船用氨燃料供給系統(tǒng)設計和CFD 仿真

孫 瑞 黃朝俊 宋秀麗 劉建成 司徒穎峰 易志金

（1.招商局重工（深圳）有限公司 深圳 518054；2.招商局海洋裝備研究院 深圳 518067；3.廣東省海洋資源勘探開發(fā)裝備工程技術研究中心 深圳 518054；4.必維船級社（中國)有限公司 上海 200010）

0 引言

根據(jù)國際海事組織（international maritime organization,IMO）海洋環(huán)境保護委員會（marine environment protection committee,MEPC）第72 屆會 議制定的《船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，航運界要在2030 年實現(xiàn)碳達峰，2050 年實現(xiàn)碳中和的減碳目標。目前的主流清潔燃料——液化天然氣（liquefied natural gas,LNG）的減碳能力為20%～ 25%，而氨燃料燃燒后生成氮氣和水，其減碳能力達到100%，故其已成為航運界當前看好的理想零碳燃料之一[1-2]。如今，國內(nèi)外幾大主機廠家正進行氨燃料機器研發(fā)：德國MAN 公司計劃2024 年交付首臺機，瓦錫蘭公司計劃2023 年實現(xiàn)首制機實船安裝，中船動力集團計劃2025 年完成中低速機技術開發(fā)和樣機研制。與此同時，基于氨燃料的船用供給系統(tǒng)設計也成為技術研發(fā)熱點：日本郵輪在LNG 動力船ARLFV 號上完成了“氨燃料預留”概念設計；韓國現(xiàn)代重工的氨燃料系統(tǒng)設計獲得韓國船級社頒發(fā)的原則性認可AIP 證書；江南造船研發(fā)氨燃料動力40 000 m3氣體運輸船獲英國船級社頒發(fā)的AIP 證書；中船動力集團研發(fā)的氨燃料系統(tǒng)獲得意大利船級社頒發(fā)的AIP 證書，中國船舶及海洋工程設計研究院和中遠海運針對超大型油輪（very large crude carrier,VLCC）聯(lián)合研發(fā)了氨燃料動力方案，并同時獲得中國船級社和美國船級社頒發(fā)的AIP 證書。

隨著船舶行業(yè)對氨燃料應用的聚焦，美國船級社于2021 年發(fā)布《氨燃料船舶指南》，中國船級社在2022 年發(fā)布了《船舶應用氨燃料指南》，挪威船級社發(fā)布《面向2050 年的海事展望》，指出從長遠角度來看，氨和甲醇將是前景廣闊的碳中和燃料。但是，馬士基、殼牌和地中海航運等公司的一份基于低碳燃料LNG、甲醇、氫和氨的研究指出，氨目前屬于“高風險”替代燃料，在船只擱淺、燃料艙破裂以及氨泄漏的情況下，風險極高，這正是氨燃料動力方案在船舶上安全存儲、穩(wěn)定供給、惰化防爆、應急泄放和泄漏回收等方面存在的問題和面臨的挑戰(zhàn)。[3-4]

將氨燃料動力方案與目前已成熟應用的LNG 動力方案比較[5]，可以發(fā)現(xiàn)：LNG 是經(jīng)過汽化器相變后以氣態(tài)進入主機做功，無需設置回路；而目前的氨燃料主機要求為以液態(tài)供給，與常規(guī)柴油動力系統(tǒng)類似，需要針對富余燃料設置回液管和超壓溢流管。另外，氨氣有毒且泄漏后可與空氣形成爆炸混合物，需要設置氨捕捉設施來嚴格控制泄漏和排放。根據(jù)氨燃料以上特性，目前LNG 燃料供給系統(tǒng)的設計無法直接用于氨燃料。雖然前述國內(nèi)外眾多公司和研究所已研發(fā)出多種氨燃料動力方案，并獲得AIP 認證，但基本都是針對某單一船型且處于技術嚴格保密狀態(tài)。氨作為新穎的燃料需要研究解決的問題頗多，本文主要針對氨燃料供給系統(tǒng)中一些通用的關鍵問題提出解決方案，并進行計算流體力學（computational fluid dynamics,CFD）仿真驗證[6]。

1 氨特性分析和系統(tǒng)設計目標

氨在常壓下的液化溫度為-33.35 ℃,在空氣中爆炸濃度范圍為16%～ 25%，相對于LNG 沒有那么易燃易爆[2]。然而，氨的氣味刺激且毒性大，空氣中最高容許濃度為22.8 mg/m3。

根據(jù)MAN 和瓦錫蘭研發(fā)中的氨燃料主機目前公開數(shù)據(jù)，要求壓力范圍為7.0～ 8.5 MPa，溫度范圍為25～ 45 ℃，表明其進機壓力和溫度較高，輸出壓力和溫度進一步升高，需進行減壓和冷卻后方可使用。根據(jù)以上氨的特性，供給系統(tǒng)的設計需解決燃料供給端的存儲、過濾、加壓、加溫、緩沖、氣阻消除、超壓回流、惰化防爆，以及回流端的減壓、冷卻、混合物收集、防汽化、氣液分離等問題，并具有應急釋放管路和具備氨排放捕捉處理功能，以保障船舶主機穩(wěn)定運行及船上人員設施的安全性。

2 需要解決的關鍵問題

對比LNG 燃料系統(tǒng)，氨燃料供給系統(tǒng)的設計中需要解決以下幾個關鍵問題：

（1）定壓定溫供給

氨主機需求壓力為7.0～ 8.5 MPa，溫度為25～ 45 ℃。與常見LNG 系統(tǒng)1 MPa 的工作壓力相比[7]，氨主機壓力要求高，屬于中高壓和較高溫供給。

（2）進行緩沖和降壓，消除管路中的氣阻

氨在供給管路中需加壓輸送，在啟停階段易因管內(nèi)介質(zhì)沖擊產(chǎn)生局部水錘現(xiàn)象、且管內(nèi)也會有少量蒸氣形成氣阻，造成供給系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定，需要在超壓時進行降壓。

（3）惰化防爆問題

氨具有毒性，常溫常壓下易蒸發(fā)和易燃易爆，需設計對應的惰化系統(tǒng)以配合主機啟停工況進行驅(qū)氣和惰氣置換操作，以保障系統(tǒng)的安全運行。

（4）排放捕捉和收集處理

氨較LNG 毒性大，故其排放控制需要更嚴格和嚴謹，必須進行排放捕捉和收集處理。

3 系統(tǒng)原理模型和解決方案

3.1 原理模型

根據(jù)氨燃料特性和系統(tǒng)設計目標，提出如圖1所示的原理模型。整個燃料供給系統(tǒng)由主機、燃料罐、燃料供應單元、雙截止釋放（double block and bleed,DBB）閥組、供給管、回液管、管路伴熱、減壓閥、氮氣管以及氨捕捉模塊等組成。

圖1 原理模型

其主要特征為：燃料罐為半冷半壓形式，燃料在燃料供應單元內(nèi)進行階梯式增壓增溫后供給主機，富余燃料經(jīng)回液管和燃料供應單元進行再循環(huán)利用或收集至燃料罐。氨捕捉模塊用于整個燃料系統(tǒng)中燃料排放時的收集、捕捉和吸附等處理，并提供濃度報警信號給主機控制系統(tǒng)（engine control system,ECS）。進入機艙區(qū)域后，供給管采用雙壁管設計，管夾層空間進行負壓通風[8]，風機為防爆型，雙壁管上應安裝氨氣濃度檢測儀和流量開關,以實施監(jiān)測泄漏和通風量。通風量≥30 次/h[9]，氣體濃度報警點設置為114 mg/m3。

在供給管和回液管上設置有DBB 控制閥塊，包含供給控制閥組和回液控制閥組，與液化石油氣（liquefied petroleum gas,LPG）供給系統(tǒng)具有相似設計。在需要緊急切斷時，關閉雙截止閥、開啟泄放閥，將管路內(nèi)燃料應急釋放至氨捕捉模塊。

考慮到氨進機溫度要求較高，在寒區(qū)作業(yè)時，供給管上應設置溫度監(jiān)測和伴熱措施，在監(jiān)測到燃料溫度降到25 ℃以下時，予以再次加熱。[10]

該方案相較于LNG 供氣系統(tǒng)，有3 個典型的不同設計：一是增加了回流管；二是用燃料供應單元替代蒸發(fā)單元；三是具有氨捕捉模塊。該方案與LPG 供給系統(tǒng)都為液態(tài)進機噴射（liquefied gas injection,LGI），具有類似的回流管設計，但氨供給壓力要求更高，氨捕捉模塊替代了LPG 直接排放至透氣桅的設計。[11]

3.2 關鍵問題的解決方案

3.2.1 燃料供應單元的功能設計

通過設計燃料供應單元，以實現(xiàn)過濾、加壓、加溫、緩沖、氣阻消除、超壓回流、惰化防爆，以及回流端的冷卻、混合物收集、防汽化、氣液分離等功能。整個燃料供應單元由第一增壓泵106、第二增壓泵107、第一換熱器108、第二換熱器109、緩沖罐104、控制盤110、控制閥V1 至V10、控制閥V13、安全閥V21 至V23、管路201～ 210、氮氣管220～ 221、液位計230～ 231、控制信號線240、溫度傳感器251～ 255、壓力傳感器261～ 267、粗濾器280、精濾器281 等組成，相關信號接入控制盤110 進行控制，并根據(jù)主機控制需要接入ECS。

工作時，第一增壓泵和第二增壓泵將燃料進行階梯增壓，第一換熱器給燃料加溫，第二換熱器可將返回高溫燃料冷卻，返回管路204 上設置有旁通支管206 并在支管上安裝有緩沖罐，罐出口接入燃料管路205，管路205 接入第二增壓泵的入口，返回燃料經(jīng)管路205 進入第二增壓泵可再循環(huán)進入主機。管路和緩沖罐上設計有安全閥V21 至 V23,用于超壓時緊急泄壓至氨捕捉模塊。

燃料供應單元如圖2 所示。

圖2 燃料供應單元

3.2.2 緩沖罐的功能設計

緩沖罐設計為在主機啟動時進行緩沖、減壓和消除氣阻；在停機后進行氣液混合物收集和分離，分離后的液體返回燃料罐，氣體釋放至氨捕捉模塊進行處理。

緩沖罐上設計有可開度控制的閥門V9、閥門V10、安全閥V22 和壓力傳感器265。閥門V9 用于控制罐內(nèi)氣體排出至氨捕捉模塊，具有泄放減壓作用；閥門V10 用于控制氮氣進入緩沖罐104 內(nèi)進行增壓，通過V9 和V10 進行開度控制配合，可調(diào)節(jié)罐內(nèi)壓力。緩沖罐內(nèi)還設有液位計230、液位計231、閥門V13 和排放管路210。液位計231 為低位報警，液位計230 為高位報警，與閥門V13 聯(lián)控將緩沖罐的液位控制在高低位報警中間。

3.2.3 回流匯入設計

為使回液管中燃料重新進入第二增壓泵入口并實現(xiàn)穩(wěn)定運行，整個供給系統(tǒng)壓力和溫度控制區(qū)間設計參見下頁圖3：P1設定區(qū)間0.43～ 1.0 MPa，按氨飽和蒸氣壓將燃料罐最高工作溫度T0設定在區(qū)間0～ 25 ℃；P2設定區(qū)間2.9～ 3.2 MPa；P3設定區(qū)間2.65～ 2.9 MPa，T1設定區(qū)間35～ 45 ℃控 制；P4設定區(qū)間7.0～ 8.5 MPa。

3.2.4 惰氣系統(tǒng)防爆設計

如先前的圖1 所示，供給管上設置了氮氣管。主機啟動前，先用氮氣吹除管路和主機內(nèi)空氣，然后啟動泵將管路和主機內(nèi)氮氣置換成燃料，氮氣和燃料混合物被收集在緩沖罐；主機停止后，再次用氮氣進行主機和管內(nèi)吹除，氮氣和燃料混合物被收集在緩沖罐,氣液混合物在緩沖罐進行分離處理。

3.2.5 氨捕捉模塊的功能設計

氨捕捉模塊功能為捕捉收集供給系統(tǒng)管路上排放和應急釋放的氨燃料[12]，并進一步處理和收集，以實現(xiàn)無害排放（參見圖4）。氨捕捉模塊包括如下部件：釋放罐102、捕捉罐103、收集柜105、吸附器111、控制閥V11 至V12、氮氣管222、液位計232～ 235、控制信號線240 以及氨氣濃度檢測儀270。

工作時，當DBB 閥組、安全閥、緩沖罐和燃料罐等排放的介質(zhì)進入釋放罐102，其中的液氨在釋放罐內(nèi)因降壓而快速汽化，汽化后的氨氣進入捕捉罐103。氨氣濃度檢測儀270 進行監(jiān)測，當檢測到氨氣濃度大于設定濃度（如22.8 mg/m3）時，關聯(lián)啟動管路210 進行水霧噴淋，水霧與氨氣生成水合氨沉降在罐底部。通過2 個液位計（233 和234）關聯(lián)控制閥門V12 啟閉泄放來將液位保持在中間值。氨氣在水中的溶解比為700∶1，為最大利用水噴淋效率，可另安裝循環(huán)泵將捕捉罐內(nèi)液體循環(huán)至管路210 進行再噴淋，在檢測到形成一水合氨飽和液后，才泄放至收集柜。

持續(xù)進行水霧噴淋，直到釋放罐內(nèi)氨氣濃度檢測值低于22.8 mg/m3時，開啟閥門V11，微量剩余氨氣進入吸附器被吸附，最終實現(xiàn)安全無害排放。吸附器可采用無毒硅膠顆粒[13]，在飽和變色后予以置換。

釋放罐102 具有高位液位計232、高高位液位計235，當液氨未汽化時便觸發(fā)報警。此時可提供2 個級別的報警信號，以進行對應操作。氮氣管222 可將釋放罐102和捕捉罐103內(nèi)的氨氣稀釋并惰化吹除。

4 水力計算、仿真和結果分析

4.1 水力計算

為驗證上述燃料回流重新匯入第二增壓泵入口的設計可行性，建立回流匯入模型，3 路分支在節(jié)點O匯合，見下頁圖5。

圖5 回流匯入模型

根據(jù)文獻[6]和水動力學中多分支管路中所遵循的能量守恒和質(zhì)量守恒：

（1）質(zhì)量守恒

各截面節(jié)點的燃料流量相加后結果為0，應遵守式（1）：

按圖3 中管路205 與管路201、管路202 重匯于第二增壓泵入口，3 條管路的質(zhì)量流量（Q201、Q202和Q205）之和等于0，如式（2）所示：

（2）能量守恒

支路上任取2 個截面，其節(jié)點的能量關系應遵守式（3）：

此公式也適用在圖2 里設計的3 路分支匯合，即管路節(jié)點中任意2 處的總能都等于恒數(shù)C，其伯努利方程見式（4）：

式中：P為節(jié)點處壓力，MPa；ρi1、ρi2為兩點處的燃料密度，kg/m3；v為流速，m/s；h為位能高度，m；g為重力加速度，m/s2；hi1-i2為兩點間能量損失。

代入已知參數(shù)，即可運用該方程算出其余未知數(shù)。

4.2 運用CFD進行快速仿真

在Flowmaster 軟件里建立簡化模型，參見圖6，僅對主機運行時燃料回流的穩(wěn)態(tài)進行計算。以零件28 模擬燃料罐，零件12 模擬主機，零件27 為第一增壓泵，零件10 為第二增壓泵，零件20 和零件24 為供給管，零件13 為回路減壓元件，零件22 和零件15為回流管，基于燃料罐初始壓力設定為0.489 4 MPa，仿真結果如圖6 所示。經(jīng)2 級泵加壓，進入主機節(jié)點3 處的壓力為7.996 MPa，燃料回流先經(jīng)減壓（在節(jié)點7 處的壓力為3.513 MPa），后在節(jié)點23（圖5 中節(jié)點O）處重新匯入第二增壓泵入口，壓力為2.663 MPa。仿真結果在圖3 所示的控制區(qū)間內(nèi)。

圖6 仿真結果

進一步分析，以零件13 回路減壓元件作為可變參數(shù)，研究通過參數(shù)變化來影響管網(wǎng)中第一增壓泵出口壓力P2、第二增壓泵進口壓力P3（即節(jié)點O）和第二增壓泵出口壓力P4。零件13 的壓力損失公式如下。

式中：Pj1為節(jié)點9 處的壓力，MPa；Pj2為節(jié)點7處的壓力，MPa；K為損失系數(shù)；ρ為燃料密度，kg/m3；A為橫截面積，m2；m2為質(zhì)量流量，kg/s。

以損失系數(shù)K為邊界參數(shù)，并結合式（1）至式（4），便可求解出ΔP、P2、P3、P4。

通過CFD 計算所得數(shù)據(jù)與結論見表1。

表1 仿真結果

4.3 計算結果分析

從表1 計算結果分析：在損失系數(shù)K為650 時，結果1 為管網(wǎng)計算失敗，說明回流匯入不成立；在損失系數(shù)K為4 000 時，回流匯入成立但結果7 中P3<2.65 MPa,不合格。

提取表1 數(shù)據(jù)，形成關系變化曲線，見圖7。在損失系數(shù)K定義為700～ 3 200 時，回流匯入成立且在圖3 所示的控制區(qū)間內(nèi)，結果合格。

圖7 損失系數(shù)K 與各點壓力關系

5 結語

根據(jù)氨燃料特性，預設一種系統(tǒng)設計原理模型，針對燃料供應單元、緩沖罐、惰氣防爆設計和氨捕捉模塊等幾個關鍵點展開具體設計和功能解析，并通過CFD 仿真驗證了原理模型的可行性和可靠性。

通過在回路設定減壓元件作為可變參數(shù)，分析出損失系數(shù)K與各點壓力關系曲線，計算結果表明：損失系數(shù)K對P2和P3影響較小，對ΔP和P4影響較大。仿真僅對回流壓力的影響進行了分析，實際應用中應結合溫度、流量的變化深入研究，進一步驗證燃料供給系統(tǒng)的設計。

氨燃料作為具有良好前景的零碳解決方案[12]，多家船級社已發(fā)布了相應的應用指南，但基于對其毒性和安全性的考慮，目前IMO 所發(fā)布的《使用氣體或其他易點燃料船國際安全規(guī)則》（international code for ship using gases or other low-flashpoint fuels,IGF）中，尚未將其列入允許的燃料目錄，相關安全研究和法規(guī)的進一步完善才能為氨燃料的大規(guī)模運用釋放前景[14]。

以上僅針對氨燃料供給系統(tǒng)及其氨捕捉模塊展開設計分析，基于氨的全生命周期考慮，綠氨的生產(chǎn)合成、全球供應鏈和加注站的分布、氨主機燃燒工況研究和防逃逸措施、船舶擱淺破裂時的氨滲漏風險及減碳成本分析等環(huán)節(jié)都在不斷試驗論證中，任一環(huán)節(jié)都會對氨燃料在船舶上的應用產(chǎn)生制約，各環(huán)節(jié)的研究都需要不斷深入和修正，以使氨燃料真正符合船舶溫室氣體減排的遠景目標。