基于LPG的船用雙燃料供給系統(tǒng)設(shè)計

孫 瑞

(招商局重工(深圳)有限公司，廣東 深圳 518054)

0 引 言

IMO MARPOL ANNEX VI-《防止船舶污染國際公約》附則VI 強制要求，2020 年1 月1 日起，船用燃料的最大含硫量由3.5%降至0.5%，為適應(yīng)此綠色環(huán)保排放標準，系列VLGC 原船上常規(guī)單燃料主機改裝成能使用LPG 的雙燃料主機，方案為在露天甲板設(shè)立2 個900 m3的LPG 儲罐，并新增1 套LPG 供給系統(tǒng)至主機，該系統(tǒng)最低設(shè)計溫度?54℃，需要按照DNVGL 船級社第5 部分第7 章Liquefied gas tankers 要求設(shè)計[1]，并滿足國際海事組織（IMO）的《國際散裝液化氣體船規(guī)則》（IGC 規(guī)則），規(guī)范約束多，設(shè)計難度高。

用液化天然氣（LNG）的雙燃料船，業(yè)內(nèi)已有很多研究并建造或改裝成功，LNG 為環(huán)保型燃料可以大大降低有害的SOX，NOX，PM2.5 污染物，CO2排放物，以適應(yīng)IMO 越來越嚴的排放法規(guī)[2]。LPG 也是一種替代性環(huán)保燃料，其主要成份是丙烷、丁烷、異丁烷、丙烯等碳氫氣體混合物，是LNG 生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)品。隨著全球天然氣產(chǎn)量增加，LPG 產(chǎn)量也增加，成本也進一步降低，將其用于船用燃料也具有可行性。本文是將其原二沖程主機改成雙燃料主機，即液化氣在氣缸內(nèi)直噴，需要LPG 從儲罐到主機氣缸噴嘴之間一直保持液態(tài)，這是與LNG 燃料必須在蒸發(fā)器先汽化，再通過管路輸送到主機氣缸是不同的工作方式。另外相比LNG 常壓下?162℃的液化溫度，LPG 主要成份丙烷的常壓液化溫度只有?42.1℃，加壓后液化溫度進一步提高，對于LPG 的存儲、輸送、處理和使用更具有可行性。因此，針對以丙烷為燃料主要成份，展開一種雙燃料供給原理框架及其節(jié)點配置研究。

1 系統(tǒng)原理框架

根據(jù)船舶大小和主機功率，新增配置2 個900 m3的LPG 儲罐，放置于主甲板，因LPG 汽化后體積是液態(tài)體積的250～350 倍，所以為了攜帶盡量多的能源，增加持續(xù)供給能力，首先考慮怎么讓罐內(nèi)丙烷維持在液態(tài)，這就要先研究儲罐的壓力和溫度設(shè)計，先假設(shè)儲罐暴露在室外，最高設(shè)計溫度為40℃。由圖1 丙烷飽和蒸汽壓溫度曲線可知，對應(yīng)40℃的飽和蒸汽壓力為1.7 MPa，也就是說在溫度40℃時，壓力必須大于1.7 MPa，罐內(nèi)丙烷才會保持液化，否則丙烷將會沸騰汽化，持續(xù)的汽化讓罐內(nèi)壓力上升，直到超出罐體承受壓力極限引起爆炸，這是不允許的。但對船舶來講，在甲板上放置一個容積900 m3、承受內(nèi)壓要大于1.7 MPa 的儲罐，造價是巨大的。首先高壓力容器的設(shè)計導致罐體材料變重讓甲板難以承受，同時材料成本增加，另外高壓力罐體導致其維護要求和附屬管路儀表的成本也增加。但如果只是設(shè)計成0.5 MPa 的儲罐，按照其絕對壓力0.6 MPa 查圖1，可知其汽化溫度在9℃，也就是說根據(jù)其飽和蒸汽特性，儲罐只要維持在溫度9℃以下，罐內(nèi)壓力設(shè)計在0.5 MPa，丙烷就會維持液態(tài)，壓力不高，可采用較薄壁厚鋼板制作，這樣罐體重量減小，成本較低，經(jīng)濟性較佳，方案可行。

圖1 飽和蒸汽特性Fig.1 Saturated steam characteristics

IGC MSC 93/22/Add.1 Annex 6 要求[3]，液貨燃料供給系統(tǒng)必須至少配置隔離閥，安全釋放裝置，釋放緩沖裝置，通風系統(tǒng)，惰性氣體吹除，壓力溫度指示，液貨加溫冷卻等功能，結(jié)合儲罐的設(shè)計和丙烷飽和蒸汽特性，再對比圖2 的常規(guī)燃料供給系統(tǒng)圖，提出一種原理框架如圖3 所示。首先將單燃料發(fā)動機改成雙燃料發(fā)動機，然后新增一套LPG 燃料供給系統(tǒng)給主機。根據(jù)主機要求，供給管路在高壓單元后至主機前工作壓力為5.3 MPa，工作溫度為35±10℃。新增系統(tǒng)將由儲罐輸送管路，高壓單元，分配控制閥組，透氣桅1，透氣桅2，雙壁管等部分組成，可輸送低燃點的石油氣，使其保持在液化狀態(tài)直到發(fā)動機氣缸噴嘴才釋放汽化，然后燃燒驅(qū)動發(fā)動機活塞做功[4]。

圖2 常規(guī)燃油供給系統(tǒng)Fig.2 Conventional fuel supply system

圖3 系統(tǒng)原理和框架Fig.3 System principle and framework

LPG 供應(yīng)工藝流程為，儲罐輸送管路→高壓單元→分配控制閥組（供應(yīng)閥組）→雙壁管→雙燃料發(fā)動機→雙壁管→分配控制閥組（回流閥組）→高壓單元（泵入口）。

其功能設(shè)定為，儲罐輸送管路將儲罐內(nèi)的LPG 輸送至高壓單元，進一步增壓調(diào)溫并過濾保持必要的清潔度，再輸送至分配控制閥組，分配控制閥組內(nèi)設(shè)供應(yīng)閥組和回流閥組兩部分，其功能設(shè)定為：1）監(jiān)控和控制管路輸送，一旦泄漏應(yīng)急釋放至透氣桅；2）給回液管減壓；3）提供氮氣吹除清理管路中殘留LPG。LPG 從分配控制閥組（供應(yīng)閥組）出來，經(jīng)過雙壁管輸送至雙燃料發(fā)動機，在發(fā)動機氣缸處由電磁閥控制噴嘴噴射量，多余液體通過雙壁管和分配控制閥組（回流閥組）返回高壓單元泵入口，再次加入輸送管循環(huán)利用。工藝流程確認后，就該框架內(nèi)的原理節(jié)點和安全控制設(shè)計進行具體分析。

2 原理節(jié)點分析和安全控制設(shè)計

根據(jù)圖3 框架和功能要求，各部分進行具體配置和設(shè)計。

2.1 儲罐輸送管路

主要功能為儲存和輸送，設(shè)計為由儲罐（G1，G2），深井泵（B1，B2），出口控制閥V4，單向閥V3，V24，安全閥SV1，儲罐安全閥，安全閥釋放管P8，遠傳壓力表S3 和輸送管路P3 組成，如圖4 所示。功能是將儲罐內(nèi)的LPG 輸送至高壓單元，其功能設(shè)計如下：儲罐設(shè)計壓力0.5 MPa，溫度范圍?54℃至5℃，LPG 以?45℃存儲于儲罐，深井泵B1 從儲罐G1 抽取LPG，輸送至高壓單元，壓力為2.9 MPa，S3 遠傳壓力表用于檢測管路內(nèi)LPG 壓力，安全釋放閥SV1 設(shè)定在3.2 MPa，一旦泵出口管路P3 壓力超過3.2 MPa，壓力釋放閥SV1 將打開，里面LPG 液體通過管路P8 應(yīng)急釋放到透氣桅2。深井泵B1 儲罐G1 與泵B2 儲罐G2 互為備用。

圖4 儲罐輸送管路Fig.4 Transportation pipeline of storage tank

2.2 高壓單元

主要功能為增壓調(diào)溫過濾，高壓單元的設(shè)計如圖5所示。由高壓泵（B3，B4），濾器（S1，S2），安全閥（SV2，SV3，SV4，SV5），單向閥（V5，V6，V7，V8），三通閥（V9，V10），流量控制閥（V11，V12），遠傳壓力表（S11），遠傳溫度表（S4，S5，S10，S12），熱交換器（J1，J2），氮氣緩沖罐（G4），輸送管路（P3，P4），乙二醇管路（P6），氮氣管路（P7），安全閥釋放管（P9）等部分組成。高壓泵將儲罐輸送過來的LPG 進一步增壓到5.3 MPa，并通過10μm 級別過濾器（S1，S2）濾除管路中雜質(zhì)，避免堵塞發(fā)動機氣缸噴嘴，三通閥V9，V10 可以切換濾器S1，S2，讓它們互為備用，泵B3，B4 也互為備用。

圖5 高壓單元Fig.5 High pressure unit

1）LPG 輸送過程中需要進行調(diào)溫，以滿足發(fā)動機使用溫度35℃±10℃，可以通過乙二醇與LPG 在熱交換器J1，J2 換熱后實現(xiàn)。流程如下：熱乙二醇溶液通過管路P6 進入熱交換器J1 將LPG 從?45℃加溫到35℃，此時LPG 在35℃高溫但不會汽化，查圖1 知其飽和蒸氣壓為1.2 MPa，但此刻LPG 從泵B1 出來后壓力在2.9 MPa>1.2 MPa，所以LPG 保持液態(tài)。同時熱的乙二醇溶液與LPG 換熱從39℃冷卻至34.5℃。P3 供給管路35℃的LPG 到達發(fā)動機后，因通過噴射電磁閥導致其溫度上升到60℃，剩余部分通過回流管路P4 到達熱交換器J2，再次與P6 管路里從熱交換器J1 過來的乙二醇發(fā)生熱交換，這次LPG 從60℃被冷卻到37℃，冷卻后返回高壓泵（B3，B4）入口，與罐G1，G2 過來的LPG 混合后再次進入供給管路P3。同時乙二醇溶液與LPG 換熱從34.5℃被加熱至36℃。熱交換器的熱平衡計算公式為：

式中：Q為換熱量；M為流體質(zhì)量；C為比熱容；T為進口溫度；t為出口溫度。

由式(1)可知，調(diào)節(jié)乙二醇的初始溫度T1和流量M1即可將LPG 調(diào)溫至對應(yīng)溫度t2。

2）回液管路P4 上設(shè)置一個緩沖罐G4 支路，其可為回流LPG 提供一個緩沖存儲空間，也可通過氮氣管路P7 進行放殘，流量控制閥V11，V12 可分別調(diào)節(jié)在P4 管路和緩沖罐的LPG 流量大小。遠傳壓力表S11 提供遠傳指示和報警，安全閥（SV4，SV5）設(shè)定在3.2 MPa，在管路P4 和罐超壓時應(yīng)急開啟，通過管路P8 連接到透氣桅2 排放。

3）儀表S4，S5，S10，S12 提供熱交換器J1，J2進出口的溫度遠傳指示，用于即時監(jiān)控和調(diào)節(jié)LPG 溫度。安全閥SV2，SV3 設(shè)定在6.5 MPa，在高壓泵出口管P3 超壓時應(yīng)急開啟，通過管路P8 到透氣桅2 排放。單向閥（V5，V6，V7，V8）作用是讓流體單向運動，避免回流引起混亂。

4）高壓單元也配置了應(yīng)急安全釋放功能，此部分包含緩沖罐G6，液位計S14，放泄閥V23，排放管P8，透氣桅2 等，其工作方式是在安全釋放閥通過P8 管路應(yīng)急排放時，給予緩沖，收集排放時P8 管路中LPG 汽化不完全時可能存在的液體，避免直接排放到大氣。當G6 內(nèi)的液體達到一定量，觸發(fā)液位開關(guān)S14 報警，則可以通過閥V23 予以放泄和收集。透氣桅的高度按照DNVGL 要求，必須高于主甲板B/3，B為船舶寬度。

2.3 分配控制閥組

按照DNVGL Pt.5 Ch.7 table6 以及IGC 要求，管路輸送過程必須配備控制閥組和安全閥用于燃氣的操作和釋放，這是船級社對于LPG 管路的安全性和輸送控制的必備要求。為達到此要求，在分配控制閥組里特別設(shè)計了過程控制和多級應(yīng)急安全釋放功能（見圖6），具體分為供應(yīng)閥組和回流閥組兩部分，由氣動遙控閥（V13，V14，V15，V16，V17，V18，V19，V20），壓力控制閥V22，遠傳壓力表（S7，S8），遠傳溫度計S7，液位開關(guān)S9，供給管P3，回液管P4，應(yīng)急排放管P9，氣控管P10，氣控閥箱G7，氮氣吹除管P11 等組成[5]。

圖6 分配控制閥組Fig.6 Control valve manifold

1）液位壓力監(jiān)控和應(yīng)急釋放功能：通過液位開關(guān)S9 監(jiān)控回液管P4，一旦管路內(nèi)液位異常導致液位開關(guān)S9 報警，即可遙控閥V13，V20 開啟，通過管路P9 應(yīng)急釋放，如不能解決異常，則進一步通過遙控閥V14，V15，V16，V17，V18，V19 以應(yīng)急釋放，工作方式為：回液管P4 上關(guān)閉V14，開啟V15，V16 通過管路P9 應(yīng)急排放，供給管P3 上關(guān)閉V18，開啟V17，V19 通過管路P9 應(yīng)急排放。壓力控制閥V22 給回液管P4 減壓，從5.3 MPa 減壓至2.9 MPa，保證回液管重新匯入高壓泵（B3，B4）吸口管P3 時保持與其壓力一致。減壓到2.9 MPa 的LPG 在達到熱交換器J2 前溫度雖然在60℃，但不會汽化，因查圖1 可知其壓力低于2.1 MPa 才會汽化。儀表S6，S7，S8 提供管路P3，P4 的壓力和溫度遠傳指示和監(jiān)控，如發(fā)現(xiàn)異常，亦可操作閥組進行應(yīng)急釋放操作。

2）氣控閥箱G7 用于遠程控制閥門（V13，V14，V15，V16，V17，V18，V19，V20），氣控閥箱裝在安全區(qū)域，為船員操作提供安全保障。

3）提供氮氣吹除管P11，用于必要時清理管路中殘留LPG。

4）應(yīng)急排放部分包含緩沖罐G5，液位計S13，放泄閥V21，排放管P9，透氣桅1 等，其功能是在分配控制閥組應(yīng)急釋放時，給予緩沖、收集和排放。此處與安全釋放閥緩沖罐G6，透氣桅2 功能類似。

2.4 雙壁管

針對DNVGL 和IGC 對管路安全性及燃料泄漏的要求[1,3]，參照圖7 和圖8，雙壁管設(shè)計為由內(nèi)管、外管、雙壁管通風管（P12，P13）、風機F1 和管夾等組成。其工作原理是：1）雙壁管內(nèi)管提供LPG 輸送給雙燃料發(fā)動機A2，多余燃料回流至P4，外管在內(nèi)管泄漏時提供額外防護，將泄漏控制在內(nèi)外管夾層內(nèi)。2）雙壁管通風管P12，P13 用于在內(nèi)外管夾層之間的正壓通風，在LPG 由內(nèi)管發(fā)生泄漏至外管時，將汽化的LPG 由風機F1 抽到室外安全區(qū)域，P12 為風機進風管，P13 為風機出風管。3）管夾安裝于內(nèi)管與外管之間，提供支撐和減震作用。4）主要是位于分配控制閥組和雙燃料發(fā)動機A2 之間的P3，P4 管路要采用雙壁管設(shè)計，特別是針對這部分LPG 管通過主機房等機械處所的，要通過雙壁管設(shè)計予以雙層防護，避免泄漏至主機房而導致整個機械處所甚至全船處于起火甚至巨大的爆炸危險中。

圖7 雙壁管Fig.7 Double wall pipe

圖8 雙壁管構(gòu)造Fig.8 Internal structure of double wall pipe

3 原理完成和設(shè)計要素

以上各原理節(jié)點分析和安全控制設(shè)計確認后，再根據(jù)主機參數(shù)確定燃油需求和消耗量，計算出對應(yīng)的管路尺寸和相關(guān)設(shè)備參數(shù)，最后將各節(jié)點按框架在圖3合成，即可完成整個雙燃料供給系統(tǒng)的詳細原理設(shè)計圖。圖紙必須滿足DNVGL 和IMO IGC 的要求，以下為部分設(shè)計要素[1,3,6–7]：

1）液貨管材料必須采用奧氏體不銹鋼，適合最低設(shè)計溫度?54℃工作；

2）液貨管應(yīng)進行抗拉試驗和夏比V 型缺口低溫沖擊試驗，具有DNVGL 發(fā)證的材質(zhì)報告；

3）液貨管必須使用頸焊法蘭，管件使用對焊并對焊縫做100%無損檢測；

4）雙壁管通風系統(tǒng)應(yīng)保證具有每小時換氣至少30 次的通風能力；

5）雙壁管的布置和管夾支撐點應(yīng)提供應(yīng)力計算報告；

6）高壓單元和分配控制閥組可以做成液化氣供給橇塊（見圖3），集成設(shè)計，便于安裝調(diào)試；

7）按照IGC MSC 93/22/Add.1 Annex 6 要求，在供給系統(tǒng)外必須配置液貨控制系統(tǒng)（見圖9），即在主機房、高壓單元和分配控制閥組等潛在LPG 泄漏區(qū)域安裝氣體探測系統(tǒng)（5ppm），與應(yīng)急關(guān)斷裝置組成聯(lián)動機制，一旦監(jiān)測到燃料泄漏，氣體探測頭觸發(fā)系統(tǒng)聲光報警，即啟動應(yīng)急關(guān)斷裝置，此系統(tǒng)為LPG 安全使用和應(yīng)急釋放提供進一步保障[8]。

圖9 液貨控制系統(tǒng)Fig.9 Cargo control system

目前按以上研究過程完成的設(shè)計圖，送審DNVGL 已獲批準，圖3 的系統(tǒng)原理和模擬框架變成了可執(zhí)行方案，下一步在船廠按圖施工，經(jīng)船檢檢驗通過即完成系統(tǒng)改造，完成從理論設(shè)計到實踐的跨越。

4 存在問題及解決措施

LPG 雙燃料系統(tǒng)的設(shè)計不同于已成熟運用的LNG 雙燃料系統(tǒng)，它很多地方可以借鑒LNG 但又存在如下問題，可作出對應(yīng)設(shè)計來解決。

1）LNG 常壓液化溫度為?162℃，但LPG 只有?42.1℃，兩者飽和蒸汽特性不一樣，解決方法為調(diào)整對應(yīng)儲罐、泵、控制閥組等系統(tǒng)中附件的設(shè)計溫度和其他參數(shù)[9]。

2）LNG 供給主機為氣態(tài)，LPG 設(shè)計為液態(tài)，取消了LNG 系統(tǒng)必備的蒸發(fā)器。

3）LNG 系統(tǒng)供給管的氣態(tài)燃料全部進入主機氣缸，不需要設(shè)計回液管，但LPG 有回液管，可回收多余燃料，經(jīng)過減壓降溫后加入高壓單元或儲罐，實現(xiàn)再循環(huán)。

4）LNG 因沒有回液管，只在供給管上設(shè)計了一套氣鎖遙控閥，用于應(yīng)急安全釋放，但LPG 因有回液管，需要增加一套氣鎖遙控閥。

5）LNG 設(shè)計中的乙二醇熱交換系統(tǒng)一般用來給LNG 加溫，但因LPG 有回液管而且需要降溫，剛好可以巧妙利用因給LPG 供給管加溫而被冷卻過的乙二醇溶液給回液管中的LPG 降溫，高效循環(huán)利用乙二醇，一舉兩得。

5 結(jié) 語

1）通過以上設(shè)計可以看出，對LPG 燃料需要根據(jù)其飽和蒸汽特性展開相關(guān)研究，提出原理框架模型，將各節(jié)點分解后再行具體設(shè)計，解決其液化存儲、加壓、調(diào)溫、過濾、應(yīng)急釋放控制等難點要點，使其符合船級社和IMO 要求，就可以設(shè)計出普遍適用于船舶的可執(zhí)行LPG 雙燃料系統(tǒng)。

2）研究中發(fā)現(xiàn)LPG 系統(tǒng)設(shè)計受其成分影響較大，文本只用了100%純丙烷來計算和設(shè)計，但實際上LPG 中隨著丁烷、異丁烷、丙烯等成份的加入和比例的不同，其飽和蒸汽壓是一個影響較大的可變量，另外不同主機廠家的燃料壓力和溫度要求也不同，需要調(diào)整高壓單元、分配控制閥組和熱交換器等設(shè)備的參數(shù)，以保證LPG 達到對應(yīng)設(shè)計參數(shù)。還有在安全方面要做到任何情況下都要對LPG 有泄漏監(jiān)測和應(yīng)急釋放，來賦予船舶和操作人員足夠的安全防護，以上都是需要在實踐中不斷深入研究和解決的問題。

3）分析研究LPG 雙燃料系統(tǒng)解決方案，這不同于直接將船用燃油主機置換成LPG/LNG 單燃料主機，也不同于LNG 雙燃料設(shè)計，它是新增一套全新的LPG 供給系統(tǒng)，但又可以直接繼續(xù)使用原燃油系統(tǒng)和主機，2 種燃料可通過電磁閥控制的氣缸噴嘴迅速自由切換，這是全球首創(chuàng)的改造設(shè)計，是分析原理框架的意義所在[9]。

4）按照預(yù)設(shè)的原理和模型，將各框架設(shè)計成不同功能模塊，采用適宜的詳細節(jié)點配置方案，逐個解決其功能需求，并形成一個完整的可執(zhí)行方案，這種分析研究和設(shè)計理論對有同類型需求的船舶或?qū)砀蟾鼜碗s的船舶都是具有指導意義的。另外，LPG 雙燃料系統(tǒng)的成功設(shè)計，還在以下方面具有實際價值：一是讓主機可以使用LPG 作為燃料，降低船舶運營成本；二是使用LPG 清潔能源，減少有害污染物排放，符合IMO 和各口岸國家的標準；三是雙燃料供給靈活切換，公海使用常規(guī)燃油，近海切換成使用LPG 燃料，環(huán)保節(jié)能，操作方便。

5）在船上采用LPG 的雙燃料系統(tǒng)改造，VLGC 系列船是全球首次應(yīng)用，嚴謹?shù)脑O(shè)計和研究表明：該系統(tǒng)具有合理性、經(jīng)濟性和很強的環(huán)保性，適用于目前大型運輸高耗油船舶。雖然LNG 船用燃料系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)成熟應(yīng)用，但伴隨LPG 產(chǎn)量越來越大，而改造條件又相對于LNG燃料要寬松便利和容易實施，基于LPG 的雙燃料系統(tǒng)必然會應(yīng)用越來越廣泛，如何滿足國際海事組織、船東、船級社更精細化的要求，并結(jié)合全球綠色清潔能源供求趨勢的變化來進一步研究是未來發(fā)展方向。