小型LNG運輸船燃氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

豆慶民，王有利，曲 波

（大連中遠船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

小型LNG運輸船燃氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

豆慶民，王有利，曲 波

（大連中遠船務(wù)工程有限公司，遼寧大連 116113）

以大連中遠船務(wù)28 000 m3綠色LNG運輸船為背景，通過對TGE燃氣供應(yīng)系統(tǒng)的研究，探討LNG運輸船燃氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計要義，以期為未來LNG運輸船供氣系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

燃氣供應(yīng)系統(tǒng)；BOG壓縮機；燃氣泵

0 引言

傳統(tǒng)的石油能源儲量大，便于儲存運輸，且安全性高，但目前隨著能源需求增加，石油價格飛速上漲，且其燃燒會排放出大量CO2、NOX和SOX等有害氣體，船用燃料已成為全球大氣污染的重要來源。海事組織為積極應(yīng)對環(huán)境挑戰(zhàn)，修改了相應(yīng)的公約和規(guī)范，隨著這些新公約和規(guī)范不斷生效，全球航運業(yè)將面臨更加嚴厲的污染排放限制。

天然氣是一種熱值高、環(huán)境污染小的潔凈能源，隨著雙燃料發(fā)動機技術(shù)的日趨成熟，世界各國政府都已將目光聚焦在天然氣在船舶上的應(yīng)用，對于LNG運輸船來說，由于可以使用貨物的自然蒸發(fā)氣（BOG）作為燃料，其優(yōu)勢更加明顯。如何在LNG運輸船上高效利用天然氣作為動力，已成為迫切需要解決的首要問題。

大連中遠船務(wù)28 000 m3綠色LNG運輸船采用雙燃料驅(qū)動，是國內(nèi)首艘綠色新能源標準船舶，被大連市發(fā)改委認定為 2013年大連市制造業(yè)重點領(lǐng)域首臺技術(shù)設(shè)備，并給予政府資助。本文以此LNG運輸船項目為背景，探討雙燃料主機燃氣供應(yīng)系統(tǒng)在實船上的應(yīng)用。

1 船舶簡要

大連中遠船務(wù)28 000 m3綠色LNG運輸船為一艘單機單槳、雙燃料主機驅(qū)動可調(diào)槳推進的 LNG運輸船，帶PTO功能，屬2G型船。該船按CCS現(xiàn)行規(guī)范規(guī)則設(shè)計、建造，受之檢驗，取得相應(yīng)船級符號[1-3]。

全船設(shè)3個貨艙，貨艙區(qū)為單舷側(cè)結(jié)構(gòu)，設(shè)頂邊艙、底邊艙及雙層底。每個貨艙內(nèi)設(shè)一對獨立LNG液貨艙。液貨艙為3對獨立的IMO認可的C型貨罐，最低設(shè)計溫度-163℃，液貨艙艙頂設(shè)計壓力 0.35 MPa（IMO）[4]。

主尺度和參數(shù)見表1?？倛D見圖1。

表1 主尺度及參數(shù)

2 燃氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計概述

該船燃氣系統(tǒng)供氣量為主機100%MCR下的總?cè)細庀牧?。燃氣管采用AISI316L不銹鋼管。

燃氣供給有兩種方式：一是BOG供給模式，即液貨BOG經(jīng)氣液分離后壓縮至0.6 MPa～0.7 MPa，加熱至主機要求的溫度，進入緩沖罐穩(wěn)壓后持續(xù)穩(wěn)定地輸送至主機燃燒；二是LNG強制蒸發(fā)模式，當BOG實際量小于主機需求時，則通過甲板罐的燃氣泵泵送 LNG至強制蒸發(fā)器進行強制蒸發(fā)，強制蒸發(fā)后的燃氣經(jīng)緩沖罐穩(wěn)壓后輸送至主機燃燒[5]。燃氣供應(yīng)系統(tǒng)的流程圖見圖2。

3 燃氣供應(yīng)系統(tǒng)主要設(shè)備

3.1 BOG壓縮機

兩臺變頻電機驅(qū)動，無油型，活塞式BOG壓縮機，布置在主甲板上部半遮蔽的壓縮機室內(nèi)。主要性能參數(shù)見表2。

該BOG壓縮機有兩種操作模式，分別是單級壓縮模式和兩級壓縮模式。單級壓縮模式用于裝載LNG貨物時，液貨艙內(nèi)產(chǎn)生的蒸發(fā)氣通過壓縮機加壓后，強制回流至岸站。兩級壓縮模式用于液貨艙BOG加壓，以便為雙燃料主機提供合適壓力的燃氣。

表2 BOG壓縮機主要性能參數(shù)表

3.2 氣液分離罐

氣液分離罐安裝在BOG壓縮機吸入端，材質(zhì)為AISI304，容積約2.0 m3，罐體上安裝有安全閥，高液位浮子開關(guān)等，該罐用于阻止液體和固體微小顆粒進入BOG壓縮機，當罐內(nèi)液位過高時，自動停止BOG壓縮機，并發(fā)出聲光報警。

3.3 中間冷卻器

中間冷卻器設(shè)置在燃氣進入二級壓縮機之前，當主機低負荷運行時，用于冷卻一級壓縮后的燃氣。需要注意的是，主機正常負荷運行時，BOG經(jīng)過一級壓縮后，排出溫度仍低于冷卻水溫度，此時沒有必要使一級壓縮后的BOG通過中間冷卻器。但是，由于航行過程中，主機負荷變化頻繁，如果主機負荷突然降低，則由于緩沖罐中的燃氣再循環(huán)，壓縮機進口燃氣溫度迅速升高，從而導(dǎo)致一級壓縮后的燃氣溫度相應(yīng)升高，如果此時再手動打開中間冷卻器，可能會造成壓縮機二級進口的燃氣溫度高。為保證主機在各種負荷下壓縮機均能可靠運行，通常中間冷卻器保持隨時運行。

中間冷卻器為板式熱交換器，型號CBM400-106L，換熱量約46 kW，材質(zhì)為不銹鋼。主要性能參數(shù)見表3。

表3 中間冷卻器主要性能參數(shù)表

3.4 后冷卻器

后冷卻器設(shè)置在BOG壓縮機二級壓縮出口的燃氣管路上，用于冷卻二級壓縮后的燃氣，使其溫度滿足燃氣用戶進機要求。后冷卻器為板式熱交換器，型號CBM400-106L，換熱量約90 kW，材質(zhì)為不銹鋼。主要性能參數(shù)見表4。

表4 后冷卻器主要性能參數(shù)表

3.5 燃氣泵

甲板罐配置1臺立式，兩級離心式燃氣泵。泵的電機包含在泵殼內(nèi)，整個燃氣泵及其電機均浸沒在液貨中，由泵送的液貨進行冷卻。燃氣泵可以就地及遙控啟停。在應(yīng)急和故障（高、低電流）情況下可以自動切斷。燃氣泵流量通過旁通調(diào)節(jié)機構(gòu)控制。

該泵用于BOG量不足時，將甲板罐中的LNG泵送到強制蒸發(fā)器，進行強制蒸發(fā)，再經(jīng)緩沖罐穩(wěn)壓后輸送至主機燃燒。

燃氣泵的主要性能參數(shù)見表5。

表5 燃氣泵主要性能參數(shù)表

3.6 強制蒸發(fā)器

強制蒸發(fā)器布置在壓縮機室內(nèi)，當液貨艙產(chǎn)生的BOG不能滿足主機燃氣需求時，必須通過強制蒸發(fā)產(chǎn)生該燃氣附加量。

強制蒸發(fā)器采用間接加熱，初級加熱采用蒸汽加熱，先用鍋爐產(chǎn)生的蒸汽加熱水/乙二醇溶液；次級加熱采用乙二醇水系統(tǒng)，再用水/乙二醇溶液加熱并汽化LNG。為保證持續(xù)、穩(wěn)定的汽化LNG，水/乙二醇溶液進入強制蒸發(fā)器的溫度一般控制在 50℃左右。

強制蒸發(fā)器為殼管式熱交換器，換熱量約1 500 kW，材質(zhì)為不銹鋼。主要性能參數(shù)見表6。

表6 強制蒸發(fā)器主要性能參數(shù)表

3.7 燃氣緩沖罐

燃氣緩沖罐布置在靠近生活區(qū)前壁的主甲板上，其目的是為了保證能夠持續(xù)、穩(wěn)定的向雙燃料主機供氣，燃氣緩沖罐的材質(zhì)為低碳鋼，容積約19 m3，設(shè)計壓力為1.0 MPa，正常工作壓力約0.6 MPa。整個罐體表面包有保溫絕緣，以防止寒冷天氣時主機燃氣進機溫度過低。

4 燃氣供給模式介紹

4.1 BOG供給模式

航行過程中，主機應(yīng)優(yōu)先使用液貨艙內(nèi)產(chǎn)生的BOG，以保持液貨艙內(nèi)的壓力低于釋放閥的最大允許調(diào)定值。

此供給模式如圖3所示。當主機正常負荷運行時，經(jīng)BOG壓縮機壓縮后的燃氣可以完全被主機消耗。此工況下，進入BOG壓縮機的燃氣全部來自液貨艙產(chǎn)生的BOG，液貨艙內(nèi)的BOG溫度大約為-140℃，經(jīng)氣液分離罐分離后，進入BOG壓縮機進行一級壓縮，一級壓縮后的燃氣溫度約為-60℃～-50℃，經(jīng)中間冷卻器加熱后，進入BOG壓縮機二級壓縮的燃氣溫度約為40℃～50℃，二級壓縮后的溫度約為80℃～120℃，二級壓縮后的燃氣經(jīng)過后冷卻器冷卻到約40℃，進入燃氣緩沖罐穩(wěn)壓后再經(jīng)過流量計、燃氣總閥輸送到機艙供主機使用。

BOG壓縮機設(shè)計吸入壓力為0.1 MPa，為防止BOG壓縮機因吸入壓力過高損壞本體部件，在氣液分離罐前設(shè)置了一個壓力控制閥PCV P1101，該閥可根據(jù)氣液分離罐上的壓力傳感器PT P1101測量的實際壓力自動調(diào)節(jié)開度，確保BOG壓縮機進口壓力不超過0.1 MPa。

當主機高負荷運行時，為保證BOG壓縮機高效運轉(zhuǎn)，控制系統(tǒng)首先會調(diào)節(jié)PCV P1101，以確保BOG壓縮機的燃氣進機壓力在允許的范圍內(nèi)保持最大，然后通過調(diào)節(jié)BOG壓縮機的轉(zhuǎn)速，維持燃氣緩沖罐中的壓力穩(wěn)定。當一臺BOG壓縮機不能滿足主機需求時，控制系統(tǒng)會發(fā)出報警，并自動起動另一臺BOG壓縮機并聯(lián)運行。

當主機負荷降低時，燃氣緩沖罐中的壓力會慢慢升高，為保持壓力穩(wěn)定，控制系統(tǒng)首先降低BOG壓縮機的轉(zhuǎn)速，如果BOG壓縮機運行在最小轉(zhuǎn)速（400 rpm）時，燃氣緩沖罐中的壓力仍然升高，控制系統(tǒng)會進一步減小PCV P1101開度。如果最小轉(zhuǎn)速和最小開度下，燃氣的供給量仍然高于主機的需求，控制系統(tǒng)會打開PCV P6250，使燃氣緩沖罐中的燃氣再循環(huán)，如果此時壓力仍無法穩(wěn)定，最終控制系統(tǒng)會打開PVK P6254，將燃氣緩沖罐中的燃氣回流液貨艙中。

當主機負荷再次升高時，控制系統(tǒng)會順次關(guān)閉PVK P6254和PCV P6250，然后調(diào)節(jié)PCV P1101開度，最后增加BOG壓縮機的轉(zhuǎn)速，以便滿足主機燃氣需求。

4.2 L NG強制蒸發(fā)模式

航行過程中，如果液貨艙中的BOG不足以滿足主機需求時，必須通過強制蒸發(fā)產(chǎn)生該燃氣附加量，用以補足主機燃燒所需的燃氣量。

此供給模式如圖4所示。甲板罐中的LNG通過罐內(nèi)的燃氣泵，被駁運到強制蒸發(fā)器，氣化后的燃氣進入燃氣緩沖罐穩(wěn)壓后再經(jīng)過流量計、燃氣總閥輸送到機艙供主機使用。

強制蒸發(fā)器的蒸發(fā)量由燃氣緩沖罐中燃氣壓力控制。當罐內(nèi)壓力降低時，控制系統(tǒng)會慢慢打開LNG控制閥PCV P6259；反之，當罐內(nèi)壓力較高時，控制系統(tǒng)會慢慢關(guān)閉LNG控制閥PCV P6259。

當強制蒸發(fā)器需要的 LNG流量小于燃氣泵連續(xù)工作的最小流量時，控制系統(tǒng)會打開燃氣泵的旁通閥，使多余的LNG回流至甲板罐中。

5 結(jié)論

大連中遠船務(wù)28 000 m3綠色LNG運輸船采用雙燃料驅(qū)動，是國內(nèi)首艘綠色新能源標準船舶，本文通過對該船雙燃料主機燃氣供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計，探討 LNG運輸船燃氣供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計要義，以期為未來LNG運輸船供氣系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。

[1]中國船級社.雙燃料發(fā)動機系統(tǒng)設(shè)計與安裝指南[S].2007.

[2]中國船級社.散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)范[S].2016.

[3]中國船級社.鋼質(zhì)海船入級規(guī)范[S].2016.

[4]上海佳豪船舶工程設(shè)計股份有限公司.28 000 m3LNG船技術(shù)規(guī)格書[Z].2012.

[5]TGE Marine Gas Engineering GmbH.28 000 m3LNG Carrier Operations Manual[Z].2014.

Design Fuel Gas Supply System of Small LNG Ship

DOU Qingmin, WANG Youli, QU Bo
(COSCO (Dalian) Shipyard Co., Ltd., Liaoning Dalian 116113, China)

Taking the 28 000 m3 green LNG carrier built by COSCO Dalian Shipyard as the background,through the study of TGE fuel gas supply system, the paper explores the design essentials of the fuel gas supply system.Hope to offer reference for the design of future fuel gas supply system of small LNG carrier.

fuel gas supply system; BOG compressor; fuel gas pump

ⅹU664.13

A

10.14141/j.31-1981.2017.06.000

豆慶民（1983—），男，碩士，工程師，研究方向：海工及常規(guī)船舶輪機設(shè)計。