船用LNG供氣系統(tǒng)罐溫罐壓控制方法

杜原野，陳海霞，李 彬

（招商局金陵船舶（南京）有限公司，南京 210015）

0 引言

環(huán)境污染問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注，有關(guān)船舶減少硫化物排放的呼聲也已持續(xù)多年。國(guó)際海事組織有關(guān)限制硫化物排放的新的規(guī)定也將于 2020年1月1日起強(qiáng)制執(zhí)行。歐美的排放控制區(qū)已經(jīng)實(shí)施了更為嚴(yán)格的硫化物排放限制，中國(guó)的重要港口及相關(guān)區(qū)域也建立了新的排放控制區(qū)，硫化物排放問(wèn)題的解決迫在眉睫。當(dāng)前主流的解決方案為使用清潔能源以及使用脫硫塔。作為一種清潔能源，LNG對(duì)船舶來(lái)講無(wú)疑是一種解決環(huán)境污染的優(yōu)選方案。對(duì)于遠(yuǎn)洋的船舶，LNG通常是以低溫低壓的方式進(jìn)行儲(chǔ)存，控制其罐溫的上升速率及蒸發(fā)氣體的產(chǎn)生是其中最關(guān)鍵的指標(biāo)。如果在使用過(guò)程中其儲(chǔ)罐內(nèi)溫度上升過(guò)快，將會(huì)導(dǎo)致LNG氣化，產(chǎn)生大量無(wú)法消耗的蒸發(fā)氣體，這會(huì)使儲(chǔ)罐內(nèi)壓力上升過(guò)快，對(duì)于船舶的運(yùn)營(yíng)安全性及續(xù)航力產(chǎn)生極大的影響。

1 問(wèn)題描述

某雙燃料貨船要求天然氣為船舶動(dòng)力的第一燃料，同時(shí)續(xù)航力要能達(dá)到 14天。本項(xiàng)目配備了 1臺(tái)高壓雙燃料的主機(jī)、3臺(tái)低壓雙燃料的發(fā)電機(jī)以及1套低壓雙燃料鍋爐。供氣采用1套帶有C型真空絕緣儲(chǔ)存罐的、具備獨(dú)特設(shè)計(jì)的 LNG高、低壓混合供氣系統(tǒng)，通過(guò) LNG低壓泵供液至日用罐，再通過(guò)此日用罐給 LNG高壓泵及低壓用戶的氣化器供液，然后通過(guò)高低壓氣化器和加熱器進(jìn)行氣化、加熱、調(diào)整供氣壓力等工序，最終實(shí)現(xiàn)向用戶供氣。LNG供氣系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 L NG供氣系統(tǒng)

2 問(wèn)題分析

罐溫升高的影響因素主要有罐子本體的真空度、低壓泵回液、高壓泵回液以及高壓緩沖罐的回氣。

如果 LNG罐子本體真空度較低，則其保溫性能較差，罐內(nèi)溫度會(huì)迅速上升。停止系統(tǒng)后，進(jìn)行儲(chǔ)罐罐溫保持試驗(yàn)，24 h內(nèi)罐溫基本不變，由此判定儲(chǔ)罐自身保溫性能無(wú)缺陷。

為保證設(shè)備的正常運(yùn)行，低壓泵和高壓泵必須要具備回液功能。通過(guò)改變回液節(jié)流孔板的尺寸來(lái)調(diào)節(jié)回液量的大小，選擇能夠保證高低壓泵正常運(yùn)行的最小的節(jié)流孔板尺寸。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論在主機(jī)發(fā)電機(jī)同時(shí)運(yùn)行，還是僅有部分設(shè)備運(yùn)行的工況下，低壓泵的功率消耗均很大，比理論估算的功率消耗要高1.25 kW～2.5 kW左右。也就意味著多余的功率均轉(zhuǎn)化為熱量，通過(guò)低壓泵的回液，熱量轉(zhuǎn)移到LNG儲(chǔ)存罐。

高壓緩沖罐的回氣功能主要為保證主機(jī)在頻繁操作過(guò)程中防止供氣超過(guò)限定壓力。這種情況在正常航行中出現(xiàn)的比重較小，可以忽略不計(jì)。

僅僅在回液/氣管路增加節(jié)流孔板，會(huì)減少LNG儲(chǔ)存罐的回液量和回氣量，罐溫及罐壓有所改善，但這無(wú)法從根本上解決儲(chǔ)罐溫升問(wèn)題。只有降低低壓泵的實(shí)際運(yùn)行功率，才能從根本上解決 LNG儲(chǔ)存罐的溫升問(wèn)題。

3 處理方案

初始的設(shè)計(jì)方案根據(jù)日用罐的壓力和液位，通過(guò)PID調(diào)節(jié)，對(duì)低壓泵的頻率進(jìn)行調(diào)整。罐內(nèi)壓力維持在0.83 MPa，以保證低壓控制系統(tǒng)需要的燃?xì)鈮毫?。液位控制設(shè)定在950 m m，保證高壓系統(tǒng)中高壓泵的吸口液位高度，以確保高壓泵能夠正常運(yùn)行。降低泵運(yùn)行功率最有效的方法是降低頻率，使得低壓泵在低轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，同時(shí)還要滿足系統(tǒng)的供液要求。本文中LNG供氣系統(tǒng)采用高、低壓混合設(shè)計(jì)，其控制模式分為備用模式、高壓模式以及高低壓混合模式。

3.1 備用模式

備用模式為 LNG系統(tǒng)處于備用狀態(tài)、無(wú)用戶消耗氣體的一種模式。根據(jù)用戶的運(yùn)行狀態(tài)以及氣體請(qǐng)求的信號(hào)進(jìn)行模式判斷，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行但是沒(méi)有使用氣體的請(qǐng)求命令時(shí)，判斷為無(wú)用氣用戶狀態(tài)，此時(shí)控制系統(tǒng)將低壓泵的功率調(diào)整到最低功耗。為降低功率，可將液位調(diào)低至高壓泵對(duì)于進(jìn)口液位的最低要求。根據(jù)高壓泵廠家要求及實(shí)際測(cè)試，最低液位高度可設(shè)定為450 m m。由于日用罐和低壓泵出口的壓差較小，泵消耗的功率主要用于克服日用罐和 LNG儲(chǔ)罐之間的壓差。若將此壓差控制在 1個(gè)相對(duì)固定的較低范圍內(nèi)，可大幅降低低壓泵的功率。通過(guò)控制系統(tǒng)采集日用罐與儲(chǔ)存罐的壓力，判斷壓差大小，根據(jù)壓差控制日用罐回氣閥門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉，在日用罐比儲(chǔ)存罐的壓力高于0.2 MPa的情況下開(kāi)啟回氣閥門(mén)泄壓，在壓差低于0.1 MPa的情況下關(guān)閉回氣閥門(mén)。根據(jù)實(shí)船測(cè)量，低壓泵的功率消耗約為0.65 kW。為進(jìn)一步降低低壓泵的功率，將開(kāi)啟回氣閥的壓差降低為0.15 MPa，關(guān)閉壓差設(shè)定不變。調(diào)整后低壓泵的實(shí)際功耗為0.44 k W，相較于調(diào)整前的功率消耗，降低了約1.5 kW。

3.2 高壓模式

高壓模式為主機(jī)僅使用燃?xì)獾墓r。通過(guò)主機(jī)的運(yùn)行信號(hào)和氣體請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行判斷。當(dāng)主機(jī)運(yùn)行并且發(fā)出氣體請(qǐng)求命令時(shí)，判定為高壓模式。此種模式可使用備用模式的指導(dǎo)思想，盡量降低低壓泵的功率，但是日用罐液位應(yīng)滿足主機(jī)高負(fù)荷情況下供氣量的要求。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于日用罐的容積過(guò)小，如果按照備用模式的設(shè)置進(jìn)行控制，日用罐液位450 mm設(shè)定值無(wú)法支持主機(jī)的用氣需求。日用罐的液位設(shè)定值由高到低進(jìn)行測(cè)試，在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)如下2種情況：

1）當(dāng)液位低于580 mm時(shí)，日用罐內(nèi)的液體會(huì)快速下降，不足以維持主機(jī)的用氣消耗。這種極限工況雖然很少出現(xiàn)，但為確保供氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，LNG控制系統(tǒng)增加600 mm的液位設(shè)定。當(dāng)液位低于此設(shè)定，打開(kāi)日用罐與 LNG儲(chǔ)存罐之間的回氣閥，降低日用罐的壓力，提高低壓泵的轉(zhuǎn)速、增大排量，及時(shí)補(bǔ)充 LNG至設(shè)定目標(biāo)，同時(shí)關(guān)閉日用罐與LNG儲(chǔ)存罐之間的回氣閥。

2）日用罐和LNG儲(chǔ)罐之間的回氣閥開(kāi)啟頻率過(guò)高，導(dǎo)致回氣量較大，低壓輸送泵功率波動(dòng)較大，低壓泵變頻器發(fā)熱嚴(yán)重。通過(guò)提高日用罐和 LNG儲(chǔ)罐之間的回氣閥的開(kāi)啟壓力和關(guān)閉壓力，可以減少回氣閥的開(kāi)啟次數(shù)，限制回氣量，使得低壓泵在相對(duì)穩(wěn)定的工況下運(yùn)行。經(jīng)測(cè)試，正常的液位設(shè)定在800 mm，回氣閥開(kāi)啟壓力設(shè)定在0.26 MPa，關(guān)閉壓力設(shè)定為0.18 MPa。極限工況下，設(shè)定液位600 mm時(shí)開(kāi)啟回氣閥，迅速向日用罐補(bǔ)充LNG。低壓泵的平均功率在1.3 kW左右，相較于改進(jìn)前降低了2.5 kW。

3.3 高低壓混合模式

高低壓混合模式為主機(jī)和低壓輔機(jī)同時(shí)運(yùn)行或者僅有低壓輔機(jī)運(yùn)行的模式。通過(guò)主輔機(jī)的運(yùn)行信號(hào)和氣體請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行判斷。高低壓混合模式下既要兼顧低壓系統(tǒng)的壓力，又要兼顧日用罐液位的需求，不能再沿用前面2種模式的控制原理。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，發(fā)電機(jī)需求壓力不能低于0.7 MPa，為保證日用罐的壓力穩(wěn)定，減少回氣次數(shù)，同時(shí)保證日用罐不超壓，將日用罐的壓力控制點(diǎn)設(shè)定為：1）0.83 MPa時(shí)打開(kāi)回氣閥；2）0.73 MPa時(shí)關(guān)閉回氣閥。日用罐液位的設(shè)定要高于800 mm。對(duì)830 mm、850 mm、900 mm以及950 mm液位工況進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，選取了供氣穩(wěn)定且功耗相對(duì)較低的900 m m液位進(jìn)行控制。在多次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，均未出現(xiàn)某一液位下 LNG供應(yīng)不足的問(wèn)題。根據(jù)測(cè)試，高低壓混合模式的實(shí)際平均功耗在2.5 kW左右。雖然實(shí)際消耗的功率高于高壓模式，但是這個(gè)功率比原始的廠家方案降低了約1.25 k W。為了進(jìn)一步提高來(lái)控制罐溫罐壓的效果，使用鍋爐進(jìn)行消耗罐內(nèi)的蒸發(fā)氣體。當(dāng)LNG罐內(nèi)的壓力高于0.45 MPa時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出信號(hào)至鍋爐控制系統(tǒng)，自動(dòng)啟動(dòng)鍋爐，消耗蒸發(fā)氣體，達(dá)到降低罐溫罐壓的作用。

3種控制模式下，新方案和原方案功率消耗對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 新方案和原方案功率消耗對(duì)比表

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì) LNG供氣系統(tǒng)的控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，將控制模式分為備用模式、高壓模式和高低壓混合模式。通過(guò)動(dòng)態(tài)控制日用罐及儲(chǔ)罐之間的壓差、降低日用罐控制液位高度、減小LNG低壓泵的運(yùn)行功率。與此同時(shí)，使用鍋爐消耗罐內(nèi)蒸發(fā)氣體，使得LNG儲(chǔ)罐的溫升及壓力得到有效控制，完全滿足實(shí)際使用需求。