NO.96薄膜貨倉及雙燃料電力推進(jìn)（DFDE）LNG船的艙壓控制

王書雷+陳業(yè)平

NO.96薄膜型LNG船的貨倉是由0.7mm的殷瓦鋼板建成的貨物維護(hù)系統(tǒng)，基本上不允許承受艙壓。該維護(hù)系統(tǒng)雖然設(shè)計(jì)成需要安裝兩層厚度分別為300mm 和230mm的高效熱絕緣層，但是，裝載在貨物維護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的LNG（液化天然氣，下同）液體因?yàn)樽陨頊囟鹊椭?163℃，所以始終會(huì)隨環(huán)境溫度、海上狀況引起船舶震動(dòng)和搖擺等因素而產(chǎn)生蒸發(fā)氣體BOG（Boil Off Gas 下同），按照GTT（NO.96薄膜型貨倉技術(shù)的專利擁有者）的要求，貨物蒸發(fā)率不能高于0.15%/天。一艘17萬立方米的船每天蒸發(fā)的液體量約為255立方米，此蒸發(fā)氣體不適當(dāng)處理將導(dǎo)致貨物維護(hù)系統(tǒng)內(nèi)壓力升高，壓力超過一定值將引起貨倉的損壞，這是完全不允許的，而天然氣排入大氣不光是浪費(fèi)能源，更重要的是天然氣對(duì)大氣的溫室效應(yīng)也非常嚴(yán)重，所以，LNG船的核心技術(shù)之一就是如何合理的處理或消耗LNG蒸發(fā)氣體，有效利用LNG氣體，既不浪費(fèi)能源、不污染大氣，又要能平穩(wěn)地控制貨倉壓力在安全范圍內(nèi)。

目前，世界范圍內(nèi)的NO.96薄膜型LNG船，按照動(dòng)力裝置的設(shè)置和相應(yīng)的艙內(nèi)蒸發(fā)氣處理方式分類，大致可以為分為四類：

1. 雙燃料鍋爐+蒸汽透平推進(jìn)系統(tǒng)：傳統(tǒng)的雙燃料鍋爐和蒸汽輪機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，是船舶安裝可以使用天然氣作為燃料的鍋爐，貨倉內(nèi)蒸發(fā)的天然氣BOG由壓縮機(jī)從艙內(nèi)抽出供給鍋爐作為燃料，鍋爐產(chǎn)生蒸汽作為動(dòng)力源推動(dòng)蒸汽透平機(jī)再帶動(dòng)船舶推進(jìn)器，是最早的薄膜型LNG船的設(shè)計(jì)。

2. 單燃料低速柴油機(jī)+再液化系統(tǒng)：該船型設(shè)計(jì)，是低速柴油機(jī)作為主推進(jìn)系統(tǒng)配備天然氣再液化系統(tǒng)，低速柴油機(jī)使用燃料油作為燃料，貨倉內(nèi)的天然氣BOG由再液化裝置液化成液體再回流到貨倉。

3. 雙燃料低速柴油機(jī)作+再液化系統(tǒng)：該船型設(shè)計(jì)，是從貨倉內(nèi)抽取液態(tài)LNG由高壓泵組將其加壓到300bar或更高，然后氣化成氣體并保持壓力供低速主機(jī)使用，而貨倉內(nèi)蒸發(fā)的天然氣BOG通過再液化裝置將其液化成液體再打回貨倉，這類船型主要因?yàn)楦邏罕媒M的技術(shù)和高壓氣體進(jìn)入機(jī)艙的安全等問題，暫時(shí)尚無應(yīng)用實(shí)例。

4. 雙燃料（燃料油+天然氣）發(fā)電機(jī)組+電力推進(jìn)系統(tǒng)：該船型以雙燃料內(nèi)燃機(jī)（燃料油+天然氣 下同）驅(qū)動(dòng)主發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，安裝電力推進(jìn)系統(tǒng)作為船舶主推進(jìn)動(dòng)力裝置，貨倉內(nèi)蒸發(fā)的天然氣BOG由壓縮機(jī)從艙內(nèi)抽出并壓縮提高壓力供雙燃料機(jī)作為燃料，消化掉艙內(nèi)蒸發(fā)氣體也就控制了艙內(nèi)壓力。這是目前的主流船型。

本文將主要討論第四種船型的貨倉壓力的控制模式和方法：

BOG處理系統(tǒng)的設(shè)置及功能

艙內(nèi)蒸發(fā)的BOG處理系統(tǒng)的設(shè)置按照功能分為三部分：一是由兩臺(tái)低負(fù)荷壓縮機(jī)及相關(guān)的加熱器或冷卻器構(gòu)成的氣體燃料供應(yīng)系統(tǒng)，二是氣體燃燒單元GCU（Gas Combustion Unit 下同），三是透氣系統(tǒng)。

1. 燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)

該部分之氣體壓縮機(jī)從艙內(nèi)抽出BOG，壓縮到雙燃料主發(fā)電機(jī)所需的壓力，系統(tǒng)中的加熱器或冷卻器是為將氣體冷卻或加熱到雙燃料機(jī)的要求，BOG燃?xì)庖话阍趬嚎s機(jī)出口維持在6.0～6.5kg/cm?左右的壓力和60℃左右的溫度，經(jīng)GVU（Gas Valve Unit）過濾，并根據(jù)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)壓后輸送給雙燃料機(jī)使用，艙內(nèi)蒸發(fā)的氣體得到有效利用和消耗，壓力也就得到了控制。

2. GCU及系統(tǒng)

艙內(nèi)蒸發(fā)的氣體如果超過雙燃料機(jī)的需求，則超過的氣體量將通過氣體燃燒單元GCU（Gas Combustion Unit 下同）燒掉以確保艙內(nèi)壓力不要過分升高，如果雙燃料機(jī)因故障暫時(shí)不能使用BOG燃料，則艙內(nèi)蒸發(fā)出來BOG全部由GCU燒掉。

3. 透氣系統(tǒng)

該部分主要設(shè)置透氣桅和相關(guān)控制閥門等，當(dāng)雙燃料機(jī)因?yàn)楣收喜荒苁褂肂OG燃料時(shí)，艙內(nèi)BOG的不斷蒸發(fā)使壓力逐漸升高，到一定值后GCU將自動(dòng)啟動(dòng)燒掉BOG，而如果GCU也故障不能燒掉BOG氣體，則艙內(nèi)壓力還會(huì)升高，此時(shí)透氣系統(tǒng)將啟動(dòng)，將BOG排入大氣以平衡艙內(nèi)壓力，確保船舶安全，但這是最后的保護(hù)手段，因?yàn)锽OG對(duì)大氣的溫室效應(yīng)嚴(yán)重，一般不允許將天然氣排入大氣。

IAS（Integrated Automation System 下同）系統(tǒng)設(shè)置

1.氣體管理系統(tǒng)GMS（Gas Management System 下同）

GMS是IAS系統(tǒng)的一部分，該系統(tǒng)從艙內(nèi)接受艙壓信號(hào)，通過計(jì)算輸出指令到下一環(huán)節(jié)：PMS（Power Management System 下同），正常情況下GMS控制燃?xì)鈮嚎s機(jī)從艙內(nèi)抽取BOG，加壓到6.0～6.5bar供給雙燃料主發(fā)電機(jī)組使用，如果艙內(nèi)壓力下降則自動(dòng)降低BOG的抽取量，同時(shí)給出供氣量下降的信號(hào)到PMS，如果艙內(nèi)壓力升高則自動(dòng)提高BOG抽取量，同時(shí)給出增量信號(hào)到PMS。

2.功率管理系統(tǒng)PMS（Power Management System 下同）

功率管理系統(tǒng)是氣體管理系統(tǒng)的下游環(huán)節(jié)，PMS如果接受GMS送來的BOG供量減少的信號(hào)時(shí)，將分別根據(jù)實(shí)際情況給出啟動(dòng)強(qiáng)制蒸發(fā)器來補(bǔ)充BOG缺量或自動(dòng)降低推進(jìn)功率，即降低推進(jìn)速度以平衡BOG量的減少；如果接受BOG量增加的信號(hào)時(shí)，也將根據(jù)實(shí)際情況分別給出啟動(dòng)GCU來消耗多出的燃?xì)饬炕蚣哟笸七M(jìn)功率，即提高推進(jìn)速度來提高雙燃料機(jī)負(fù)荷而消耗BOG的增量。

功率管理系統(tǒng)還可以根據(jù)需要控制各發(fā)電機(jī)組在負(fù)荷不均衡工況的模式下運(yùn)行。

IAS的艙壓控制模式和功能

IAS系統(tǒng)對(duì)艙壓的控制和艙內(nèi)蒸發(fā)氣NBOG的處理，設(shè)置了多種可能性和用途的控制模式。由于篇幅有限，本文只簡述最具典型意義，也是最常用的油氣混合模式和全氣體模式。

1. 油氣混合模式

該模式下又可以分為：

NBOG+Fuel Oil Mode （油氣混合模式）endprint

該模式下至少一臺(tái)雙燃料機(jī)使用燃油或者至少一臺(tái)雙燃料機(jī)使用燃?xì)狻?/p>

假設(shè)共三臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)組運(yùn)行供全船電力用戶及推進(jìn)動(dòng)力，其中一號(hào)和二號(hào)機(jī)使用燃?xì)猓遗搩?nèi)自然蒸發(fā)氣基本夠兩臺(tái)機(jī)運(yùn)行在負(fù)荷優(yōu)化點(diǎn)，在不啟動(dòng)強(qiáng)制蒸發(fā)器的情況下，三號(hào)機(jī)使用燃油，但艙內(nèi)的自然蒸發(fā)氣量總是隨著環(huán)境溫度和航行中海況變化引起的船舶搖擺及振動(dòng)等因素而變化，IAS/PMS/GMS將根據(jù)艙內(nèi)壓力的變化計(jì)算出自然蒸發(fā)氣量的變化，并根據(jù)此變化給出增加或降低使用燃?xì)庾鳛槿剂系囊惶?hào)和二號(hào)機(jī)的負(fù)荷，同時(shí)降低或增加使用燃油作為燃料的三號(hào)機(jī)的負(fù)荷，艙內(nèi)壓力因此得到控制和平衡。

在艙內(nèi)壓力并沒有變化而外界負(fù)荷變化時(shí)則只改變用燃油作為燃料的三號(hào)機(jī)的負(fù)荷，燃?xì)獬槌隽渴冀K與艙內(nèi)的自然蒸發(fā)量保持基本平衡，從而控制艙內(nèi)壓力穩(wěn)定。

Fuel Sharing Mode（油氣混燒模式）

油氣混燒是指雙燃料機(jī)氣所有缸內(nèi)同時(shí)噴入液體燃料和氣體燃料共同燃燒做功。

全球范圍內(nèi)，雙燃料柴油機(jī)知名廠家有兩家，即Wartsilar（瓦錫蘭）和MAN（曼恩）。

中海集團(tuán)聯(lián)合中石化和日本三井為APLNG（澳大利亞-太平洋）運(yùn)輸項(xiàng)目在滬東船廠建造的六艘17.4萬立方米雙燃料電力推進(jìn)的LNG運(yùn)輸船，是我國首次建造該類船型，該項(xiàng)目船使用了5臺(tái)MAN直列8缸的DF-51/60型雙燃料柴油機(jī)作為主發(fā)電機(jī)。

MAN的雙燃料機(jī)目前是世界上唯一具有油氣混燒功能的雙燃料機(jī)，該功能在一定條件下可以達(dá)到節(jié)能的目的。

例：設(shè)蒸發(fā)氣（NBOG）量剛好夠兩臺(tái)半機(jī)使用，而推進(jìn)負(fù)荷加船舶其他負(fù)荷卻需要三臺(tái)機(jī)的功率，假設(shè)不啟動(dòng)強(qiáng)制蒸發(fā)器補(bǔ)充燃?xì)釨OG缺量，則需要半臺(tái)機(jī)使用燃油，如果雙燃料柴油機(jī)只能使用燃油或者燃?xì)?，不能同時(shí)混燒燃油和燃?xì)?，在這種情況下，需要運(yùn)行四臺(tái)機(jī)組才能滿足船舶電力的需求，眾所周知，同樣情況下運(yùn)行三臺(tái)機(jī)要比運(yùn)行四臺(tái)機(jī)節(jié)約能源。

該模式下，IAS/PMS調(diào)節(jié)油氣混燒工況下的柴油機(jī)燃油的比例來適應(yīng)艙內(nèi)NBOG量的變化，即當(dāng)艙內(nèi)壓力升高時(shí)，IAS/PMS將給出指令增加燃?xì)鈮嚎s機(jī)從艙內(nèi)抽出的燃?xì)饬坎p小運(yùn)行在油氣混燒工況下的柴油機(jī)燃油進(jìn)進(jìn)的比例來平衡燃?xì)獾脑隽?，反之亦然?/p>

中海集團(tuán)聯(lián)合中石化和日本三井在滬東中華造船廠建造的APLNG項(xiàng)目，是國內(nèi)首次建造雙燃料電力推進(jìn)形式的LNG船，所建造的6艘船將應(yīng)用此“Fuel-Sharing”的功能和控制模式，也是到目前為止世界上的首次應(yīng)用。

2.Gas Only Mode（全氣體模式）

該模式下又可分為：

NBOG（Natural Boil Off Gas）+FBOG（Forcing Boil Off Gas） Mode：即自然蒸發(fā)氣加強(qiáng)制蒸發(fā)氣。該模式下，所有雙燃料機(jī)都以使用燃?xì)饽Ｊ竭\(yùn)行。

假如自然蒸發(fā)氣的量不夠雙燃料機(jī)的需求時(shí)，為了提供足夠雙燃料機(jī)所需求的燃?xì)饬?，燃?xì)鈮嚎s機(jī)抽出的燃?xì)饬看笥谧匀徽舭l(fā)的燃?xì)饬?，艙?nèi)壓力慢慢下降，當(dāng)艙內(nèi)壓力下降到一定值后，IAS之PMS將給出啟動(dòng)強(qiáng)制蒸發(fā)器的指令，強(qiáng)制蒸發(fā)器啟動(dòng)后可以強(qiáng)制蒸發(fā)一部分燃?xì)鈦硌a(bǔ)充自然蒸發(fā)氣的缺量，此時(shí)，燃?xì)鈮嚎s機(jī)減少從艙內(nèi)抽取BOG的量，從而維持艙壓。

如果自然蒸發(fā)的量多于雙燃料機(jī)所需求量時(shí)，燃?xì)鈮嚎s機(jī)抽出的燃?xì)饬啃∮谧匀徽舭l(fā)量，則艙內(nèi)壓力慢慢將升高，當(dāng)艙內(nèi)壓力升高到一定值后，IAS/PMS將給出啟動(dòng)GCU的指令，則燃?xì)鈮嚎s機(jī)將加大抽出量，供應(yīng)雙燃料機(jī)使用后多出的量將供給GCU燒掉，這樣，艙壓得到控制和平衡。

該控制模式存在一個(gè)問題：當(dāng)艙內(nèi)自然蒸發(fā)氣量與雙燃料機(jī)需求量不想等時(shí)，需要啟動(dòng)GCU燒掉多出的量，形成浪費(fèi)，而反之時(shí)，又要啟動(dòng)強(qiáng)制蒸發(fā)器來從艙內(nèi)抽取液態(tài)LNG進(jìn)行加熱強(qiáng)制蒸發(fā)來補(bǔ)充燃?xì)馊绷?，這也需要使用電力和蒸汽，一定程度上也造成浪費(fèi)。

NBOG Only Mode：全自然蒸發(fā)氣NBOG模式，所有雙燃料機(jī)僅僅使用NBOG作為燃料。

該模式是在上述模式基礎(chǔ)上開發(fā)并進(jìn)一步優(yōu)化而來的模式，即所有雙燃料機(jī)都以燃燒自然蒸發(fā)氣NBOG模式運(yùn)行，不啟動(dòng)強(qiáng)制蒸發(fā)器補(bǔ)充燃?xì)馊绷浚膊粏?dòng)GCU燒掉自然蒸發(fā)氣的多出量。

推進(jìn)負(fù)荷加船舶其他負(fù)荷的總和，其設(shè)計(jì)點(diǎn)一般設(shè)定在滿載自然蒸發(fā)量的負(fù)荷點(diǎn)附近，雙燃料機(jī)的負(fù)荷剛好消耗自然蒸發(fā)的NBOG，但是，隨著環(huán)境溫度的變化，航行中海況的變化引起的船舶搖擺和震動(dòng)等因素，勢必造成自然蒸發(fā)氣NBOG量的變化，艙內(nèi)壓力也將隨之發(fā)生變化，此時(shí)，IAS/PMS/GMS將接受艙內(nèi)壓力變化信號(hào)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果改變推進(jìn)功率來適應(yīng)艙內(nèi)自然蒸發(fā)氣NBOG量的變化，即艙內(nèi)壓力升高時(shí)，IAS/PMS/GMS將給出加大推進(jìn)功率的指令，雙燃料機(jī)的負(fù)荷隨之加大，燃?xì)鈮嚎s機(jī)也將得到指令加大從艙內(nèi)燃?xì)獾某槌隽?，使艙?nèi)壓力得到平衡和維持，反之亦然。

在一定條件下，該模式能達(dá)到很好的節(jié)能效果，是近一年左右時(shí)間才開發(fā)出來，并得到應(yīng)用的控制模式， APLNG項(xiàng)目6艘運(yùn)輸船將實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用此功能。

上世紀(jì)70年代，歐美國家開始建造LNG船舶，80年代以來日本和韓國引進(jìn)薄膜貨倉專利技術(shù)開始建造，我國LNG市場及LNG船舶建造起步較晚，但呈現(xiàn)出欣欣向榮、蓬勃發(fā)展之勢；LNG船本身的功能需要不斷地發(fā)展、優(yōu)化和完善，特撰寫此文助勢，然筆者從事LNG船舶建造時(shí)間較短，恐難概全，也難免錯(cuò)漏，期望能達(dá)拋磚引玉之效，則幸甚！也將試圖就本文提及的典型控制模式和進(jìn)一步優(yōu)化的船舶控制功能作后續(xù)專題探討。endprint