船用液化天然氣燃料供氣系統(tǒng)原理及應(yīng)用

高天鴻 成杰

為了限制船用柴油機(jī)廢氣排放對環(huán)境的污染，國際海事組織通過相關(guān)排放附則對船舶發(fā)動機(jī)的氮氧化物和硫氧化物排放限制作出明確規(guī)定。為了實現(xiàn)節(jié)能減排，滿足日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，選擇性催化還原、廢氣清洗、廢氣再循環(huán)、雙燃料發(fā)動機(jī)、雙燃料供氣系統(tǒng)等新技術(shù)應(yīng)運而生。作為雙燃料供氣系統(tǒng)技術(shù)分支的液化天然氣（liquefied natural gas，LNG）燃料供氣系統(tǒng)以船載LNG為原料，通過增壓、汽化等工藝流程，將LNG先轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足發(fā)動機(jī)進(jìn)氣要求的氣態(tài)天然氣，再供發(fā)動機(jī)燃燒做功。本文介紹船用LNG燃料供氣系統(tǒng)組成及各模組工作原理，以期為系統(tǒng)應(yīng)用提供參考。

1 船用LNG燃料供氣系統(tǒng)組成

典型的船用LNG主要組成成分為甲烷（體積分?jǐn)?shù)94.0%），還有少量的乙烷（體積分?jǐn)?shù)4.7%）、丙烷（體積分?jǐn)?shù)0.8%）、丁烷（體積分?jǐn)?shù)0.2%）和氮氣（體積分?jǐn)?shù)0.3%）。船用LNG燃料供氣系統(tǒng)類似于船用燃油系統(tǒng)，能夠為主機(jī)提供LNG燃料。根據(jù)發(fā)動機(jī)進(jìn)氣壓力的不同，船用LNG燃料供氣系統(tǒng)可分為低壓供氣系統(tǒng)和高壓供氣系統(tǒng)。[1]船用LNG燃料供氣系統(tǒng)的工作原理是：將船載LNG通過汽化、加熱、加壓等方式轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)天然氣，定時、定量地提供給船舶主機(jī)或其他用氣設(shè)備。船用LNG燃料供氣系統(tǒng)由多個模組構(gòu)成，主要包括LNG存儲和監(jiān)控系統(tǒng)、LNG加注站、LNG汽化加熱系統(tǒng)、LNG加熱循環(huán)系統(tǒng)、LNG加注和供氣管路、安全系統(tǒng)、電控系統(tǒng)等。[2]

2 船用LNG燃料供氣系統(tǒng)模組及其原理

2.1 LNG存儲和監(jiān)控系統(tǒng)

適配LNG存儲和監(jiān)控系統(tǒng)的LNG液貨艙型式有A型獨立燃料罐、B型獨立燃料罐、C型獨立燃料罐和薄膜型燃料艙等，具體特點如下。

（1）A型獨立燃料罐 A型獨立燃料罐大多采用方形設(shè)計，配有完整的次屏壁，最大設(shè)計壓力一般不超過0.07 MPa，工作溫度在 55 ℃以下。

（2）B型獨立燃料罐 相較于A型獨立燃料罐，B型獨立燃料罐的圍護(hù)系統(tǒng)經(jīng)過更為精準(zhǔn)的應(yīng)力分析校核，因此僅配備部分次屏壁，設(shè)計壓力通常不超過0.07 MPa。B型獨立燃料罐主要包括MOSS球形罐和SPB棱形罐兩種結(jié)構(gòu)。

（3）C型獨立燃料罐 C型獨立燃料罐按照壓力容器的要求設(shè)計和生產(chǎn)，分為單C型、雙C型和三C型，需要配備馬鞍式底座支撐，不需要配備次屏壁，設(shè)計壓力通常不大于2.16 MPa。C型獨立燃料罐按結(jié)構(gòu)可分為雙層真空絕熱罐和外包絕熱層單壁壓力罐。雙層真空絕熱罐的特點是：絕熱性能好，蓄壓時間長，容積不宜過大，制造成本較高。外包絕熱層單壁壓力罐的特點是：絕熱性能取決于絕熱層的厚度，蓄壓時間取決于儲罐的設(shè)計壓力和工作壓力。

（4）薄膜型燃料艙 薄膜型燃料艙的主屏壁由薄層組成，有完整的次屏壁。作為船體結(jié)構(gòu)的一部分，薄膜型燃料艙須承受與船體結(jié)構(gòu)相同的載荷應(yīng)力，并且由于船體結(jié)構(gòu)不含低溫鋼，存在因燃料消耗而導(dǎo)致的晃蕩問題。類似的儲罐型式液貨艙還有半薄膜型燃料艙，其主屏壁也由薄層組成，但比薄膜型燃料艙的主屏壁厚，一般采用殷瓦鋼材料。半薄膜型燃料艙空載時為自持型，而裝載后則變?yōu)榉亲猿中汀?/p>

在燃料艙設(shè)置儀表設(shè)備，以便遠(yuǎn)程或就地讀取和監(jiān)測其重要參數(shù)，實現(xiàn)對氣體燃料系統(tǒng)的安全管理。一般通過船舶主控制站和駕駛室監(jiān)控報警板監(jiān)測燃料艙壓力、溫度和液位，監(jiān)測項目在《國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造與設(shè)備規(guī)則》和《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》中有明確要求。船上安裝的非固定式燃料艙也應(yīng)按固定式燃料艙的要求配備監(jiān)測系統(tǒng)，以保證船舶營運安全。[3]

2.2 LNG加注站

LNG加注站配備帶絕熱層的液體充裝管線和蒸氣回氣管線，用于向LNG燃料罐內(nèi)充裝燃料，一般安裝于舷側(cè)的露天甲板上，以確保有良好的自然通風(fēng)條件。若要將LNG加注站設(shè)置在圍蔽或半圍蔽處所，應(yīng)通過風(fēng)險評估并經(jīng)船級社同意。LNG加注站安裝須注意以下幾點：（1）在布置加注接頭和管路時，確保燃料管路不影響船舶燃料圍護(hù)系統(tǒng)，以免氣體不受控排放;（2）在加注接頭和其他可能泄漏的位置下方安裝帶有泄放閥的承滴盤，以便通過管路將泄漏物排出舷外;（3）充裝接頭設(shè)置防飛濺裝置、干式拉斷閥或自封式快速釋放裝置和應(yīng)急切斷閥。LNG加注方式有槽車加注、岸基加注、LNG躉船加注和船靠船加注等。

2.3 LNG汽化加熱系統(tǒng)

LNG汽化加熱系統(tǒng)的作用是通過熱交換方式將LNG汽化，并將其加熱到發(fā)動機(jī)允許使用的溫度。汽化加熱器一般采用容器式熱交換器，外殼采用耐低溫不銹鋼材料，內(nèi)管采用不銹鋼螺旋盤管結(jié)構(gòu)，可避免產(chǎn)生氣阻。汽化加熱器可與燃?xì)饩彌_罐、PBU蒸發(fā)器或增壓泵、安全閥、低溫截止閥、壓力表、溫度表等集成到氣密冷箱內(nèi)，形成汽化加熱器撬塊，同時須滿足船級社關(guān)于通風(fēng)系統(tǒng)換氣能力的相關(guān)要求。

2.4 LNG加熱循環(huán)系統(tǒng)

LNG加熱循環(huán)系統(tǒng)的作用是向汽化加熱系統(tǒng)或壓縮機(jī)單元提供熱源，通常采用水和乙二醇混合溶液作為加熱循環(huán)介質(zhì)。該介質(zhì)冰點為 30 ℃，可有效防止LNG汽化加熱器換熱管表面結(jié)冰，從而提高換熱效率。乙二醇管路采用氮氣增壓方式，以防燃?xì)膺M(jìn)入加熱系統(tǒng)。LNG加熱循環(huán)系統(tǒng)主要由乙二醇泵、熱交換器、閥門和儀器儀表等組成，可配備電加熱器，用于特定情況下加熱介質(zhì)。水乙二醇溶液加熱汽化加熱器后，可通過發(fā)動機(jī)冷卻水或船上的蒸氣對水乙二醇溶液再加熱，從而形成完整的加熱循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可集成到撬塊上，便于運輸和船上安裝布置，有利于節(jié)省空間。

2.5 LNG加注和供氣管路

LNG加注管路為加注站到儲罐之間的低溫管路，可采用雙層真空絕熱管或外包絕熱層單壁管路。管路設(shè)計除須滿足常規(guī)強度、溫度等要求外，還應(yīng)經(jīng)過低溫應(yīng)力分析，高壓供氣管路還須考慮振動和疲勞等應(yīng)力影響。

LNG供氣管路為冷箱后到發(fā)動機(jī)前的氣體管路，采用不銹鋼雙壁管結(jié)構(gòu)，內(nèi)管為燃?xì)夤夤?，外管為通風(fēng)導(dǎo)管。當(dāng)發(fā)動機(jī)在氣體燃料模式下運行時，外管須進(jìn)行有效的負(fù)壓式機(jī)械通風(fēng)。

2.6 安全系統(tǒng)

（1）惰性氣體系統(tǒng) 惰性氣體系統(tǒng)用于向裝有危險品的艙室、容器或管路輸送惰性氣體，以降低環(huán)境中的含氧量，從而營造不可燃的環(huán)境條件。LNG動力船主要采用氮氣系統(tǒng)，其作用是降低LNG儲罐及相關(guān)管系中的含氧量，并在LNG燃料充裝結(jié)束后對管線進(jìn)行吹掃。對于存放氮氣發(fā)生器和氮氣儲罐的艙室，通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置低氧報警裝置，并且每小時至少換氣6次。

（2）可燃?xì)怏w探測裝置 含有液態(tài)或氣態(tài)天然氣管路的處所設(shè)置可燃?xì)怏w探測裝置，包括固定式氣體探測器和便攜式氣體探測器，裝置數(shù)量根據(jù)處所的面積、布置和通風(fēng)等情況來確定。當(dāng)可燃?xì)怏w含量達(dá)到爆炸下限的20%時，觸發(fā)聲光報警;當(dāng)2個探測器探測到可燃?xì)怏w含量達(dá)到爆炸下限的40%時，觸發(fā)安全系統(tǒng)。對于機(jī)艙內(nèi)氣體管路環(huán)圍的通風(fēng)導(dǎo)管：當(dāng)可燃?xì)怏w含量達(dá)到爆炸下限的30%時，觸發(fā)聲光報警;當(dāng)2個探測器探測到可燃?xì)怏w含量達(dá)到爆炸下限的60%時，觸發(fā)安全系統(tǒng)，燃?xì)庵鏖y自動關(guān)閉（還可在駕駛室、監(jiān)控室、主甲板上加注站控制臺等區(qū)域遙控關(guān)閉燃?xì)庵鏖y）。

（3）透氣系統(tǒng) 氣體燃料罐艙室和穿過船上圍蔽處所的氣體管路雙壁管外管設(shè)有負(fù)壓式機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，通風(fēng)能力滿足每小時至少換氣30次，且通風(fēng)范圍360叭哺恰Mǚ縵低撤緇亢凸β逝渲糜δ莧繁5倍懶⑾唄飯┑綬緇蜆燦孟唄飯┑綬緇V乖俗保ǚ縵低懲ǚ縋芰Φ慕檔頭炔懷芡ǚ縋芰Φ？0%。[4]

2.7 電控系統(tǒng)

LNG燃料供氣電控系統(tǒng)具有系統(tǒng)控制、報警和安全保護(hù)等功能，具體表現(xiàn)為供氣系統(tǒng)各部分壓力、溫度、液位監(jiān)測及報警，對各功能單元的自動、手動控制，以及緊急切斷等安全保護(hù)。電控系統(tǒng)主要包括以下部件。

（1）主控制箱 主控制箱是電控系統(tǒng)的核心部件，其與各執(zhí)行元件和單元（加熱循環(huán)單元、通風(fēng)單元、空氣控制單元、可燃?xì)怏w探測單元、火災(zāi)探測單元、應(yīng)急泵單元等）通信，并對各執(zhí)行元件和單元下達(dá)指令，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、報警和控制。

（2）空氣控制單元 電磁閥通過空氣控制實現(xiàn)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，從而實現(xiàn)各個操作動作的執(zhí)行。

（3）駕駛室和充裝站延伸報警板 在駕駛室和充裝站顯示相關(guān)參數(shù)，在危險情況下可啟動緊急關(guān)斷系統(tǒng)。

（4）加熱循環(huán)單元 加熱循環(huán)單元包括循環(huán)泵、熱交換器和電加熱器。控制系統(tǒng)可以通過主控制箱遠(yuǎn)程控制循環(huán)泵和電加熱器啟停，并監(jiān)控其狀態(tài)。

（5）通風(fēng)單元 通風(fēng)單元的風(fēng)機(jī)彼此獨立供電，可以通過觸摸屏控制和監(jiān)控風(fēng)機(jī)啟停等狀態(tài)。

（6）應(yīng)急泵單元 在全船失電的情況下，由備用220 V直流電源供電，使加熱循環(huán)系統(tǒng)能夠持續(xù)工作，避免出現(xiàn)低溫結(jié)冰現(xiàn)象。應(yīng)急泵單元在主電源失電情況下開始工作，可通過主控制箱監(jiān)測其運行狀態(tài)。

3 船用LNG燃料供氣系統(tǒng)布置要求

船用LNG燃料供氣系統(tǒng)的LNG儲罐在船上的布置主要有以下兩種形式。

（1）開敞甲板上布置儲罐，適用于主甲板上有布置儲罐的合適空間的船舶，如油船、化學(xué)品船、散貨船等。要求是儲罐距離船舷不少于800 mm，布置環(huán)境自然通風(fēng)，以防逸出氣體聚積，并能保證船舶發(fā)生碰撞或擱淺時不會對儲罐造成損壞，存在液體泄漏風(fēng)險的與儲罐相連的管路接口處應(yīng)安裝承滴盤。

（2）圍蔽處所內(nèi)布置儲罐，適用于主甲板上沒有可以布置儲罐的合適空間的船舶，如集裝箱船、拖船等。此時儲罐可布置在獨立艙室內(nèi)，要求是儲罐和燃料管路距離舷側(cè)不少于800 mm，儲罐和相關(guān)管路可設(shè)置在次屏壁處所內(nèi)，與儲罐相連的管路、閥門和設(shè)備可安裝在密閉箱體內(nèi)。儲罐處所應(yīng)進(jìn)行通風(fēng)處理，并設(shè)置固定式滅火裝置以及可燃?xì)怏w和火災(zāi)探測裝置。

此外，根據(jù)船舶布置，也可將汽化加熱系統(tǒng)集成到燃料罐的氣罐連接處所，從而省去單獨放置汽化加熱器撬塊的空間，便于船廠施工。氣罐連接處所安裝完畢后，應(yīng)進(jìn)行試驗壓力不低于的氣密試驗。根據(jù)《使用氣體或其他低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》，當(dāng)設(shè)計溫度為110 ℃或更低時，應(yīng)對管系分支進(jìn)行完整應(yīng)力分析;因此，應(yīng)對LNG管路和設(shè)備實施應(yīng)力分析，并向船級社提交相應(yīng)分析報告。

4 結(jié)束語

近年來，我國順應(yīng)全球綠色低碳發(fā)展趨勢，積極參與國際社會碳減排行動，并制訂碳中和計劃，現(xiàn)已具備實現(xiàn)碳中和的條件。LNG的主要成分是碳?xì)浠衔?，比船用燃油更加清潔：與燃油模式相比，雙燃料發(fā)動機(jī)燃?xì)饽Ｊ降蛪汗庀到y(tǒng)排放的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和顆粒物分別減少25%、85%、100%和100%，高壓供氣系統(tǒng)排放的二氧化碳、氮氧化物、硫氧化物和顆粒物分別減少25%、25%、96%和37%。船用LNG燃料供氣系統(tǒng)的應(yīng)用將為我國碳達(dá)峰和碳中和乃至全球節(jié)能減排目標(biāo)作出重要貢獻(xiàn)，具有光明的發(fā)展前景?？死松慕y(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2020年4月，全球已交付LNG動力船561艘。據(jù)英國勞氏船級社預(yù)測，2025年全球LNG動力船數(shù)量將達(dá)到1 962艘，LNG動力船占全球新造船訂單的比例將超過60%?？梢?，LNG動力船將是未來主流船型之一。

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（編輯：曹莉瓊 收稿日期：2022-08-19）