基于天然氣燃料船的FGSS設(shè)計研究

劉淑亭

[摘? ? 要]近年來，國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）對SOx和NOx排放的要求日益嚴(yán)格，隨著IMO Tier Ⅲ于2020年1月1日正式實施，船用燃料硫排放上限從3.5%大幅降至0.5%，為滿足這一規(guī)定，“綠色能源”成為如今造船業(yè)最鮮明的底色和發(fā)展主

旋律，從而帶動了一系列船用市場的能源改革，其中LNG屬于熱值大、性能高的清潔能源，以LNG為原料的FGSS近幾年橫行于整個船用能源市場。文章針對不同的雙燃料發(fā)動機(jī)，介紹了FGSS系統(tǒng)的主要流程，同時以WinGD 5RT-Flex50DF

為例，詳細(xì)介紹FGSS的設(shè)計要點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]FGSS;LNG儲罐;LNG汽化器;BOG;緩沖罐

[中圖分類號]P631.436 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–00–03

Research on Fgss Design Based on Natural Gas Fuel Ship

Liu Shu-ting

[Abstract]In recent years， the International Maritime Organization （IMO） has increasingly stringent requirements on Sox and NOx emissions. With the formal implementation of IMO tier III on January 1， 2020， the upper limit of sulfur emission from marine fuel has been greatly reduced from 3.5% to 0.5%. In order to meet this requirement， "green energy" has become the most distinctive background and development theme of shipbuilding industry， LNG is a kind of clean energy with high calorific value and high performance. The fuel gas supply system based on LNG has been widely used in the whole marine energy market in recent years. This paper introduces the main process of fgss system for different dual fuel engines， and takes wingd 5rt-flex50df as an example， The design points of fgss are introduced in detail.

[Keywords]fgss; LNG storage tank; LNG vaporizer; BOG; buffer tank

FGSS（Fuel Gas Supply System）是一種以LNG為燃料，經(jīng)過裝載、儲存、氣化調(diào)壓后滿足雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒的供氣系統(tǒng)。

目前，雙燃料發(fā)動機(jī)主要有MAN、WinGD和瓦錫蘭等公司的低速和中速機(jī)，其主要機(jī)型及分類見表1。

由此根據(jù)發(fā)動機(jī)的不同壓力需求，市場主要將FGSS分為3種類型，即高壓供氣系統(tǒng)：30～35 MPa;低壓供氣系統(tǒng)：DF低速機(jī)≤1.6 MPa及DF中速機(jī)≤0.6 MPa。

1 FGSS流程介紹

1.1 PBU系統(tǒng)

PBU（Pressure Build up Unit）是一種通過自增壓的形式無需泵輸供給發(fā)動機(jī)燃燒的供氣系統(tǒng)，基本原理如圖1所示。

PBU系統(tǒng)主要適用于DF中速機(jī)（P<0.6 MPa），以圖1為例，C型LNG儲罐設(shè)計壓力<1 MPa，系統(tǒng)的壓力建成來源于PBU系統(tǒng)，當(dāng)LNG儲罐中的壓力低于某一低壓限值，PBU系統(tǒng)氣動閥自動開啟，通過儲罐中的LNG自流進(jìn)入PBU中的汽化器進(jìn)行氣化，氣化后的低溫BOG返于儲罐內(nèi)，使得罐內(nèi)氣體壓力提升至所需壓力，從而達(dá)到發(fā)動機(jī)的供氣壓力，整套系統(tǒng)無需提升泵，PBU系統(tǒng)實質(zhì)是增加了一套LNG汽化器專供罐內(nèi)升壓使用，儲罐中的LNG進(jìn)入PBU中的LNG汽化器，與水乙二醇進(jìn)行換熱氣化，其中進(jìn)入PBU的LNG設(shè)計量可以根據(jù)質(zhì)量守恒進(jìn)行計算。

目前，PBU系統(tǒng)多半用于內(nèi)河船，海船已很少采用，主要?dú)w結(jié)以下幾個原因。

（1）采用PBU系統(tǒng)，需要增加LNG儲罐的設(shè)計壓力，價格成本差異比較大;

（2）采用自增壓系統(tǒng)，LNG儲罐內(nèi)壓力升高，溫度升高從而增加了LNG揮發(fā)率及罐內(nèi)的翻滾現(xiàn)象的發(fā)生，不利于節(jié)能減排且增加了運(yùn)行風(fēng)險;

（3）船用系統(tǒng)對燃?xì)獾墓?yīng)溫度及壓力更為嚴(yán)格，供氣量受航行提速、減速及?？坑绊戄^大，僅靠PBU系統(tǒng)無法保證發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 低壓泵輸系統(tǒng)

低壓泵輸系統(tǒng)是一種通過低壓離心泵將罐內(nèi)的LNG外輸氣化調(diào)壓供船用發(fā)動機(jī)使用的供氣系統(tǒng)，基本原理如圖2所示。

低壓泵輸系統(tǒng)適用于供氣壓力≤1.6 MPa的供氣系統(tǒng)。圖2中，LNG儲罐采用C型單層罐外包絕熱層或者雙層真空充珠光砂，為了避免LNG的氣化，LNG提升泵置于單層LNG儲罐內(nèi)，也可置于罐外的專設(shè)LNG低溫泵池中，罐中LNG通過提升泵輸至主氣化器中氣化升溫后，通過緩沖罐進(jìn)行緩存后進(jìn)入發(fā)動機(jī)供其燃燒。

低壓泵輸系統(tǒng)相對于PBU系統(tǒng)，其在以下各方面有顯著優(yōu)勢：

（1）LNG儲罐設(shè)計壓力較低，C型LNG儲罐采購成本相對低;

（2）LNG儲罐運(yùn)行壓力較低，減少罐內(nèi)BOG的產(chǎn)生量，罐內(nèi)的壓力穩(wěn)定，保證系統(tǒng)運(yùn)行更加安全可靠;

（3）泵輸系統(tǒng)通過緩沖罐中的天然氣壓力控制LNG泵的變頻，系統(tǒng)運(yùn)行較PBU更加穩(wěn)定。

1.3 高壓泵輸系統(tǒng)

高壓泵輸系統(tǒng)適用于MAN的低速機(jī)，其正常供氣壓力大于30 MPa，基本原理如圖3所示。

圖3中，LNG通過罐內(nèi)低壓泵輸至罐外高壓泵進(jìn)行二級升壓，隨后輸至高壓汽化器中與水乙二醇換熱，氣化LNG并升高天然氣溫度至發(fā)動機(jī)所需燃?xì)鉁囟龋ā?5 ℃）后，供主機(jī)使用，LNG罐內(nèi)的BOG，根據(jù)船用輔機(jī)或者鍋爐的需求，可以通過儲罐壓力控制BOG管線中控制閥的開啟，BOG自流進(jìn)BOG壓縮機(jī)進(jìn)行升壓后進(jìn)入氣體換熱器升溫，供輔機(jī)或鍋爐燃燒使用。

目前，在MAN主機(jī)高壓泵輸系統(tǒng)中，高壓泵及氣化單元（PVU）一般由MAN公司打包提供，相對低壓泵輸系統(tǒng)，高壓泵輸系統(tǒng)成本較高，同時在發(fā)動機(jī)燃燒排放中不能直接達(dá)到T III標(biāo)準(zhǔn)，需配置SCR進(jìn)行尾氣處理后排放。

2 FGSS設(shè)計分析

2.1 典型事例

本項目以一艘化學(xué)品船為例，船用主機(jī)采用WinGD5RT-Flex50DF，供氣壓力為1.33 MPa，耗氣量為950 kg/h;船用燃?xì)庠O(shè)備IGG，供氣壓力0.2～0.4 MPa，耗氣量最大為160 kg/h;項目總耗氣量為1110 kg/h。兩座C型儲罐位于甲板兩側(cè)，左右舷各設(shè)加注系統(tǒng)配套。

由基礎(chǔ)信息可以確定采用低壓FGSS泵輸系統(tǒng)適用于本項目的設(shè)計，但同時也要將系統(tǒng)的節(jié)能性與適用性相結(jié)合，系統(tǒng)采用IGG用于儲存化學(xué)品船艙的氮?dú)獬溲b，一方面阻隔空氣與化學(xué)品的接觸面，另一方面更可用于控制LNG罐內(nèi)壓力，BOG處理系統(tǒng)對儲罐壓力穩(wěn)定及系統(tǒng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。

2.2 設(shè)計思路

如圖4所示，正常運(yùn)行中，LNG從罐內(nèi)通過泵輸系統(tǒng)氣化升溫至緩沖罐進(jìn)行緩沖后通向主機(jī)及IGG燃燒使用，當(dāng)儲罐壓力升高至某一設(shè)定值（～0.5 MPa），BOG氣體閥聯(lián)鎖打開，主供氣系統(tǒng)進(jìn)IGG閥關(guān)閉，通過罐內(nèi)的BOG自流進(jìn)BOG換熱器升溫后進(jìn)入IGG使用，也可以通過閥門操作讓BOG升溫后的NG使主機(jī)在平緩低速下慢行，通過這兩種方式可降低LNG儲罐壓力，減少釋放量。

系統(tǒng)設(shè)計中要注意以下幾點(diǎn)。

（1）系統(tǒng)按照IGF規(guī)范設(shè)計，并同時執(zhí)行相應(yīng)船級社天然氣燃料船規(guī)范及SOLAS等。

（2）基于本系統(tǒng)的特點(diǎn)，IGG供氣壓力較低（0.2～0.4 MPa），BOG處理系統(tǒng)考慮與LNG罐內(nèi)BOG壓力聯(lián)鎖啟閉，通過自流方式進(jìn)入IGG燃燒使用，這種模式取消傳統(tǒng)BOG壓縮機(jī)的使用，降低成本，簡化流程。

（3）由于船在行駛過程中有提速、減速及?？康念l繁操作，對于燃?xì)獾男枨筇幱谧儎訝顟B(tài)，系統(tǒng)對于泵的變頻控制尤其重要。一般而言，可以通過緩沖罐內(nèi)的氣體壓力控制泵的流量，但是在船減速及停靠的過程中，泵的流速很可能低于泵的最低流量限值，所以在FGSS設(shè)計中，泵后回流管線的設(shè)置至關(guān)重要。一方面，流量過低時，開啟LNG回流閥，通過一部分LNG的回流使得泵的流量保持在泵的有效運(yùn)行區(qū)間內(nèi);另一方面，在FGSS故障或者停止運(yùn)行時，保持泵回流低流量運(yùn)行，維持系統(tǒng)LNG管線時刻預(yù)冷狀態(tài)。

（4）為了阻止LNG的氣化，需將LNG離心泵置于低溫潛液池中，潛液池需設(shè)氣相平衡管，防止?jié)撘撼刂蠦OG氣體壓力過高，造成進(jìn)泵管線氣阻或泵的汽蝕。

（5）主汽化器后端需設(shè)置LNG儲罐補(bǔ)氣管，一方面在罐壓力過低時，自動補(bǔ)氣，另一方面在汽化器出現(xiàn)故障時，可及時將汽化器中大部分的氣體短時間內(nèi)回流至儲罐中。

（6）必須設(shè)置與PLC系統(tǒng)獨(dú)立的ESD系統(tǒng)，按照IGF及相關(guān)船級社燃料船的相關(guān)規(guī)定，在加注系統(tǒng)以及LNG儲罐進(jìn)出口連通閥及主氣體閥設(shè)置ESD緊急切斷閥，與相應(yīng)信號聯(lián)鎖控制，實現(xiàn)ESD緊急切斷功能。這也是HAZID重要分析內(nèi)容。

2.3 軟件模擬

HYSYS在船用FGSS中的熱量平衡與設(shè)備選型方面起到關(guān)鍵作用，圖5為項目HYSYS分析模擬圖表。

整套系統(tǒng)的供熱通過水乙二醇閉式系統(tǒng)提供，50%∶50%水乙二醇的冰點(diǎn)為–30 ℃，避免了與LNG換熱過程中的結(jié)冰現(xiàn)象的發(fā)生，水乙二醇的供水量及進(jìn)出水溫度影響整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

在FGSS換熱系統(tǒng)中，為保證發(fā)動機(jī)的最佳運(yùn)行，天然氣供氣溫度設(shè)置為40 ℃，水乙二醇分兩路進(jìn)入系統(tǒng)，第一路進(jìn)主供氣系統(tǒng)供天然氣主流程氣化及升溫使用，另一路進(jìn)BOG系統(tǒng)為BOG升溫提供熱量;主供熱系統(tǒng)中，設(shè)置水乙二醇先為氣化后的天然氣升溫后再進(jìn)入LNG汽化器為LNG氣化提供熱量，保證天然氣升溫后的溫度能達(dá)到40～45 ℃，系統(tǒng)熱量計算對于整個FGSS的設(shè)計及設(shè)備選型非常重要，由HYSYS模擬數(shù)據(jù)見表2。

2.4 系統(tǒng)計算結(jié)果

水乙二醇系統(tǒng)由達(dá)西公式、天然氣管線采用威莫斯公式及溫降公式結(jié)合以上HYSYS模擬數(shù)據(jù)，水力壓降及溫降計算見表3。

2.5 其他輔助系統(tǒng)說明

整個設(shè)計除工藝及供熱系統(tǒng)設(shè)計外，同時要考慮TCS通風(fēng)及安全區(qū)域雙壁管的通風(fēng)設(shè)計、系統(tǒng)的氮?dú)獯祾咴O(shè)計、儀表風(fēng)設(shè)計及TCS、加注系統(tǒng)的集液池的安全設(shè)計等。

3 結(jié)語

船用FGSS設(shè)計不僅需要考慮系統(tǒng)的安全性，還需結(jié)合船廠船東的意見做到操作簡單合理，船體布置合理、成本控制得當(dāng)。船用FGSS設(shè)計船級社送審文件及圖紙工作量大，設(shè)計過程中需設(shè)計者對傳熱學(xué)與流體力學(xué)相關(guān)知識熟練運(yùn)用，同時精通HYSYS模擬操作以及CAESAR對管線的應(yīng)力分析;近幾年隨著國內(nèi)綠色長江及國際IMO TierⅢ的實施，F(xiàn)GSS在國內(nèi)及國際船用市場逐漸進(jìn)入高峰，也許需要更多的專業(yè)技術(shù)人員加入這一新時代的船用領(lǐng)域，對系統(tǒng)及設(shè)備有更好的鉆研及開發(fā)，讓FGSS走的更久更遠(yuǎn)。

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