某型電力推進LNG雙燃料動力船燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)設(shè)計

上海振華重工（集團）股份有限公司 谷林春

LNG雙燃料動力船的供氣系統(tǒng)FGSS因其服務(wù)對象不同，在不同的動力裝置中會有不同的特點。就目前船舶LNG燃料動力裝置技術(shù)現(xiàn)狀而言，有兩種技術(shù)路線：高壓LNG燃?xì)獠裼蜋C動力和低壓LNG燃?xì)獠裼蜋C動力。

在高壓供氣系統(tǒng)中，300bar左右燃?xì)鈮毫τ蒐NG增壓泵獲得。LNG從燃料艙儲罐中被低壓泵輸出后經(jīng)高壓泵對其進行增壓，增壓以后的LNG再用乙二醇水等進行加溫汽化，然后送至GVU單元中進行流量調(diào)節(jié)，最終送至高壓雙燃料低速二沖程柴油機主機中。同時，該高壓供氣系統(tǒng)也可以向四沖程雙燃料發(fā)動機提供6bar的燃?xì)狻?/p>

低壓供氣系統(tǒng)，可以給比較早發(fā)展的四沖程雙燃料發(fā)動機提供6bar燃?xì)?，也可以設(shè)計成向近些年新發(fā)展WIN G&D公司的XDF型低速二沖程柴油機（包括MAN 公司正在研發(fā)的ME-GA型）提供16bar燃?xì)狻?/p>

某型船動力裝置配置

如常規(guī)的雙燃料DFDE電力推進裝置一樣，某型船動力系統(tǒng)采用雙燃料柴油機發(fā)電，經(jīng)配電板、變壓器、變頻器、推進電機以及減速齒輪箱推動螺旋槳產(chǎn)生動力。雙燃料柴油機采用四沖程中速DF機，船舶電站采用三相690V/50Hz電制，電推主機采用兩臺4.5MW吊艙式推進電機。主發(fā)電機選型方案為：WARTSILA 6L 34/40DF×4，港口停泊發(fā)電機為MAN 23/30DF×1。

動力裝置燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)FGSS

雙燃料動力船舶的FGSS系統(tǒng)主要功能是向雙燃料柴油機提供滿足一定壓力、溫度和流量需要的燃?xì)?。從船用燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)來看，需要有加注環(huán)節(jié)、儲存環(huán)節(jié)、汽化環(huán)節(jié)以及向DF機供氣（GVU）環(huán)節(jié)。在設(shè)計上，將該系統(tǒng)儲存環(huán)節(jié)泄漏的熱量降至最低，以確保盡可能長的艙內(nèi)LNG保持時間。

圖1 典型電力推進 LNG雙燃料動力船動力裝置構(gòu)成

本項目船的燃?xì)夤?yīng)系統(tǒng)FGSS主要組成包括：LNG加注站、LNG燃料儲罐及連接空間TCS、LNG燃料泵、LNG汽化器、燃?xì)饧訜崞?、BOG壓縮機、燃?xì)饩彌_罐、GVU燃?xì)忾y組、N2吹洗管線、乙二醇水泵、乙二醇水加熱器、乙二醇膨脹柜、通風(fēng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、可燃?xì)馓綔y系統(tǒng)以及火災(zāi)報警系統(tǒng)組成。

可用的LNG燃料儲罐技術(shù)方案

在LNG燃料儲罐選型過程中,有數(shù)種可選方案。根據(jù)IMO組織制定的散裝液化氣體運輸船規(guī)范IGC Code,國際上對散裝運輸液化氣體船舶的貨物圍護系統(tǒng)，也就是液貨艙的類型，有整體型液貨艙、薄膜型貨艙、半薄膜型液貨艙、獨立式液貨艙以及內(nèi)部絕熱液貨艙五種類型。

1、C型壓力式燃料罐

在實際的FGSS系統(tǒng)設(shè)計中，C型壓力式LNG存儲技術(shù)根據(jù)項目的不同可以使用四種不同方式：C型-真空絕緣圓柱形儲罐、C型-PUF絕緣的圓柱形儲罐、C型-PUF絕緣的雙耳罐以及薄膜型儲罐。選擇最適合的LNG存儲技術(shù)的時候，一般需要考慮存儲容量和船上可用的空間。此外，三個重要參數(shù)也必須考慮：保溫時間、裝載限制和最大允許釋放閥設(shè)定壓力（MARVS）。

2、薄膜型燃料罐

GTT公司的Mark III和NO.96型貨艙技術(shù)都可以采用。但是，由于Mark III技術(shù)本身在主層屏蔽膜強度方面比NO96具有優(yōu)勢，所以在LNG燃料艙存儲應(yīng)用方面，Mark III應(yīng)用較多。

3、LNT-A Box型燃料罐

近些年，LNG存儲技術(shù)一個新的發(fā)展動向就是LNT Marine公司開發(fā)成功了一個新型的A型貨艙技術(shù)。該技術(shù)采用IMO A型貨艙技術(shù)，在棱柱形液貨艙外部的船體結(jié)構(gòu)內(nèi)壁上的絕緣層上有一層完整的次屏蔽。

燃料罐容量的確定

為確定LNG燃料儲罐的容量，必須找出船舶電網(wǎng)的最大持續(xù)功率消耗工況點，結(jié)合船舶設(shè)計最大續(xù)航力的數(shù)據(jù)，計算出理論需求最大的LNG燃料儲罐的容積。

1、動力裝置電力負(fù)荷計算

某型船舶的工作狀態(tài)分為：海上航行狀態(tài)、裝卸貨狀態(tài)、進出港狀態(tài)、在港狀態(tài)、應(yīng)急狀態(tài)，共計5個工作狀態(tài)。在所有的5個工作狀態(tài)當(dāng)中，海上全速航行狀態(tài)是屬于功率消耗最大（9285kW）的工作狀態(tài)。

2、動力系統(tǒng)中可選擇DF機

在船用雙燃料柴油機市場，綜合目前國內(nèi)國際兩個市場情況來看，國外主流四沖程DF柴油機以MAN和WARTSILA的四沖程柴油機為典型代表。根據(jù)電力負(fù)荷計算結(jié)果，在最大電站功率9285kW情況下，每臺在網(wǎng)主發(fā)電機平均分配到的功率應(yīng)該是9285÷4=2320kW。這個功率級別的DF柴油機，分別有MAN公司的6L 35/44DF和WARTSILA公司的6L 34/40DF兩種機型可選。兩種機型的柴油機由于其自身特性所限制，在同樣負(fù)荷工況點的耗氣率有明顯差別，據(jù)圖2可以明顯看出，MAN 35/44DF機在燃?xì)饽Ｊ较碌暮臍饴室黠@低于WARTSILA公司的34/40DF機型。

圖2 MAN 6L 35/44DF與WARTSILA 34/40DF耗氣率對比

如果單純從DF機的耗氣率來考慮，MAN 6L35/44DF無疑是最合適的。然而，考慮到在網(wǎng)機的運轉(zhuǎn)負(fù)荷， MAN 6L35/44DF的額定功率為：

WARTSILA 34/40DF的額定功率為：

相應(yīng)地，如果都選擇720rpm機型，兩種DF柴油機在本項目中的運轉(zhuǎn)工況分別是：

綜合以上情況，雖然MAN 6L 35/44DF在耗氣率有優(yōu)勢，然而這種機型在網(wǎng)狀態(tài)的負(fù)荷百分比較低，同時如果選取這種機型會造成柴油機閑置功率太大，會造成將近25%的發(fā)動機功率容量浪費。

3、動力裝置燃料罐容量計算

船舶在海上航行為滿足設(shè)計續(xù)航力要求，需要配備足夠的燃料。為了確定所需的LNG燃料儲罐的艙容，需要通過DF柴油機的耗氣率數(shù)據(jù)，計算出船舶在航行功率下，按設(shè)計航速航行續(xù)航力里程所需要的燃料總量。

表1 兩種DF柴油機的運轉(zhuǎn)工況

（1）WARTSILA 6L 34/40DF柴油機耗氣率計算

查詢WARTSILA公司提供的WARTSILA 6L 34/40DF柴油機的產(chǎn)品手冊Project Guide可得相關(guān)該機型的氣耗率信息。

本項目海上全速工況下，主發(fā)電機WARTSILA 6L 34/40DF柴油機工作負(fù)荷百分比為：

9285÷(2880×4)=80.6%

根據(jù)表2，可以在WARTSILA 6L 34/40DF柴油機75%和85%負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，采用中間插值法計算出80.6%負(fù)荷點的近似耗氣量為：

表2 WARTSILA 6L 34/40DF型柴油機燃?xì)庀穆时?/p>

7526+(7743-7526)÷(85-75)×（85-80.6)=7621 kJ/kWh

（2）動力裝置對燃?xì)馄焚|(zhì)要求

作為雙燃料發(fā)動機，W?rtsil?34DF發(fā)動機設(shè)計為在燃?xì)饽Ｊ交虿裼湍Ｊ较逻B續(xù)運行。W?rtsil?34DF發(fā)動機可以使用燃?xì)猓ㄌ烊粴猓┗虼貌裼停∕DO），也可以使用重燃油（HFO）作為燃料。雙燃料柴油機在燃?xì)饽Ｊ较逻\行時需要外部供氣系統(tǒng)和燃料供油系統(tǒng)同時工作。為了在額定輸出功率下連續(xù)運行，在氣體運行模式下用作主要燃料的氣體必須滿足一定的質(zhì)量要求。

根據(jù)WARTSILA公司提供Project Guide，可以查得對氣態(tài)天然氣甲烷值要求是最低MN70，燃?xì)膺M機溫度為0～60℃，氣態(tài)甲烷的低熱值為24MJ/m3N（以體積為參考）。

（3）動力裝置所需LNG燃料儲罐容量計算

基于上述計算結(jié)果，在計算LNG燃料儲罐所需最大容量的時候，需要考慮船舶以14節(jié)設(shè)計航速運行時的最大續(xù)航力。預(yù)計最大續(xù)航力為12000海里。那么以設(shè)計航速完成12000海里續(xù)航力的航行時間可以計算出來。然后根據(jù)上述5.3.1中計算的WARTSILA 34/40DF柴油機在80.6%負(fù)荷工況點的氣耗率7621kJ/kWh之結(jié)果，結(jié)合此種工況下主發(fā)電機的功率輸出9285kW，可以計算出總的燃料能量消耗量。如下列計算過程所示：

為了計算出所需的LNG的量，我們需要確定LNG的熱值及密度。在LNG熱值方面，不同氣源產(chǎn)地的LNG有不同的熱值。世界各地產(chǎn)出的LNG熱值基本在49.0～49.9MJ/kg之 間。 我 們可以根據(jù)業(yè)內(nèi)的常規(guī)做法選擇一個參考數(shù)據(jù)。MAN公司推薦采用 的LNG熱 值 為49.6MJ/kg，WARTSILA公司推薦熱值也為49.6MJ/kg。

LNG與傳統(tǒng)燃料不同，因為LNG是在低溫下以液體形式存儲的氣體。在船舶和船舶安全概念中，需要考慮氣體的揮發(fā)性和LNG的低溫兩個因素。下表羅列出在雙燃料柴油機中所使用的三種不同燃料，輕油、重油、LNG的不同密度及熱值（WARTSIL公司推薦）。

綜上，在本科研項目中我們?nèi)NG的熱值為49.6 MJ/kg。

因此，結(jié)合上述計算結(jié)果，本項目船航行12000海里所需要的LNG的量為：

表3 雙燃料柴油機中所使用的三種不同燃料的熱值對比（來源于WARTSIL公司資料）

從上述計算過程，可以得出，理論上滿足續(xù)航力要求所需的LNG約為1223噸。

在進行LNG體積相關(guān)計算時，需要選取LNG的不同的參數(shù)值。下列為不同的設(shè)計方所采用的不同的設(shè)計參數(shù)：

①TGE方面在進行相關(guān)計算時，其采用的數(shù)據(jù)為：

②WARTSILA方面在進行相關(guān)計算時，其采用的數(shù)據(jù)為：

一般地，業(yè)內(nèi)在計算LNG密度時認(rèn)定LNG的密度在410～500kg/m3之間。計算最終LNG儲罐容量時，我們參考MAN公司推薦的方案，在進行LNG儲罐等強度計算時，取LNG比較大的密度470kg/m3，然而在進行燃料熱值等相關(guān)計算時取比較小的密度425kg/m3。LNG的熱值，我們選取49.6MJ/kg。因此航行12000海里所需要的LNG總量是：

7621×9285×(12000÷14）÷1000÷49.6÷425=2877 m3

考慮C型LNG儲罐95%的充裝率和5%的使用下限，可用量約為儲罐幾何容積的90%，則儲罐幾何容積為：

2877÷90%=3196.7 m3≈3200m3

因此，為滿足設(shè)計續(xù)航力所需要的LNG燃料儲罐的容積應(yīng)該是3200m3。

若考慮實際加注的LNG熱值可能低于上述設(shè)計熱值的情況， 還需留出一定的設(shè)計余量，則儲罐的容積還會相應(yīng)增加。這個計算結(jié)果只是為了滿足12000海里續(xù)航力需求而估算的最大LNG燃料儲罐容量。但是，在實際設(shè)計當(dāng)中，還不得不考慮船上實際可用的LNG燃料罐存儲空間。最終的實際LNG燃料罐存儲容量，以實際可用空間計算為準(zhǔn)。