船舶新燃料LNG 動(dòng)力系統(tǒng)改裝的設(shè)計(jì)分析

馬超超 鄭 健 鄭志敏

（1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011；2.意大利船級(jí)社（中國(guó)）有限公司 上海 200040）

0 引言

隨著國(guó)際貿(mào)易和航運(yùn)的持續(xù)發(fā)展，以傳統(tǒng)石油產(chǎn)品為燃料的船用內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)生的廢氣排放對(duì)大氣所造成的污染已日益引起國(guó)際社會(huì)關(guān)注。發(fā)展?jié)崈裟茉词钱?dāng)今能源利用的重要趨勢(shì)，液化天然氣（liquefied natural gas,LNG）具有良好的燃燒特性、更低的污染和排放，且儲(chǔ)量巨大，因此兼具良好的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益，成為最重要的過(guò)渡能源。

近幾年有關(guān)新造船LNG 動(dòng)力設(shè)計(jì)方案的研究很多，如超大型雙燃料集裝箱船燃?xì)夤┙o系統(tǒng)應(yīng)用研究[1]、雙燃料大型集裝箱船LNG 加注系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2]等。對(duì)于LNG 動(dòng)力改裝的研究，國(guó)內(nèi)主要以內(nèi)河LNG燃料動(dòng)力船舶改造技術(shù)探討為主。對(duì)于大型集裝箱船改造技術(shù)，趙志華等[3]詳細(xì)介紹了大型集裝箱船LNG 燃料艙及船體結(jié)構(gòu)的改造，但對(duì)于輪機(jī)及供氣系統(tǒng)的改造工程鮮有提及。因此，有必要對(duì)大型船舶的LNG 動(dòng)力系統(tǒng)改裝領(lǐng)域進(jìn)行研究分析。

1 項(xiàng)目背景

本文以某大型集裝箱船具體改裝項(xiàng)目為例，改裝內(nèi)容包括主機(jī)、發(fā)電機(jī)及鍋爐的改造，新建1 個(gè) 6 500 m3的MARK III 型燃料艙，配置高低壓燃?xì)夤庀到y(tǒng)。船舶總圖如圖1 所示。此次改裝項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)有2 點(diǎn)：一是船齡相對(duì)較新，二是船舶已具有LNG 預(yù)留設(shè)計(jì)，故動(dòng)力系統(tǒng)改裝相對(duì)方便。

圖1 某大型集裝箱船總圖

以原機(jī)艙前壁的9 號(hào)貨艙作為燃料艙處所，燃料艙為獨(dú)立環(huán)段式結(jié)構(gòu)，在船廠內(nèi)先行建造，并完成MARK III 型薄膜圍護(hù)系統(tǒng)的施工。主輔機(jī)供應(yīng)商準(zhǔn)備設(shè)備改裝方案及材料，與船東商定航行周期后，將船?？看瑥S碼頭，吊裝燃料艙并完成主輔機(jī)及燃?xì)庀到y(tǒng)的改裝工作；在完成碼頭系泊試驗(yàn)及氣體試航后，該船重新返回航運(yùn)船隊(duì)[3]。

該船改裝具體內(nèi)容如表1 所示。改裝前后主尺度不變，仍為總長(zhǎng)368.52 m、船寬51 m、設(shè)計(jì)吃水14.5 m、結(jié)構(gòu)吃水15.5 m。[3]

表1 改裝清單

透氣系統(tǒng)主要是用于LNG 艙安全閥釋放的管路。在出現(xiàn)火災(zāi)或者艙壓失控的情況下，安全閥的設(shè)置是保護(hù)LNG 艙的最后一道防線，所以至少需設(shè)置2 個(gè)安全閥。對(duì)于雙燃料船舶來(lái)說(shuō)，透氣系統(tǒng)的布置路徑主要是封閉艙室或者開(kāi)敞區(qū)域。如果在封閉的安全區(qū)域內(nèi)，則應(yīng)設(shè)置雙壁管，并且透氣桅的布置應(yīng)考慮危險(xiǎn)區(qū)域的定義，透氣帽應(yīng)考慮有防雨排水等功能。

船舶系統(tǒng)需要根據(jù)危險(xiǎn)區(qū)域的劃分及燃料艙與燃?xì)庀到y(tǒng)的布置進(jìn)行相應(yīng)修改。以艙底水系統(tǒng)為例，對(duì)于危險(xiǎn)區(qū)域的艙底水要特別注意滿足規(guī)范要求，如燃料準(zhǔn)備間的泄放布置需要考慮房間內(nèi)可能存在的危險(xiǎn)氣體。因此，如果管路經(jīng)過(guò)安全區(qū)域，管子不能留有法蘭之類的可拆接口。惰氣（氮?dú)猓┫到y(tǒng)、乙二醇水系統(tǒng)等，則需要根據(jù)燃?xì)庀到y(tǒng)及用戶的需求進(jìn)行計(jì)算確定，比如氮?dú)庀到y(tǒng)的容量估算（見(jiàn)下頁(yè)表2）以及乙二醇水的熱平衡計(jì)算等。下文重點(diǎn)研究用氣設(shè)備和供氣系統(tǒng)的改造。

表2 氮?dú)庀到y(tǒng)的容量估算

2 用氣設(shè)備改造

本研究案例中的15 000標(biāo)準(zhǔn)箱大型集裝箱船，其用氣設(shè)備改造主要通過(guò)對(duì)主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐的改造來(lái)完成。

2.1 主機(jī)的改造

在該改造項(xiàng)目中，將原船上德國(guó)曼恩公司的S90ME-C10.2 燃油主機(jī)改造為S90ME-C10.5-GI 雙燃料主機(jī)。曼恩ME-GI 主機(jī)采用迪賽爾循環(huán)，壓力通常在25～ 33 MPa，最低可至20 MPa，燃?xì)鈮毫Σ▌?dòng)需控制在±0.2 MPa。如果供氣壓力比設(shè)定值低1 MPa，將會(huì)激活燃油補(bǔ)償模式；燃?xì)鈮毫Ρ仍O(shè)定值低5 MPa，將導(dǎo)致主機(jī)切油。

曼恩公司將設(shè)計(jì)和監(jiān)督完成所有發(fā)動(dòng)機(jī)部件的安裝，以便在船廠的支持下進(jìn)行改裝。改裝內(nèi)容包括：缸蓋總成包括保護(hù)罩、活塞環(huán)、活塞頭、存氣墊片、氣缸套、氣缸液壓?jiǎn)卧薷?、燃?xì)饪刂茐K、噴油器改造（帶噴嘴）；燃?xì)鈬姎忾y包含管子、高壓燃油管、高壓液壓控制油管、主機(jī)上的燃?xì)夤?、密封油系統(tǒng)、低壓補(bǔ)油系統(tǒng)，以及各種管道（低壓液壓油、燃油、啟動(dòng)空氣、控制和安全空氣、排水管）和燃?xì)忾y組等。主機(jī)缸頭示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 主機(jī)缸頭示意圖

2.2 發(fā)電機(jī)、鍋爐的改造

該項(xiàng)目中，將韓國(guó)現(xiàn)代公司的9H35 燃油發(fā)電機(jī)改造為9H35DF 雙燃料發(fā)電機(jī)，并且對(duì)阿法拉伐鍋爐的雙燃料功能也進(jìn)行了改造。此外，發(fā)電機(jī)、鍋爐對(duì)燃?xì)獾膲毫蜏囟纫灿邢鄳?yīng)的要求，但與主機(jī)相比，該壓力較小。發(fā)電機(jī)工作壓力通常在0.6～ 0.7 MPa，鍋爐的工作壓力通常在 0.06 MPa 左右，鍋爐兼作氣體燃燒裝置，用于控制燃料艙壓力。當(dāng)船上其他用氣設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，鍋爐能夠處理100%的燃料艙揮發(fā)氣量。

發(fā)電機(jī)和鍋爐的改造內(nèi)容，均是圍繞使用燃?xì)膺M(jìn)行的硬件修改升級(jí)，如增加燃?xì)饪刂颇K、燃?xì)夤苈?、燃?xì)忾y組等。本研究對(duì)象在新船建造時(shí)，發(fā)電機(jī)便是按照雙燃料設(shè)計(jì)。安裝時(shí)，將燃?xì)庀嚓P(guān)的設(shè)備拆下，以單一燃料來(lái)運(yùn)行；改裝后，其功率與發(fā)電量滿足船舶正常航行需求。雙燃料發(fā)電機(jī)的改裝通常意味著功率的下降，需根據(jù)電力負(fù)荷計(jì)算，評(píng)估實(shí)際需求量與改裝后的對(duì)比。主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐對(duì)燃?xì)獾牧髁?、壓力和溫度的要求，參?jiàn)表3。

在滿足用戶需求的前提下，LNG 的組分[4]是蒸發(fā)氣（boil off gas,BOG）壓縮機(jī)選型、燃?xì)庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)選型等方面參考依據(jù)之一。本文根據(jù)用氣設(shè)備的需求，進(jìn)行燃?xì)庀到y(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，對(duì)于不同船型，最大的區(qū)別是主機(jī)，一般XDF 型和ME-GA 型主機(jī)燃?xì)膺M(jìn)口壓力要求11～ 16 kg，ME-GI 型主機(jī)進(jìn)口進(jìn)口壓力要求在250～ 330 kg。對(duì)于該集裝箱船配置來(lái)說(shuō)，主機(jī)改造為ME-GI 型。

3 燃?xì)夤庀到y(tǒng)的加裝

根據(jù)不同的功能模塊進(jìn)行劃分，燃?xì)夤庀到y(tǒng)主要包括以下3 個(gè)部分：加注系統(tǒng)、高壓燃?xì)夤庀到y(tǒng)與低壓燃?xì)夤庀到y(tǒng)。

3.1 加注系統(tǒng)

加注系統(tǒng)可細(xì)分為L(zhǎng)NG 注入、LNG 揮發(fā)氣回收及輔助系統(tǒng)（如干粉滅火、舷側(cè)水幕系統(tǒng)等）共3 個(gè)部分。對(duì)于大型雙燃料集裝箱船來(lái)說(shuō)，加注系統(tǒng)大多相似。但對(duì)于改裝船項(xiàng)目，其位置不僅要考慮LNG 加注的便利性，同時(shí)也需要考慮工程改裝的可行性。

3.1.1 加注管路雙壁管

加注管路布置是從加注站到燃料艙連接的處所。根據(jù)IGF code 的要求，穿過(guò)封閉區(qū)域的燃?xì)夤苈窇?yīng)采取雙壁管形式，常用的有如下3 種形式：通風(fēng)雙壁管、真空雙壁管和注氮正壓雙壁管。雙臂管具體細(xì)節(jié)見(jiàn)表4。

表4 雙壁管形式的特點(diǎn)

注氮正壓雙壁管是在內(nèi)管和外管之間充滿氮?dú)鈿怏w，其工作原理是氮?dú)鈿怏w壓力需高于內(nèi)管的壓力。當(dāng)內(nèi)管發(fā)生泄漏時(shí)，由于環(huán)形區(qū)域的氮?dú)鈿怏w壓力大于內(nèi)管壓力，燃?xì)鉄o(wú)法泄漏至外管內(nèi)。同時(shí)氮?dú)膺M(jìn)入到內(nèi)管，當(dāng)壓力傳感器探測(cè)到外管內(nèi)的氮?dú)鈿怏w壓力短時(shí)間降低至報(bào)警值時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生內(nèi)管泄漏，觸發(fā)應(yīng)急切斷閥且停止加注。

相比真空雙壁管，注氮正壓雙壁管并不需要長(zhǎng)時(shí)間抽真空；而且相比通風(fēng)雙壁管系統(tǒng)，也不需要配置抽風(fēng)機(jī)，因此大大簡(jiǎn)化了雙壁管安裝和調(diào)試工作。但注氮正壓雙壁管相較于真空雙壁管，隔熱性能較差，外表面需包裹預(yù)絕緣，因而增大了管路布置的難度。同時(shí)，外界環(huán)境的溫差也會(huì)導(dǎo)致環(huán)形管路中氮?dú)鈮毫Φ牟▌?dòng)，因此設(shè)置合理的報(bào)警值非常重要。

通過(guò)以上特點(diǎn)的比較，在改造船項(xiàng)目上，不常用的氮?dú)庹龎弘p壁管因其施工周期短，也沒(méi)有額外的輔助工程等優(yōu)勢(shì)，適用于改造項(xiàng)目。

3.1.2 加注站布置

加注站的位置在大型集裝箱船上有不同的方案。不同于新造船，改裝船由于周期性與施工狀態(tài)，會(huì)采取與新造船不同的布置方案，主要有以下3 種：

（1）布置在二甲板位置。該方案需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大更改，對(duì)舷側(cè)外板進(jìn)行大開(kāi)口布置，同時(shí)進(jìn)行局部加強(qiáng)。

（2）布置在機(jī)艙加油站區(qū)域，另搭一層平臺(tái)作為加注站。此方案不需要對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行大修改，但該區(qū)域過(guò)小，加注站進(jìn)行整體單元布置困難。

（3）布置在燃料艙上方區(qū)域。此方案應(yīng)盡量減少低溫管路布置長(zhǎng)度。

綜合多方面考慮，方案3 為加注站布置較優(yōu)方案。為匹配改裝船的特點(diǎn)、最大限度地利用甲板空間，可以將加注站設(shè)計(jì)成整體的單元，所有相關(guān)設(shè)備、附件等都緊湊地布置于此整體單元內(nèi)。其中的管路、閥件等均可以在內(nèi)場(chǎng)完成制造和安裝，整體吊裝至船上。相對(duì)獨(dú)立的模塊安裝，對(duì)于改裝項(xiàng)目有很好的制造周期優(yōu)勢(shì)。

鞍座用于岸上或加注船對(duì)受注船進(jìn)行加注時(shí)，對(duì)加注軟管進(jìn)行支撐和導(dǎo)向。在常規(guī)設(shè)計(jì)中，該軟管鞍座一般由廠家采購(gòu)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且尺寸較大，如圖3 所示。對(duì)于改裝船，因加注站空間有限，如果采用常規(guī)鞍座布置，則安裝非常困難，并且由于占用了加注站很大空間，也影響人員通行和設(shè)備維護(hù)。

圖3 常規(guī)設(shè)計(jì)加注站軟管鞍座（落地布置）

通過(guò)對(duì)改裝船加注站進(jìn)行綜合布置，對(duì)加注站欄桿最上層導(dǎo)管管徑放大并加厚壁厚，將鞍座布置在上方，取消落地放置，同時(shí)自行設(shè)計(jì)鞍座圖紙。自制鞍座結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔且不占用大量空間，方便船員操作。不進(jìn)行操作時(shí)，可旋轉(zhuǎn)90°朝上放置，更有利于鞍座的日常維護(hù)，如圖4 所示。

圖4 簡(jiǎn)易鞍座布置（通過(guò)欄桿固定）

3.2 高壓燃?xì)庀到y(tǒng)

將天然氣燃料壓縮到30 MPa 左右，可以采用氣態(tài)壓縮方式，也可以采用液態(tài)加壓方式。由于液體為不可壓縮流體，更容易使壓力升高到所需的數(shù)值，因此采用液體壓縮是可行的方案之一。

由于液體的不可壓縮性，顯然選擇液態(tài)加壓比氣態(tài)加壓更經(jīng)濟(jì)，能耗相對(duì)較小。此外，同種物質(zhì)的氣體密度比液體密度小很多，單位質(zhì)量的氣體從壓縮機(jī)處所得的靜壓能，要比液體從泵處獲得的靜壓能大很多，而且在同等條件下，用泵加壓比壓縮機(jī)更節(jié)省功耗。液態(tài)加壓泵設(shè)備的體積比氣態(tài)壓縮機(jī)小很多，更有利于設(shè)備在船舶上的布置，因此從設(shè)計(jì)初始就排除了采用高壓壓縮機(jī)的方案。圖5 為高壓燃?xì)夤庀到y(tǒng)總覽圖。

圖5 高壓燃?xì)夤庀到y(tǒng)總覽圖

由于主機(jī)供氣壓力高（30 MPa），為保證連續(xù)穩(wěn)定的供氣，對(duì)主要設(shè)備從以下幾個(gè)方面加以考慮：

（1）LNG 輸送泵

在布置方面，高壓泵所處的燃料準(zhǔn)備間和燃料艙有一定距離，并且當(dāng)船舶在航行中出現(xiàn)搖晃等現(xiàn)象時(shí)，可能導(dǎo)致高壓泵進(jìn)口端壓力不足，從而使高壓泵發(fā)生汽蝕，進(jìn)而影響供氣壓力。因此，為了確保輸送泵能將LNG 穩(wěn)定地輸送至高壓泵進(jìn)口，LNG 輸送泵最大揚(yáng)程應(yīng)保證輸送的LNG 在克服系統(tǒng)壓損后，仍能在輸出端達(dá)到高壓泵要求的壓力。[5]

（2）高壓泵

ME-GI 雙燃料主機(jī)最大燃?xì)夤鈮毫?0 MPa，為維持壓力穩(wěn)定，高壓泵需連續(xù)不斷地運(yùn)行。高壓泵設(shè)計(jì)方案有2 種：一種是采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的高壓泵，另一種是采用液壓油驅(qū)動(dòng)的高壓泵，該船采用的是液壓油驅(qū)動(dòng)的高壓泵。液壓油驅(qū)動(dòng)在技術(shù)上已經(jīng)非常成熟，且成本較低，故廣泛使用于船舶中。該方案輸出的LNG 壓力和流量穩(wěn)定、設(shè)備故障少，但缺乏流量調(diào)節(jié)功能，故需要布置單獨(dú)的回流管路。如果主機(jī)負(fù)荷下降，多余的LNG 則通過(guò)回流管路重新回到大艙。

（3）高壓氣化器

經(jīng)過(guò)高壓壓縮后的LNG 需進(jìn)一步氣化并轉(zhuǎn)化為高壓氣體，然后輸送至主機(jī)使用。高壓氣化器既要保證足夠的 LNG 氣化量供給發(fā)動(dòng)機(jī)，又要確保氣化后的燃?xì)鉁囟瓤蓾M足發(fā)動(dòng)機(jī)的要求，同時(shí)還要考慮換熱器在高壓、低溫狀態(tài)下的可靠性和使用壽命。加熱介質(zhì)采用乙二醇水，優(yōu)點(diǎn)在于其冰點(diǎn)低于-20 ℃，可以有效改善LNG 氣化器的結(jié)冰情況。

對(duì)于改裝項(xiàng)目，單元模塊化布置是首選，可以節(jié)約改造周期；采用MAN-ES 的高壓泵及氣化器合成體，出口溫度可以精確控制在45±5 ℃、出口壓力控制在20～ 33 MPa，較好地滿足了主機(jī)對(duì)供氣的要求。圖6 為高壓泵及氣化器單元主要部件圖。

圖6 高壓泵及氣化器單元主要部件圖

對(duì)燃?xì)獗?、高壓泵、氣化器單元及主燃?xì)忾y組選型、布置和功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，綜合統(tǒng)籌考慮設(shè)計(jì)布置，使系統(tǒng)功能得以保障。

3.3 低壓燃?xì)夤庀到y(tǒng)

低壓燃?xì)夤庀到y(tǒng)主要是提供燃?xì)饨o發(fā)電機(jī)與鍋爐，實(shí)現(xiàn)滿足用戶需求的供氣壓力和溫度。在發(fā)電機(jī)、鍋爐負(fù)荷較低時(shí)，可以單獨(dú)通過(guò)BOG 壓縮機(jī)進(jìn)行供氣；當(dāng)多臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)工作或發(fā)電機(jī)負(fù)荷較高，需通過(guò)LNG 輸送泵進(jìn)行供氣，兩者也可以同時(shí)并聯(lián)進(jìn)行供氣。

3.3.1 壓縮機(jī)供氣模式

相較于LNG 運(yùn)輸船，雙燃料船的BOG 量較少，因此LNG 運(yùn)輸船常用的離心式壓縮不一定適用于雙燃料船，而小排量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且運(yùn)行穩(wěn)定的壓縮機(jī)才是雙燃料船的首選。常用壓縮機(jī)形式有螺桿式、活塞式、離心式和旋轉(zhuǎn)式等，本文將以變頻控制的旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)為例。

旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)屬于容積式壓縮機(jī)的一種，直接帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。葉輪上的葉片外徑逐漸減小，相應(yīng)的氣腔也變小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體的壓縮，如圖7所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)吸氣排氣過(guò)程

BOG 在旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)中的氣體路徑為：氣體進(jìn)入吸氣管道，首先經(jīng)6 μm 過(guò)濾精度的濾器將BOG中雜質(zhì)過(guò)濾；而后經(jīng)由帶有集成止回閥的進(jìn)氣控制器進(jìn)入壓縮腔內(nèi)；在壓縮腔內(nèi)，轉(zhuǎn)子帶動(dòng)葉輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使腔內(nèi)空氣體積減小，對(duì)氣體進(jìn)行壓縮；再經(jīng)出口將氣流運(yùn)送到壓縮機(jī)下一級(jí)或排出。

BOG 在壓縮過(guò)程中，約1%進(jìn)口流量的冷卻油被注入到封閉室中，這部分油-氣混合物經(jīng)壓縮得到靜壓能后，進(jìn)入到冷卻油預(yù)分離器中，這一步驟可以實(shí)現(xiàn)將99%的冷卻油從壓縮氣體中分離[6]。經(jīng)安裝在冷卻油分離器中的氣體脫油元件，冷卻油的含量可以進(jìn)一步降低至0.01～ 0.1 mg/m3。

對(duì)于分離出的冷卻油，首先從分離器進(jìn)入到油冷卻器，然后經(jīng)冷卻器冷卻并通過(guò)過(guò)濾器和噴嘴再次進(jìn)入到壓縮機(jī)中，進(jìn)行下一次冷卻及潤(rùn)滑，以實(shí)現(xiàn)冷卻油的循環(huán)使用，如圖8 所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)式BOG 壓縮機(jī)工作流程

旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，單級(jí)壓縮，無(wú)級(jí)間冷卻器；

（2）無(wú)固定壓縮比，排氣壓力不受進(jìn)口壓力 影響；

（3）近似等溫壓縮，排氣溫度低；

（4）壓縮后的氣體無(wú)脈動(dòng)，軸承無(wú)軸向力，振動(dòng)??；

（5）由于依靠葉片離心力甩出，故與腔室形成氣體密閉壓縮空間，轉(zhuǎn)子不易磨損且對(duì)中要求低并具有自對(duì)中能力，因此操作和維修保養(yǎng)方便、壓縮機(jī)頭具有超長(zhǎng)的使用壽命，維護(hù)費(fèi)用低[7]；

（6）零部件少、機(jī)體體積小、質(zhì)量輕、便于安裝且節(jié)省安裝空間。

其缺點(diǎn)在于：

（1）轉(zhuǎn)子在進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，易出現(xiàn)抱軸和卡缸的情況；

（2）機(jī)殼由于潤(rùn)滑油需從排氣中分離而來(lái)，要具備耐高壓的特性，這便會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)和電機(jī)產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象。

綜合考量上述情況，對(duì)于改裝項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，在選擇上傾向于旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)。

3.3.2 LNG 輸送泵供氣模式

BOG 壓縮機(jī)吸入端的最小進(jìn)氣壓力要求為 0.02 MPa 左右，設(shè)計(jì)排量為398 kg/h。當(dāng)燃料艙艙壓低于0.02 MPa，BOG壓縮機(jī)將無(wú)法自動(dòng)停機(jī)。此外，當(dāng)船上冷箱數(shù)量較多時(shí)，發(fā)電機(jī)要求多臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行，此時(shí)BOG 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)排量將無(wú)法滿足要求，便需要開(kāi)啟LNG 輸送泵進(jìn)行輔助供氣或者單獨(dú)供氣。

當(dāng)采用輔助供氣時(shí)，LNG 輸送泵需與BOG 壓縮機(jī)協(xié)調(diào)工作，避免蒸發(fā)氣的出口壓力偏差過(guò)大。當(dāng)主機(jī)同時(shí)也處于燃?xì)饽Ｊ綘顟B(tài)時(shí)，LNG 輸送泵還需滿足泵氣化單元（pump vaporizer unit,PVU）的供液壓力要求，這對(duì)LNG 輸送泵的運(yùn)行狀態(tài)提出了很高的要求，具體如下：

（1）LNG 輸送泵供氣時(shí)

LNG 輸送泵設(shè)計(jì)排出壓力為0.85 MPa，發(fā)電機(jī)要求的供氣壓力為0.6～ 0.8 MPa，高壓燃?xì)獗眉皻饣鹘M對(duì)供液最低壓力要求為0.45 MPa，對(duì)最高壓力沒(méi)有要求。因此僅當(dāng)LNG 輸送泵工作時(shí)，LNG 泵輸出壓力設(shè)定在0.7 MPa，經(jīng)氣化后可以直接供發(fā)電機(jī)使用。在LNG 輸送泵總管路上設(shè)置有流量計(jì)，當(dāng)輸出流量過(guò)大時(shí)，可以同時(shí)通過(guò)回流閥和LNG 輸送泵變頻器進(jìn)行控制，優(yōu)先通過(guò)變頻器進(jìn)行控制。低壓燃?xì)庀到y(tǒng)如圖9 所示。

（2）BOG 壓縮機(jī)和LNG 輸送泵同時(shí)供氣

當(dāng)BOG 壓縮機(jī)和LNG 輸送泵同時(shí)供氣時(shí)，BOG 壓縮機(jī)的出口壓力與LNG 輸送泵的排出壓力應(yīng)控制在合理范圍，避免壓縮機(jī)出現(xiàn)無(wú)效工作等其他情況。BOG 壓縮機(jī)和燃?xì)獗玫某隹趬毫Γy(tǒng)一通過(guò)燃?xì)饩彌_罐上的壓力設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整。由同一參數(shù)統(tǒng)一控制2 個(gè)出口，可以很好地解決2 臺(tái)設(shè)備出口壓力不一致的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)15 000 標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱動(dòng)力系統(tǒng)改裝設(shè)計(jì)研究，以LNG 燃料艙、主機(jī)、發(fā)電機(jī)及鍋爐、供氣系統(tǒng)、加注系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等為主要研究對(duì)象，依據(jù)實(shí)際船舶的布置，得出對(duì)LNG動(dòng)力系統(tǒng)加裝或改裝是可行的。雖然不同船型設(shè)計(jì)方案略有差別，但主要方案和設(shè)計(jì)思路比較接近。

采用天然氣為燃料可以使NOX排放量減少20%～ 80%、CO2排放量減少20%～ 30%，更易滿足排放要求及新船能效設(shè)計(jì)指數(shù)（energy efficiency design index,EEDI）三階段標(biāo)準(zhǔn)的要求[8]。希望本文的研究，能為船舶新燃料改裝及采用新燃料動(dòng)力系統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)工作提供一些參考借鑒。