,最大連續(xù)運轉(zhuǎn)功率(MCR)1 110 kW,設(shè)計燃料消耗3.9 t/d。

2.3 雙燃料鍋爐

本項目配備1臺阿法拉伐歐寶的雙燃料鍋爐。該鍋爐除了常規(guī)燃油模式和LNG燃料模式之外,還具有燃燒LNG和氮氣的混合氣的混合模式。該功能主要用于LNG燃料加注過程中,為了維持LNG燃料艙內(nèi)的壓力時處理回氣(采用LNG槽罐車加注,不具有回收氣的功能)。

3 LNG燃料艙的設(shè)計與布置

3.1 LNG燃料艙的選型

薄膜型和球艙型(MOSS型)被廣泛應(yīng)用于大型LNG運輸船。LNG動力船不同于LNG運輸船,一般采用非船體結(jié)構(gòu)的液貨艙,如A、B、C型艙,建造工藝簡單,技術(shù)成熟,成本低。A、B、C型液貨艙及薄膜型液貨艙對比見表2[4]。

表2 LNG燃料艙對比

本項目采用C型獨立LNG燃料艙。C罐相比其他形式的燃料艙有著更高的耐壓能力,建造門檻低,無需次屏蔽且具有自承壓功能[5]。雖然其空間利用率相對低會占有較大的布置空間,質(zhì)量重會影響船舶的載重噸,但是考慮GCS船型的特點,LNG燃料艙布置在開敞甲板上,不會影響船舶的載貨量。LNG燃料艙連接處所(TCS)布置在LNG燃料艙的頂部,內(nèi)置與LNG燃料艙連接的相關(guān)閥門、傳感器和報警裝置等。LNG燃料艙材料采用單層9%鎳鋼,并且外加聚氨酯(PU)保溫層,蒸發(fā)天然氣(Boil Off Gas,BOG)蒸發(fā)率控制在1.0%/d之內(nèi)。

3.2 LNG燃料艙艙容決定

(1)最大裝載極限

根據(jù)《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》(IGF Code)要求,LNG燃料艙的裝載極限,不應(yīng)超過下列計算值:

式中:LL為裝載限制,%;FL為充裝限制,取98%;ρR為在基準(zhǔn)溫度下燃料的相對密度,kg/m3;ρL為在裝載溫度下燃料的相對密度,kg/m3。

本文以FLUXYS公司的數(shù)據(jù)為計算基礎(chǔ),在基準(zhǔn)溫度(-153 ℃)下,ρR取0.407 kg/m3,ρL取0.440 kg/m3。

經(jīng)計算,LL=91%。

(2)最小剩余限制

LNG燃料艙的最小剩余限制通常需要考慮以下因素:

①考慮到LNG燃料艙需要始終維持冷態(tài)狀態(tài),并保留一定的LNG殘余量;

②需要考慮LNG燃料艙內(nèi)的潛液式離心泵吸口位置,以確保船舶在惡劣海況下,不被吸空;

③需要滿足廠家對離心泵的必需汽蝕余量(Net Positive Suction Head,NPSH)的要求。

綜合這3方面的因素,經(jīng)計算最小裝載為5%。

因此,考慮船舶的續(xù)航能力、雙燃料設(shè)備的燃料消耗量、LNG燃料艙的最大裝載極限/最小剩余極限和設(shè)計冗余等因素,艙容約為500 m3。

3.3 LNG燃料艙的布置

LNG燃料艙與其燃料供應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對船舶的安全性和防火的要求較高。充分研討船舶的穩(wěn)定性后,通過多種布置方案對比,最終將LNG燃料艙布置在艉部(機艙上方)的開敞甲板上,見圖1。該布置方案可以很好地解決防火、安全、LNG燃料艙支撐鞍座等技術(shù)難題。

4 LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)

4.1 燃料供應(yīng)系統(tǒng)組成和工作原理

LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)由LNG加注系統(tǒng)、LNG燃料低溫存儲系統(tǒng)、燃料處理系統(tǒng)和相應(yīng)的輔助系統(tǒng)組成,見圖2。本船采用曼恩的ME-GI高壓雙燃料主機,其進氣壓力為30 MPa,和雙燃料發(fā)電機、鍋爐所需的0.6 MPa進氣壓力相距很大,故采用高壓燃料供應(yīng)系統(tǒng)和低壓燃料供應(yīng)系統(tǒng)相結(jié)合。

圖2 供應(yīng)系統(tǒng)方案示意圖

船舶航行過程中,C型燃料艙內(nèi)潛液式泵(出口壓力設(shè)定為0.7 MPa)將抽出LNG通過加熱加壓過程轉(zhuǎn)化成30 MPa的強制蒸發(fā)天然氣(Forced Boil Off Gas,FBOG)供主機使用。同時,船舶航行過程中自然產(chǎn)生的蒸發(fā)天然氣(Natural Boil Off Gas, NBOG)會被利用起來,通過加溫加壓后供給發(fā)電機和鍋爐作為燃料。若NBOG不夠,強制蒸發(fā)天然氣回路也會補充NBOG供給發(fā)電機和鍋爐使用。

4.2 LNG加注系統(tǒng)

考慮多種加注方式以滿足船舶所有人的運營需求,加注過程主要分初始加注和正常營運過程中加注2個過程。該船不僅可以采用常規(guī)的岸基加注,還進一步開發(fā)船對船的LNG燃料加注裝置,實現(xiàn)了加注船加注[6]。

兩舷各配置了1個液相管和氣相管接口法蘭,并提供了氮氣吹掃管。在燃料加注過程中,加注站綜合考慮了LNG泄漏和火災(zāi)等問題。為防止接口法蘭連接處泄露,在底部設(shè)置耐低溫的不銹鋼集液盤,同時設(shè)置了舷外水簾保護;船岸連接系統(tǒng)可以保證加注過程中出現(xiàn)問題時立即觸發(fā)應(yīng)急安全系統(tǒng);氣體報警監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測整個加注過程是否有氣體泄露。在防火方面,直接面向加注站的壁面設(shè)置有A-60級防火材和水噴淋噴頭。

4.3 燃料處理系統(tǒng)

LNG動力船燃料處理系統(tǒng)的設(shè)計滿足IGF 規(guī)則、勞氏船級社、SOLAS公約及船旗國主管當(dāng)局的法規(guī)等。

燃料處理系統(tǒng)的功能是將LNG處理成合適溫度和壓力的天然氣,以滿足雙燃料設(shè)備的進口要求。其基本組成如下:

(1)LNG燃料低壓泵。根據(jù)主機、發(fā)電機和鍋爐的最大使用量,LNG燃料低壓泵選擇離心式潛液泵,并采用變頻控制。

(2)LNG燃料高壓泵。LNG動力船ME-GI主機需要20～30 MPa的供應(yīng)壓力,因此單純依靠LNG燃料低壓泵無法滿足壓力要求,需要配備高壓泵。高壓泵采用變頻控制,根據(jù)主機不同的負(fù)荷,實時調(diào)節(jié)高壓泵的轉(zhuǎn)速,從而為主機提供滿足主機進口壓力和流量的要求。

(3)蒸發(fā)器和加熱器。蒸發(fā)器作為FBOG的熱交換器,主要功能為將液態(tài)LNG向氣態(tài)天然氣的轉(zhuǎn)換,為主機、發(fā)電機和鍋爐提供FBOG。加熱器的功能為通過加熱介質(zhì)乙二醇水溶液的溫度控制,達(dá)到控制FBOG的溫度。

(4)BOG壓縮機。該壓縮機主要是壓縮NBOG,為發(fā)電機和鍋爐提供燃料,同時在LNG燃料艙維護保養(yǎng)時,能提供暖艙熱源。BOG壓縮機采用的是常溫?zé)o油式螺桿空壓機,因此,在BOG壓縮機進口設(shè)置NBOG預(yù)加熱器,出口設(shè)置冷卻器。

(5)閥組單元。主機的閥組單元不含調(diào)壓功能,其作用是實現(xiàn)對供應(yīng)系統(tǒng)的供應(yīng)和切斷,以及氮氣吹掃系統(tǒng)的控制。主機閥單元采用的非環(huán)形封閉形式,需要布置在危險區(qū)劃。發(fā)電機和鍋爐的閥組單元可以進行調(diào)壓,其采用環(huán)形封閉形式,可以直接布置在機艙內(nèi)。

(6)BOG管理對策。本項目選用的C型燃料艙,具有自承壓能力,因此,其可作為一種BOG管理對策,同時結(jié)合雙燃料鍋爐的燃料模式,也可燒除多余的BOG。

4.4 輔助系統(tǒng)

(1)加熱介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用獨立的乙二醇水加熱循環(huán)系統(tǒng),其主要由乙二醇水循環(huán)泵、膨脹水箱、乙二醇水加熱器和溫度控制閥組成,采用雙燃料鍋爐的蒸汽加熱。在所有換熱過程中,因冷源溫度較低,因此必須選擇冰點較低且不易氧化的傳熱介質(zhì),50%濃度的乙二醇水冰點約為-35 ℃,是極佳的加熱介質(zhì)。蒸汽的熱量通過板冷傳遞給乙二醇水系統(tǒng),再用乙二醇水加熱LNG。

(2)通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用30次/h的機械通風(fēng)系統(tǒng),對容易存在燃料積聚的圍閉處所和半圍閉處所進行強制通風(fēng),形成微負(fù)壓,同時實時監(jiān)測燃料是否有泄露情況。

(3)消防系統(tǒng)。具體措施如下:LNG加注站采用干粉滅火,燃料處理間采用CO2滅火,LNG燃料艙采用水噴淋滅火,面向LNG燃料艙的相應(yīng)邊界采用A-60絕緣方式。

5 經(jīng)濟性分析

LNG燃料作為一種清潔能源,已得到市場的廣泛認(rèn)可,但是,部分船東仍然在觀望,其主要原因還是取決于國際市場油價與LNG燃料價格,因此有必要對LNG燃料的經(jīng)濟性進行評估。

假定ME-GI主機正常航行時,功率點a和燃油消耗率b已知。燃油價格為X,LNG燃料價格為Y,見表3。只有當(dāng)ME-GI在相同時間內(nèi)在燃?xì)饽Ｊ竭\行時所需要的燃料費用低于燃油模式運行時所需的燃料費用,其經(jīng)濟性才得以體現(xiàn)。

表3 雙燃料經(jīng)濟性分析

因此,當(dāng):

X>0.8Y+(0.05～0.08)X

Y/X<1.150～1.187

根據(jù)上述分析過程得出以下結(jié)論:當(dāng)LNG和燃油每噸價格比小于1.150～1.187時,采用LNG燃料的經(jīng)濟性得以體現(xiàn)。

6 結(jié)語

在全球排放法規(guī)日益嚴(yán)苛的今天,硫氧化物、氮氧化物、溫室氣體和顆粒物的排放在全球受到越來越多的限制。LNG作為一種清潔能源,其動力船必然會得到更好的發(fā)展。本文著力研究雙燃料設(shè)備選型、LNG燃料艙的設(shè)計布置、LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)和經(jīng)濟性分析等方面,形成完整的LNG燃料應(yīng)用設(shè)計流程。但在LNG動力船上還有很多技術(shù)需要進一步完善或優(yōu)化,今后將對LNG動力船型進一步加大研究和開發(fā)力度。