中小型LNG動力船舶燃料系統(tǒng)配置

劉森林，陳雪峰，劉偉平

(上海佳豪船海工程研究設(shè)計有限公司，上海 201612)

0 引 言

液化天然氣(Liquefied Natural Gas，LNG)主要組分為甲烷。LNG素有綠色能源之稱，作為一種清潔能源在環(huán)境保護(hù)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，可有效減少顆粒物、硫氧化物、氮氧化物和碳氧化合物等污染物排放，其顯著的經(jīng)濟(jì)和社會效益已引發(fā)全球范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注和較大興趣。以LNG為代表的新能源在環(huán)保方面的獨(dú)特優(yōu)勢和效益已越來越顯著，在船舶交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用和推廣已呈潮涌之勢[1]。LNG動力船舶不斷涌現(xiàn)，其中中小型LNG動力船舶發(fā)展較為迅猛。LNG最低溫度達(dá)-164 ℃，具有潛在的低溫危害性，在氣化為天然氣(Natural Gas，NG)后具有易燃易爆的特性。LNG在中小型船舶上的應(yīng)用應(yīng)充分考慮上述特性，確保LNG在該類船舶上的應(yīng)用安全可靠。中小型LNG動力船舶受主尺度及布置空間制約，燃料系統(tǒng)需要靈活配置。

1 燃料儲存系統(tǒng)

LNG在船舶上通常以低溫液態(tài)形式儲存，LNG燃料艙型式非常重要。LNG燃料艙的主要型式為傳統(tǒng)液貨艙和C型液貨艙。傳統(tǒng)液貨艙分為薄膜型和獨(dú)立球型，對材料、施工工藝和船舶布置要求較高，需要設(shè)置次屏壁，適合大容積LNG儲存，主要應(yīng)用于LNG運(yùn)輸船。C型液貨艙屬于獨(dú)立型壓力容器范疇，為提高隔熱效果、減少LNG氣化，一般采用內(nèi)外壁結(jié)構(gòu)型式：內(nèi)外壁夾層空間抽真空并填充隔熱材質(zhì)；內(nèi)壁外側(cè)纏繞多層絕熱反射屏。絕熱性能是C型液貨艙質(zhì)量的重要指標(biāo)，直接關(guān)系液貨艙的保壓時間。

各類燃料艙主要性能特點(diǎn)如表1所示。C型LNG燃料艙技術(shù)成熟、價格適中，多以模塊化型式供貨，在中小型LNG動力船舶上應(yīng)用較為廣泛。建造的某型拖船配備C型LNG燃料艙2個，單個容積為30 m3。

表1 各類燃料艙主要性能特點(diǎn)

2 燃料供應(yīng)系統(tǒng)

中小型LNG動力船舶的發(fā)動機(jī)通常為雙燃料發(fā)動機(jī)或單一氣體燃料發(fā)動機(jī)，對LNG均以氣態(tài)形式加以利用，對燃料供應(yīng)的壓力、溫度和供應(yīng)量等指標(biāo)具有嚴(yán)格要求。LNG以液態(tài)形式儲存，因此需要處理為符合發(fā)動機(jī)要求的氣源才可使用，燃料供應(yīng)系統(tǒng)配置圍繞該基本要求展開。

LNG在燃料艙中以氣液兩相形態(tài)儲存。對于容量較小的LNG燃料艙，LNG通過增壓蒸發(fā)器氣化，返回LNG燃料艙增壓，形成初始?xì)鈮|，通常采用自增壓方式實(shí)現(xiàn)燃料供應(yīng)，即LNG通過燃料蒸發(fā)器加熱氣化，經(jīng)加熱器加熱至合適溫度供發(fā)動機(jī)使用；對于容量較大的LNG燃料艙，通常配備泵組將LNG由燃料艙泵出進(jìn)行處理后供發(fā)動機(jī)使用。LNG供發(fā)動機(jī)使用，需要經(jīng)氣化、加熱和調(diào)壓等復(fù)雜的處理流程，需要設(shè)置燃料氣化器、加熱器及調(diào)壓閥等實(shí)現(xiàn)上述功能。這些設(shè)備及閥件、附件通過管路連接，連接處為潛在泄漏點(diǎn)，因此其布置應(yīng)考慮泄漏風(fēng)險。自增壓式燃料供應(yīng)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 自增壓式燃料供應(yīng)系統(tǒng)

大型LNG動力船舶主尺度較大，空間裕量較大，燃料供應(yīng)系統(tǒng)的加熱器和閥件等通常均布置于專用艙室，該艙室的防火和通風(fēng)等獨(dú)立設(shè)置，避免對船舶安全區(qū)域帶來影響。但中小型LNG動力船舶受主尺度及布置空間制約，較難設(shè)置類似的專用艙室。為此，在LNG燃料艙端部設(shè)置氣密艙室(俗稱“冷箱”)，在功能上替代上述的專用艙室，LNG燃料艙和冷箱可作為整體撬塊以利于布置。若布置空間緊張，則可將冷箱改為分離式，即LNG燃料艙端部僅設(shè)置必要的根閥，在根閥外設(shè)置較小的冷箱，加熱器、閥件和附件等設(shè)置于另一較大冷箱中，較大冷箱可根據(jù)實(shí)際情況靈活布置。燃料供應(yīng)系統(tǒng)分離式冷箱如圖2所示。

圖2 燃料供應(yīng)系統(tǒng)分離式冷箱

燃料供應(yīng)管路通常采用雙壁管。雙壁管由內(nèi)管和外管組成，內(nèi)管主要用于氣體輸送。內(nèi)管和外管間的夾壁空間分2種情況：(1)采用惰性氣體加壓，壓力大于燃料供應(yīng)管路壓力，保證內(nèi)管氣體在發(fā)生泄漏時不會泄漏至外管外面；(2)采用負(fù)壓抽吸式通風(fēng)，通風(fēng)換氣次數(shù)不低于30次/h，在通風(fēng)機(jī)前設(shè)置可燃?xì)怏w探測裝置，若燃料供應(yīng)內(nèi)管發(fā)生泄漏，則可燃?xì)怏w探測裝置發(fā)出報警，負(fù)壓通風(fēng)及時將泄漏氣體抽出。燃料供應(yīng)系統(tǒng)采用雙壁管的結(jié)構(gòu)型式提供雙道物理屏障，通過惰性氣體加壓或負(fù)壓通風(fēng)措施進(jìn)一步保證燃料供應(yīng)安全。在LNG動力船舶的機(jī)艙和LNG燃料艙等處所可廣泛采用。

燃料供應(yīng)管路在進(jìn)入發(fā)動機(jī)前，通常設(shè)置具有燃料過濾、壓力調(diào)節(jié)、惰氣吹掃等功能的閥件和附件?？紤]閥件和附件的潛在泄漏風(fēng)險，通常在大型船舶上設(shè)置專用艙室，布置用于上述閥件和附件，并將該艙室劃分為1類危險區(qū)，其照明和通風(fēng)須滿足危險區(qū)的劃分要求。對于空間和布置受限的中小型船舶，該艙室可縮減為一個密閉的氣體閥件單元，以模塊化型式布置于機(jī)艙。

3 燃料加熱系統(tǒng)

LNG燃料經(jīng)燃料蒸發(fā)器和加熱器處理后，以氣態(tài)形式供LNG發(fā)動機(jī)使用。LNG為-164 ℃，發(fā)動機(jī)使用的氣態(tài)LNG燃料通常在0～60 ℃，如此大的溫差僅靠一次加熱是非常規(guī)設(shè)計，通過水-乙二醇溶液作為中間換熱介質(zhì)進(jìn)行2級換熱可有效解決這一問題。水-乙二醇溶液單元獲得熱源加熱，通過水-乙二醇溶液循環(huán)泵循環(huán)，在燃料蒸發(fā)器和加熱器中進(jìn)行熱交換。常規(guī)設(shè)計水-乙二醇溶液采用電加熱，不僅顯著增加電站容量，而且在使用方面并不經(jīng)濟(jì)。

LNG發(fā)動機(jī)通常采用中央冷卻，淡水循環(huán)系統(tǒng)中的散熱量通過淡水在中央冷卻器進(jìn)行熱交換傳遞至海水；在海水冷卻系統(tǒng)中，海水泵由海水總管吸水，在中央冷卻器進(jìn)行熱交換，將淡水傳遞的熱量排至舷外。冷卻發(fā)動機(jī)后的淡水在進(jìn)入中央冷卻器前，串接水-乙二醇溶液單元加熱，再經(jīng)中央冷卻器，這樣充分利用發(fā)動機(jī)冷卻水余熱，可解決LNG氣化及加熱的熱源問題。以某型拖船為例，其LNG加熱需要近300 kW的電加熱功率，在利用主機(jī)余熱加熱后，2臺發(fā)電機(jī)組單容量可由300 kW降至150 kW，不僅減小和優(yōu)化船舶發(fā)電機(jī)組配備，而且降低投資和使用成本。水-乙二醇溶液加熱如圖3所示。

圖3 水-乙二醇溶液加熱示例

4 燃料透氣管路系統(tǒng)

規(guī)范[2]對LNG燃料透氣管路系統(tǒng)的布置具有嚴(yán)苛的規(guī)定。大型船舶多采用獨(dú)立式透氣管桅，可布置于多處開敞區(qū)域。中小型LNG動力船舶受主尺度及布置空間制約，難以設(shè)計獨(dú)立的透氣管桅，但可將信號桅和透氣管桅進(jìn)行整合，即信號桅兼作透氣管桅。該結(jié)構(gòu)型式可將燃料透氣管路系統(tǒng)中的氣體由船舶的最高點(diǎn)釋放出去，利于危險氣體的擴(kuò)散。透氣管桅遠(yuǎn)離居住艙室和作業(yè)區(qū)域利于船舶整體安全。

中小型LNG動力船舶受主尺度及布置空間制約，危險區(qū)域的規(guī)劃應(yīng)充分考慮船型特點(diǎn)，滿足船舶使用需求，最大限度減少危險區(qū)域?qū)Υ暗挠绊?。以某型拖船為例，LNG燃料發(fā)動機(jī)所在的機(jī)艙設(shè)計為本質(zhì)安全型機(jī)艙，LNG燃料艙處所設(shè)計為安全處所，2個處所內(nèi)的機(jī)電設(shè)備無須防爆，可保證船員和設(shè)備的安全；在羅經(jīng)甲板，信號桅兼作透氣管桅，盡可能提高燃料透氣管出口高度，以避免危險區(qū)域過大覆蓋至桅桿上的電氣設(shè)備，如航行信號燈等；航行無線電等設(shè)備的天線(如雷達(dá)天線)在不影響設(shè)備性能的前提下盡可能調(diào)整垂直與水平距離，保證電氣設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行；對于確實(shí)無法避開危險區(qū)域的航行信號燈，可采用防爆型。其信號桅兼作透氣管桅的危險區(qū)域劃分如圖4所示。

圖4 信號桅兼作透氣管桅的危險區(qū)域劃分

5 燃料監(jiān)控系統(tǒng)和燃料安全系統(tǒng)

燃料監(jiān)控系統(tǒng)和燃料安全系統(tǒng)一般對溫度、壓力、液位、可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)、火災(zāi)報警及通風(fēng)狀態(tài)等物理參量進(jìn)行監(jiān)控。受監(jiān)控的設(shè)備與系統(tǒng)為：壓縮機(jī)和加熱器、燃料艙、加注站及加注管路、燃料艙處所、燃料艙接頭處所和屏壁間處所、燃料準(zhǔn)備間、位于燃料艙和機(jī)器處所之間的燃料供應(yīng)管路、氣體閥件單元處所、氣體燃料發(fā)動機(jī)機(jī)器處所等。以某型拖船為例，其監(jiān)控報警項(xiàng)約200個。

燃料監(jiān)控系統(tǒng)和燃料安全系統(tǒng)的主控制站設(shè)置于連續(xù)有人值班的機(jī)艙集控室，在駕駛室或安全中心設(shè)置副控制站；在燃料加注站、CO2室、機(jī)艙入口和LNG燃料艙所在處所入口設(shè)置獨(dú)立的應(yīng)急切斷按鈕，以便在緊急情況下切斷加注作業(yè)或燃料供應(yīng)。

需要注意，燃料監(jiān)控系統(tǒng)和燃料安全系統(tǒng)應(yīng)為2套獨(dú)立系統(tǒng)，包括電源及相關(guān)傳感器應(yīng)獨(dú)立。例如，LNG燃料艙液位，在燃料監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置液位顯示及高液位報警，在燃料安全系統(tǒng)中設(shè)置高高液位停止燃料加注作業(yè)，對應(yīng)的液位傳感器應(yīng)為2套。對于固定式氣體探測器，一般選用帶自檢功能，并配備備件以便及時更換，在氣體探測器檢測到自身故障時，燃料安全系統(tǒng)將其等同于探測到氣體體積分?jǐn)?shù)高，可不設(shè)置第2套探測器。

6 結(jié) 語

在當(dāng)前形勢下，以節(jié)能、減排和高效為特征的低碳經(jīng)濟(jì)已成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要趨勢，LNG清潔能源在船舶上的推廣和應(yīng)用順應(yīng)低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展潮流，化挑戰(zhàn)為機(jī)遇。LNG動力船舶的核心在于LNG應(yīng)用于船舶的安全性和可靠性。所進(jìn)行的研究可為中小型LNG動力船舶燃料系統(tǒng)配置提供參考。