豪華客滾船熱油鍋爐雙燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李林

摘? ? 要：根據(jù)客滾船“威斯堡”號(hào)（VISBORG）熱油鍋爐雙燃料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造實(shí)例，介紹熱油鍋爐雙燃料系統(tǒng)的特點(diǎn)。結(jié)合客滾船安全返港有關(guān)要求、雙燃料等對(duì)熱油鍋爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響進(jìn)行分析和探討，簡述熱油鍋爐雙燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)與建造過程需要注意的問題。

關(guān)鍵詞：LNG燃油雙燃料;熱油鍋爐雙燃料系統(tǒng);安全返港

中圖分類號(hào)：U662.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Design of Thermal Oil Heater Dual Fuel System for

Luxury Ro-pax Vessel

LI Lin

（ C&S GESAB （Shanghai） Boiler Co.， Ltd. Shanghai 200124 ）

Abstract： This paper introduces the characteristics of thermal oil boiler dual fuel system based on the design and construction of dual fuel system for thermal oil boiler of GOTLAND ROPAX VISBORG. The influence of dual fuel on the design of thermal oil boiler system is analyzed and discussed according to the requirements of SRTP， and briefly describes the problems needing attention in the design and construction process of dual fuel system of thermal oil boiler.

Key words： LNG/MGO dual fuel; Thermal oil boiler dual fuel system; Ro-pax SRTP

1? ? 引言

隨著環(huán)境污染日益加劇，國際海事組織頒布了一系列環(huán)保法規(guī)，航運(yùn)業(yè)對(duì)節(jié)能減排也日趨重視。而LNG作為船舶燃料，具有低硫和清潔燃燒特性，被越來越多的船東接受?！巴贡ぁ碧?hào)（VISBORG）在此背景下采用了國際先進(jìn)的雙燃料主機(jī)驅(qū)動(dòng)、雙燃料熱油鍋爐。LNG燃料在公海和排放控制區(qū)內(nèi)完全滿足有關(guān)法規(guī)排放標(biāo)準(zhǔn)，廢氣排放幾乎為零，“威斯堡”號(hào)是當(dāng)今世界上節(jié)能環(huán)保型高端豪華客滾船之一。本文結(jié)合“威斯堡”號(hào)重點(diǎn)介紹船用雙燃料熱油鍋爐系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2? ? 雙燃料熱油鍋爐系統(tǒng)組成

“威斯堡”號(hào)（VISBORG）是一艘豪華客滾船，上建房間多、車道甲板長，為了滿足安全返港要求，采用雙機(jī)艙冗余設(shè)計(jì)和雙燃料熱油鍋爐作為全船熱源，滿足相關(guān)規(guī)范和公約要求及制造廠家標(biāo)準(zhǔn)（包括DNVGL， ICG code ，Swedish Flag， SMA，STA and GESAB）。

本船由兩臺(tái)雙燃料熱油鍋爐和兩臺(tái)廢氣熱油鍋爐組成。船上設(shè)有兩個(gè)獨(dú)立機(jī)艙，每個(gè)機(jī)艙安裝一套熱油系統(tǒng)，每套系統(tǒng)由一臺(tái)雙燃料熱油鍋爐和一臺(tái)廢氣鍋爐組成。雙燃料熱油鍋爐和廢氣鍋爐串聯(lián)使用，通過可編程邏輯控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行;雙燃料熱油鍋爐一用一備，兩個(gè)機(jī)艙之間設(shè)有熱油連通管;兩臺(tái)廢氣鍋爐在正常航行工況下同時(shí)使用，代替雙燃料熱油鍋爐。

船上熱油系統(tǒng)主要為下列用戶提供熱源：機(jī)艙需要加熱的艙柜（油渣艙和艙底水艙）;居住艙室;主甲板用戶;生活用水。

2.1? 雙燃料熱油鍋爐

根據(jù)船舶建造規(guī)格書及熱負(fù)荷計(jì)算，本船設(shè)置前后兩個(gè)獨(dú)立機(jī)艙、左右舷各布置一個(gè)鍋爐艙;每個(gè)鍋爐艙安裝一臺(tái)功率為2 500 kW臥式雙燃料熱油鍋爐;兩臺(tái)廢氣熱油鍋爐分別布置在前后機(jī)艙圍井。雙燃料熱油鍋爐參數(shù)如下：

功率：2 500 kW

設(shè)計(jì)溫度：299 ℃

設(shè)計(jì)壓力：10 bar

熱油進(jìn)口溫度：150 ℃

熱油出口溫度：200 ℃

熱油流量：92 m?/h

2.2? 雙燃料燃燒器

每臺(tái)雙燃料熱油鍋爐配置一臺(tái)雙燃料燃燒器，全船共2臺(tái)。雙燃料燃燒器的特點(diǎn)是內(nèi)部有一個(gè)雙壁管通道，內(nèi)側(cè)管供燃油使用，外側(cè)管供氣化的LNG使用。

雙燃料燃燒器的燃料分別為：

（1）天燃?xì)猓↙NG）負(fù)荷調(diào)節(jié)模式：燃?xì)膺\(yùn)行時(shí)比例調(diào)節(jié)為1：4 （100 % - 25 %）;

（2）船用輕柴油（MGO）負(fù)荷調(diào)節(jié)模式：燃油運(yùn)行時(shí)比例調(diào)節(jié)為1：2.5 （100 % - 40 %）。

2.2.1 燃燒器功率計(jì)算

燃燒器功率=熱油鍋爐功率2 500（kW/h）/鍋爐效率（88.2%）=2 834 kW/h

根據(jù)燃燒器功率和鍋爐的煙氣背壓，選擇合適的型號(hào)300 M-II。

2.2.2 LNG消耗量計(jì)算

根據(jù)燃燒器功率，可以計(jì)算出LNG消耗量及最大助燃空氣量：

（1）LNG消耗量=燃燒器功率2834 kW×3.6/LNG熱值35.8 MJ/m3=285 m3/h

（2）最大助燃空氣量：1 300 m?/MW

2.2.3 燃油（MGO）消耗量計(jì)算

根據(jù)燃燒器功率，可以計(jì)算出燃油消耗量及最大助燃空氣量：

（1）燃油消耗量=燃燒器功率2834 kW×3.6/燃油熱值42.7 MJ/kg=238 kg/h

（2）最大助燃空氣量：15 m?/kg

2.2.4? 氣體閥和壓力調(diào)節(jié)單元

氣體閥和壓力調(diào)節(jié)單元主要是調(diào)節(jié)和控制燃燒器的供氣。所有部件都安裝在一個(gè)氣密罐里，滿足防爆區(qū)域要求：

數(shù)量：2臺(tái)

通徑：DN65

進(jìn)口壓力范圍：4～7? bar

進(jìn)口溫度范圍：0～60 ℃

出口壓力：95 mbar

燃燒器進(jìn)氣壓力：最大為500 mbar

2.3? 燃油輸送泵

數(shù)量：4臺(tái)

排量：1 050 litres/h

粘度范圍：1.5～37 mm2/s

電機(jī)功率：0.55 kW

2.4? 熱油廢氣鍋爐

數(shù)量：2臺(tái)

功率：1 250 kW/h

設(shè)計(jì)溫度：299 ℃

設(shè)計(jì)壓力：10 bar

熱油進(jìn)口溫度：150 ℃

熱油出口溫度：200 ℃

2.5? 熱油循環(huán)泵

數(shù)量： 6臺(tái)

排量： 46 m3/h

電機(jī)功率： 18.5 kW

2.6? 熱油膨脹柜（開式）

數(shù)量： 2個(gè)

容量： 2 000 升

2.7? 熱油除氣柜（閉式）

數(shù)量： 2臺(tái)

容量： 250升

2.8 控制箱

數(shù)量： 2個(gè)

包含鍋爐控制系統(tǒng)和燃燒器控制系統(tǒng)：鍋爐控制系統(tǒng)和燃燒器控制系統(tǒng)之間的通訊需用硬線連接;燃燒控制系統(tǒng)是主控制系統(tǒng)PLC的一個(gè)應(yīng)急PLC;主控制系統(tǒng)PLC可以使用LNG或燃油，但燃燒器控制系統(tǒng)PLC只能在應(yīng)急模式下使用燃油。

3? ?熱油鍋爐雙燃料系統(tǒng)的布置

4? ?熱油鍋爐雙燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

4.1 安全返港對(duì)雙燃料系統(tǒng)的影響

國際海事組織IMO早已明確新建造的客滾船需滿足安全返港有關(guān)技術(shù)要求，即要求在海上遭遇諸如海損、火災(zāi)等危害生命的安全事故后，能繼續(xù)航行至港口或安全區(qū)域的生存能力。

“威斯堡”號(hào)客滾船航線在北歐，冬季最低溫度常低于零下30 ℃，因此空調(diào)及熱油系統(tǒng)的配置均要考慮安全返港的要求。熱油系統(tǒng)分布在前后機(jī)艙，在任意一個(gè)機(jī)艙失效的時(shí)候可以保證另外一個(gè)機(jī)艙正常運(yùn)行，與之對(duì)應(yīng)的廢氣鍋爐也可以正常使用，即保證熱源的供應(yīng)。

本船設(shè)有左右機(jī)艙冗余，在航行工況下熱油廢氣廢氣鍋爐會(huì)同時(shí)使用，因此左右機(jī)艙設(shè)有熱油連通管路，在隔離艙壁處熱油連通管路需要設(shè)置兩個(gè)隔離閥，當(dāng)任意機(jī)艙失效的時(shí)候用于系統(tǒng)的隔離。

4.2? 復(fù)雜艙室對(duì)雙燃料系統(tǒng)的影響。

由于客滾船機(jī)艙層高較矮，對(duì)熱油系統(tǒng)設(shè)備和管路的布置有更高的要求。比如開式除氣柜的透氣管要求有45°的傾斜角向上透氣到膨脹柜，如遇到層高原因無法布置管路則最好改用閉式除氣柜。另外，熱油管路還需要考慮布置Ω彎應(yīng)對(duì)熱脹冷縮。

為了滿足安全返港要求，客滾船對(duì)水密區(qū)和防火區(qū)的分隔比普通商船復(fù)雜，而且從一個(gè)水密區(qū)或防火區(qū)進(jìn)入另外一個(gè)水密區(qū)或防火區(qū)的管子是不允許再返回原水密區(qū)或防火區(qū)的，由此對(duì)加熱用戶和管路的布置提出了更高的要求。

4.3? LNG燃料對(duì)雙燃料系統(tǒng)的影響

與傳統(tǒng)燃油相比，船上使用LNG燃料在許多方面可靠性均優(yōu)于燃油：柴油著火點(diǎn)為257 ℃、爆炸局限為0.5～7.5%，而LNG燃料著火點(diǎn)為650 ℃、爆炸局限為4.6 ～14.57%， 因此LNG燃料瞬間著火比油慢、不容易達(dá)到爆炸局限;LNG燃料屬于低溫液體，泄漏時(shí)自然氣化快不會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生污染;LNG燃料密度比空氣小，發(fā)生泄漏后會(huì)自動(dòng)上溢擴(kuò)散到大氣中，加入特殊嗅劑后發(fā)生泄漏可及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，即使船舶意外在海洋中發(fā)生泄漏，也不會(huì)對(duì)安全和海洋造成巨大的危害;油價(jià)的大幅上漲提高了船東的運(yùn)營成本，同時(shí)也凸顯了LNG作為船用燃料在價(jià)格上的優(yōu)越性。

為了能夠燃燒LNG燃料，系統(tǒng)需配置相關(guān)的LNG進(jìn)氣管路、氣體閥和壓力調(diào)節(jié)單元GVUR、進(jìn)氣雙壁軟管等設(shè)備，對(duì)鍋爐及燃燒器的周邊要求保留更多的空間;與此同時(shí)，也需增加掃氣、通風(fēng)和可燃性氣體探測等輔助設(shè)備和系統(tǒng)。

燃燒控制系統(tǒng)需要對(duì)燃燒器和氣體閥和壓力調(diào)節(jié)單元GVUR進(jìn)行通風(fēng)監(jiān)測。

在機(jī)艙外需要布置供氣系統(tǒng)和雙壁管吹掃的氮?dú)庀到y(tǒng)，氮?dú)庀到y(tǒng)需要進(jìn)行吹掃的情況包括：

（1）氣體閥和壓力調(diào)節(jié)單元GVUR內(nèi)任何測量信號(hào)錯(cuò)誤;

（2）LNG進(jìn)氣壓力高或調(diào)節(jié)后LNG氣體壓力高;

（3）進(jìn)氣溫度過低或過高;

（4）氣體閥檢測失效;

（5）緊急停爐;

（6）氣體閥和壓力調(diào)節(jié)單元?dú)怏w泄漏;

（7）供氣雙壁管通風(fēng)失效;

（8）手動(dòng)關(guān)閉/系統(tǒng)氣體施放。

5? ?結(jié)語

由于全球LNG基礎(chǔ)設(shè)施尚處于起步階段，燃料轉(zhuǎn)移技術(shù)效率還處于發(fā)展推廣階段，對(duì)于LNG燃料的應(yīng)用，一次性的解決方案比分階段解決方案更節(jié)省成本和后續(xù)投入，符合當(dāng)前可持續(xù)綠色發(fā)展趨勢。低硫油的解決方案無法從根本上解決大氣污染問題，設(shè)定控制硫氧化物排放限制區(qū)域只是暫時(shí)的措施，最終目標(biāo)是全球航區(qū)船舶尾氣排放限制，因此LNG燃料的優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn)。

客滾船特點(diǎn)是：主豎區(qū)劃分多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、上建房間多、車道甲板長、機(jī)艙空間緊湊等，使用LNG燃料安全要求更高，對(duì)熱油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)布置增加很大難度，因此需要在前期設(shè)計(jì)階段對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮。

該船已投入營運(yùn)，狀況良好。希望本文對(duì)后續(xù)的客滾船設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)和借鑒作用，為其它船舶熱油鍋爐雙燃料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建造提供有價(jià)值的參考。

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