新型獨(dú)立B型液化天然氣燃料艙圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李欣,王怡,王曌文,郭敏捷,周熲

(上海外高橋造船有限公司,上海 200137)

1 B型艙圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

B型艙圍護(hù)系統(tǒng)系指包括燃料艙接頭在內(nèi)的用于燃料儲(chǔ)存的裝置,包括主屏壁、次屏壁、絕緣層、燃料艙處所以及相關(guān)系統(tǒng),以及必要時(shí)用于支撐這些構(gòu)件的相鄰結(jié)構(gòu)。

B型艙作為自持型液艙[5],需利用船體結(jié)構(gòu)對(duì)其進(jìn)行支撐。在確保續(xù)航力的前提下,為獲得更優(yōu)的集裝箱布局、裝載更多集裝箱,目標(biāo)雙燃料集裝箱船設(shè)置一個(gè)B型艙作為L(zhǎng)NG燃料儲(chǔ)存艙,位于上層建筑居住區(qū)域下方、主甲板以下燃料艙處所內(nèi)。燃料艙絕緣層外表面與內(nèi)船殼之間設(shè)有維修空間,見(jiàn)圖1。

圖1 雙燃料集裝箱船新型B型艙布置

對(duì)于布置在主甲板以下的LNG燃料艙需設(shè)置燃料艙連接處所,作為布置所有燃料艙接頭和燃料艙所需閥附件儀表的圍蔽處所。

1.1 B型艙氣室和泵井布置

本船B型艙氣室包括人孔,因此其尺寸主要取決于人孔尺寸以及艙上的閥附件儀表和管路布置。在滿足布置的前提下,可將氣室盡量做小,以提高經(jīng)濟(jì)性。

B型艙泵井尺寸主要取決于艙內(nèi)LNG供給泵的尺寸及其維修空間。LNG供給泵有潛液泵和深井泵兩種形式,深井泵的馬達(dá)布置在艙外氣室平臺(tái)上,相較潛液泵維修更方便,無(wú)需進(jìn)艙維修,但由于小排量深井泵廠家較少,該型式泵價(jià)格昂貴。

本船艙內(nèi)配置2×100% LNG潛液泵,一用一備。該配置從設(shè)計(jì)角度完全可以滿足系統(tǒng)要求,但是潛液泵的工作壽命為20 000 h,無(wú)法滿足船舶5年塢修要求,因此不排除船東會(huì)要求采用3×100% LNG潛液泵,一用兩備。若考慮深井泵方案,則配置2×100% LNG深井泵即可,一用一備。本B型艙泵井尺寸設(shè)計(jì)同時(shí)考慮了2×100% LNG潛液泵和3×100% LNG潛液泵的布置,可靈活應(yīng)對(duì)船東不同要求。

1.2 B型艙絕緣系統(tǒng)布置

所述新型B型艙絕緣系統(tǒng)主體基于雙層聚氨酯泡沫系統(tǒng)。第一層為根據(jù)B型艙艙體表面形狀設(shè)計(jì)的聚氨酯板,第二層為噴涂聚氨酯泡沫,應(yīng)用于聚氨酯板表面。新型B型艙圍護(hù)系統(tǒng)的燃料艙和絕緣與船殼分離,無(wú)需分擔(dān)船體強(qiáng)度,即燃料艙和絕緣的變形和溫度應(yīng)力不會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成直接影響[6],船體結(jié)構(gòu)無(wú)需選用耐低溫鋼材,并且減小由于冷縮效應(yīng)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

2）譯碼單元：對(duì)AHB-Lite下發(fā)的地址和數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，并分派給相關(guān)的寄存器；將控制單元的處理的結(jié)果送回總線；譯碼單元包括數(shù)據(jù)輸入寄存器和控制寄存器，控制寄存器主要控制加速核的工作模式和標(biāo)志起始工作狀態(tài)。

絕緣系統(tǒng)同時(shí)起到防濺屏和微泄漏防護(hù)層的作用,泄漏液體通過(guò)艙表面和絕緣內(nèi)層板之間的泄漏通道進(jìn)入集液盒?；?5%加注率下蒸發(fā)率BOR<0.25%天的設(shè)計(jì)目標(biāo),經(jīng)計(jì)算,該B型艙的絕緣厚度為330 mm。新型B型艙絕緣系統(tǒng)布置圖見(jiàn)圖2。

圖2 雙燃料集裝箱船新型B型艙絕緣系統(tǒng)布置

1.3 B型艙泄漏、集液盒通風(fēng)及加熱系統(tǒng)

B型艙泄漏主要由B型艙裂紋擴(kuò)展引起,一旦出現(xiàn)泄漏,泄漏的低溫液體自裂紋處流至艙表面與絕緣之間的泄漏通道內(nèi)。泄漏通道底部設(shè)置泄漏管,泄漏管上設(shè)置爆破片,在設(shè)定的爆破溫度下,爆破片兩側(cè)壓力差達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí),爆破片破裂,泄漏液體流入底部集液盒。所述新型B型艙采用5個(gè)敞開(kāi)式集液盒,分別位于B型艙底部4個(gè)角落以及艙底中部,集液盒之間無(wú)需設(shè)置連通管。泄漏至集液盒內(nèi)的LNG自然氣化為BOG,揮發(fā)至燃料艙處所內(nèi),揮發(fā)后的BOG通過(guò)燃料艙處所的風(fēng)機(jī)抽至透氣桅進(jìn)行排放,避免低溫氣體擴(kuò)散到周邊船體空間破壞船體結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖3。

圖3 B型艙泄漏、集液盒通風(fēng)及加熱系統(tǒng)

燃料艙處所風(fēng)機(jī)配置為2×50%風(fēng)機(jī),總通風(fēng)能力為每小時(shí)至少換氣30次;若一組風(fēng)機(jī)失效,通風(fēng)能力不應(yīng)下降超過(guò)50%。由于BOG為低溫氣體,風(fēng)機(jī)需選用低溫風(fēng)機(jī),出于成本考慮,為了更合理地進(jìn)行風(fēng)機(jī)選型,考慮通過(guò)B型艙泄漏擴(kuò)散模擬計(jì)算,對(duì)燃料艙處所內(nèi)結(jié)構(gòu)溫度進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)模擬溫度值進(jìn)行低溫風(fēng)機(jī)選型。

風(fēng)機(jī)的控制可通過(guò)在燃料艙處所內(nèi)設(shè)置溫度開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)或可燃?xì)怏w探頭監(jiān)測(cè)進(jìn)行控制,當(dāng)達(dá)到一定設(shè)定值時(shí)起動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣體排放。關(guān)于傳感器設(shè)置及對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)機(jī)控制方式對(duì)比

針對(duì)集液盒的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì),也可考慮在燃料艙處所上安裝PV閥來(lái)取代風(fēng)機(jī)的方案,該方案相較于風(fēng)機(jī)配置更具成本優(yōu)勢(shì)。當(dāng)泄漏至集液盒內(nèi)的LNG揮發(fā)成BOG排至燃料艙處所內(nèi)達(dá)到一定壓力設(shè)定值后,將觸發(fā)PV閥開(kāi)啟。參考LNG燃料艙上安全閥的設(shè)計(jì),在燃料艙處所上配置2×50% PV閥。需要注意:基于PV閥的結(jié)構(gòu)型式,PV閥無(wú)排放接口接至透氣桅,即PV閥開(kāi)啟后只能在閥上直接透氣。該P(yáng)V閥的設(shè)置位置需滿足《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國(guó)際安全規(guī)則》(IGF Code)[7]對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域劃分要求,即壓力釋放閥透氣出口與通向起居處所、服務(wù)處所和控制站或其他非危險(xiǎn)區(qū)域的空氣進(jìn)口、出口或開(kāi)口和機(jī)器的廢氣出口的距離應(yīng)不小于10 m。

本船的上層建筑位于B型艙上方,因此若選用PV閥,會(huì)對(duì)居住區(qū)域造成直接影響,并對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域劃分及相關(guān)設(shè)備布置帶來(lái)一定困難。因此,本船優(yōu)選風(fēng)機(jī)方案。

根據(jù)船級(jí)社規(guī)范,每個(gè)集液盒的容量需滿足最大艙的泄漏總量,由于各船級(jí)社對(duì)B型艙泄漏率要求不同,集液盒的尺寸也有差異。為了合理設(shè)計(jì)集液盒尺寸,可通過(guò)在集液盒上設(shè)置加熱系統(tǒng),加速LNG氣化減少集液盒內(nèi)LNG積聚的方式減小集液盒尺寸。對(duì)于集液盒內(nèi)未及時(shí)蒸發(fā)的液體,可以選擇三種加熱方式:電加熱、蒸汽加熱以及水乙二醇加熱,具體實(shí)施方案根據(jù)不同項(xiàng)目情況而定。該三種加熱方式的對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 集液盒加熱方式對(duì)比

每個(gè)集液盒內(nèi)設(shè)有溫度傳感器,用于監(jiān)測(cè)集液盒的溫度變化,當(dāng)盒內(nèi)溫度降低到設(shè)定值時(shí),則啟動(dòng)加熱系統(tǒng),加速集液盒內(nèi)泄漏液體的氣化。

1.4 B型艙安全系統(tǒng)

1.4.1 氮?dú)庀到y(tǒng)

氮?dú)庀到y(tǒng)主要用于向B型艙泄漏通道提供密封氣,并根據(jù)IGF Code要求對(duì)燃料艙處所提供氮?dú)膺M(jìn)行惰化,降低該處所的環(huán)境大氣含氧量,同時(shí)用于用氣設(shè)備和相關(guān)LNG管路的吹掃。

考慮到萬(wàn)一存在泄漏,氮?dú)庀到y(tǒng)還需向B型艙泄漏通道以及燃料艙處所進(jìn)行補(bǔ)氮,為保障氮?dú)庀到y(tǒng)正常運(yùn)行,本船氮?dú)庀到y(tǒng)考慮冗余配置,即每臺(tái)氮?dú)獍l(fā)生器配置獨(dú)立空壓機(jī),若一臺(tái)氮?dú)獍l(fā)生器或空壓機(jī)發(fā)生故障,還有備用氮?dú)獍l(fā)生器及空壓機(jī)可以使用,保持氮?dú)庀到y(tǒng)依然在工作,見(jiàn)圖4。

圖4 氮?dú)庀到y(tǒng)

1.4.2 可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)IGF Code要求,需對(duì)可能存在液化天然氣泄漏的處所設(shè)置固定式可燃?xì)怏w探測(cè)系統(tǒng)。與燃料艙相關(guān)的可燃?xì)怏w探頭應(yīng)布置在如表3所示的處所內(nèi)。其中,針對(duì)燃料艙接頭處所,當(dāng)可燃?xì)怏w濃度達(dá)到20%時(shí)應(yīng)觸發(fā)聲光報(bào)警;當(dāng)兩個(gè)可燃?xì)怏w探頭探測(cè)濃度達(dá)到40%時(shí)則觸發(fā)安全系統(tǒng),燃?xì)庵鏖y相應(yīng)關(guān)閉。

表3 B型艙相關(guān)可燃?xì)怏w探頭布置處所

2 B型艙BOG處理方式

B型艙為非承壓容器,其設(shè)計(jì)壓力一般不超過(guò)0.07 MPa,蓄壓時(shí)間短,但LNG在船上的儲(chǔ)存不可避免地會(huì)產(chǎn)生多余BOG蒸發(fā)氣(Boil Off Gas),對(duì)LNG燃料艙艙壓造成一定程度的影響。因此,針對(duì)B型艙,選擇合適的BOG處理方式對(duì)于整個(gè)供氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和船舶安全性至關(guān)重要。根據(jù)規(guī)范要求,BOG處理方式的選擇,應(yīng)能使燃料艙的壓力在燃料艙壓力釋放閥的設(shè)定壓力以下至少維持15 d。

本船配置1臺(tái)雙燃料主機(jī)、3臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)組以及1臺(tái)雙燃料組合鍋爐。其中,推進(jìn)主機(jī)選取了德國(guó)曼恩公司(MAN-ES)的雙燃料高壓發(fā)動(dòng)機(jī),該機(jī)型的燃?xì)夤┙o壓力為30 MPa,而雙燃料發(fā)電機(jī)供氣壓力約為0.6～0.9 MPa,雙燃料組合鍋爐的供氣壓力則為0.4～0.6 MPa。該船配置低壓常溫BOG壓縮機(jī),將燃料艙內(nèi)產(chǎn)生的BOG經(jīng)BOG壓縮機(jī)供至雙燃料發(fā)電機(jī)組和雙燃料組合鍋爐,以此處理艙內(nèi)BOG,降低艙壓。

由于正常航行時(shí),只需運(yùn)行一臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)組,無(wú)法消耗艙內(nèi)產(chǎn)生的全部BOG。因此,只能通過(guò)雙燃料組合鍋爐燒掉燃料艙內(nèi)多余的BOG,確保維持較低艙壓。在此過(guò)程中,鍋爐燃燒BOG會(huì)產(chǎn)生大量蒸汽。根據(jù)蒸汽平衡計(jì)算,該模式下產(chǎn)生的蒸汽量超出船上正常所需蒸汽耗量,這部分蒸汽只能通過(guò)鍋爐過(guò)量蒸汽泄放閥泄放至大氣冷凝器,經(jīng)冷卻回到熱井[9]。此外,為了更好地處理艙內(nèi)BOG,雙燃料組合鍋爐還配置了“Free flow”功能,即BOG經(jīng)加熱后可直接供雙燃料組合鍋爐燃燒,無(wú)需通過(guò)BOG壓縮機(jī)增壓,確保艙壓較低時(shí)也能及時(shí)處理艙內(nèi)BOG。BOG處理系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

圖5 BOG處理系統(tǒng)

經(jīng)綜合對(duì)比,本船的B型艙配置采用雙燃料組合鍋爐作為處理艙內(nèi)多余BOG的方式最為簡(jiǎn)單可靠,經(jīng)濟(jì)性更佳。

3 結(jié)論

現(xiàn)階段,針對(duì)新型B型艙圍護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)研究成果相對(duì)較少,本文基于9 200箱雙燃料集裝箱船新型B型燃料艙圍護(hù)系統(tǒng),進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備布置研究,同時(shí)對(duì)比了LNG泄漏擴(kuò)散處理方案,分析了作為非壓力容器的B型艙BOG處理方式。此圍護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)符合IGF Code和船級(jí)社相關(guān)規(guī)范的要求,能保證系統(tǒng)相關(guān)工藝流程設(shè)計(jì)要求,為后續(xù)其他大型LNG 動(dòng)力船的B型艙圍護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考和依據(jù)。

1)經(jīng)過(guò)研究,新型B型艙圍護(hù)系統(tǒng)艙容利用率高,相較于其他獨(dú)立液艙安全性和可靠性更佳,可同時(shí)應(yīng)用于LNG運(yùn)輸船和LNG動(dòng)力船,具有很好的應(yīng)用前景。

2)分析LNG泄漏擴(kuò)散的不同處理方案,后續(xù)應(yīng)考慮進(jìn)一步通過(guò)LNG泄漏擴(kuò)散分析,進(jìn)行LNG燃料艙處所內(nèi)的溫度場(chǎng)計(jì)算,驗(yàn)證氣化后的BOG擴(kuò)散是否會(huì)對(duì)船體結(jié)構(gòu)造成低溫影響,并優(yōu)化風(fēng)機(jī)選型。

3)新型B型艙設(shè)計(jì)壓力低于0.07 MPa,選擇合適的BOG處理方式控制艙壓則尤為重要。通過(guò)對(duì)比,針對(duì)ME-GI雙燃料主機(jī),若B型艙內(nèi)多余的BOG 無(wú)法消耗,既可通過(guò)配置“Free Flow”功能的雙燃料組合鍋爐消耗BOG,該方案為最經(jīng)濟(jì)有效的BOG處理方式。