淺談甲醇-柴油雙燃料船舶燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉靖宇 王正鈞

摘? ? 要：為減少日益嚴(yán)重的船舶排放污染，甲醇作為一種清潔燃料，已被越來越多的用于船舶燃料。本文主要介紹我司甲醇-柴油雙燃料船舶甲醇燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：甲醇；雙燃料；系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；船舶

中圖分類號(hào)：U664.16 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Discussion on Design of Methanol Diesel Dual Fuel Ship System

LIU Jingyu，? WANG Zhengjun

（ Jianglong Boat Technology Co.， Ltd.，? Zhuhai 519000 ）

Abstract： In order to reduce the increasingly ship emission pollution， methanol， as a kind of clean fuel， has been used more and more as ship fuel. This paper mainly introduces the main points of the design of the methanol fuel system of methanol diesel dual fuel ships for our company.

Key words： methanol; dual fuel; system; design; ship

1? ? ?前言

當(dāng)今船舶排放污染問題日益嚴(yán)重，綠色環(huán)保越來越受到世界各國(guó)的重視，相繼出臺(tái)各種法規(guī)限制船舶的排放。繼《國(guó)際海事組織》IMO發(fā)布船舶“排放控制區(qū)”、“硫排放控制區(qū)”后，我國(guó)也公布了珠三角、長(zhǎng)三角、環(huán)渤海水域船舶“排放控制區(qū)”，并發(fā)布了一系列法規(guī)規(guī)范船舶的排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。

甲醇是清潔能源，其閃點(diǎn)較低、易燃、易爆、有毒，在用作船舶燃料時(shí)需做好十足的安全防護(hù)措施。

本文介紹甲醇燃料加注、儲(chǔ)存、供應(yīng)等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、甲醇泄漏的探測(cè)、通風(fēng)、控制、消防等安全系統(tǒng)，使船舶能穩(wěn)定、安全的營(yíng)運(yùn)。

2? ? ?甲醇燃料的特點(diǎn)

甲醇燃料不含硫和顆粒，甲醇發(fā)動(dòng)機(jī)的硫與顆粒的排放可降低80%～90%[2]，能夠比較容易的達(dá)到或超過現(xiàn)有的排放限值。

我司與玉柴股份聯(lián)合天津大學(xué)，共同研發(fā)了甲醇-柴油雙燃料船舶[3]，應(yīng)用雙燃料壓燃式工作模式，95%的甲醇燃料做主燃料，5%的柴油做引燃劑，兩種燃料的混合物經(jīng)壓燃發(fā)火做功，使甲醇替代率可達(dá)50％，甲醇對(duì)柴油的替換率（應(yīng)用甲醇后替換下的柴油折合量）＜2.0（替換下的單位柴油等熱值的甲醇量）。甲醇燃燒時(shí)，可以大幅度減少炭煙生成，改善了排放的品質(zhì)。

本船應(yīng)用柴油甲醇組合燃燒技術(shù)（DMCC），即起動(dòng)用柴油，等充分暖車后采用柴油—甲醇二元燃料燃燒的方法，避免了甲醇不易著火的特性，又使二元燃料燃燒的特點(diǎn)得到充分發(fā)揮。

我國(guó)是個(gè)貧油、少氣、富煤的國(guó)家，甲醇作為煤化工的衍生產(chǎn)品非常豐富，采用甲醇燃料替代柴油、重油燃料，具有重要的意義。

3? ? 甲醇燃料系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? 甲醇燃料箱

本船采用耐腐蝕的奧氏體不銹鋼[4]材料制成甲醇燃料箱儲(chǔ)存甲醇燃料。甲醇燃料箱位于主甲板艉部的開敞甲板上，用固定支架做支撐，周圍設(shè)置圍板，防止甲醇燃料箱因意外碰撞而造成損壞；箱體下方設(shè)有集液盤，能收集可能泄漏的燃料；集液盤下方設(shè)有止回閥和管路，直接泄放至污燃料油柜，如圖1所示。

甲醇燃料箱設(shè)有壓力/真空閥（PV閥），當(dāng)箱內(nèi)壓力增加達(dá)到壓力/真空閥壓力端開啟壓力，則壓力閥開啟，氣體以不小于30 m/s的速度垂直向上排出；當(dāng)壓力降低，不足支撐氣體以30 m/s的速度排出時(shí)，則自動(dòng)關(guān)閉，防止火星進(jìn)入燃料箱。

當(dāng)燃料箱內(nèi)壓力降低達(dá)到真空閥開啟壓力，則真空閥開啟，吸入空氣，以平衡艙內(nèi)的壓力。壓力/真空閥真空端設(shè)有不銹鋼防火網(wǎng)，也可防止火星進(jìn)入燃料箱。

3.2? 甲醇燃料注入系統(tǒng)

本船燃料箱位于主甲板開敞位置，在燃油箱旁邊設(shè)有燃料加注站，加注站距離上建生活區(qū)的距離大于5 m，以保證加注甲醇燃料泄漏時(shí)不會(huì)對(duì)居住環(huán)境造成影響；加注管路和閥件采用316 L不銹鋼。

甲醇燃料注入采用標(biāo)準(zhǔn)注入接頭，接頭后設(shè)有一個(gè)手動(dòng)截止閥和一個(gè)氣動(dòng)遙控截止閥，以確保在緊急情況下可就地關(guān)閉，也可遙控關(guān)閉；同時(shí)，在燃料箱上設(shè)有高位報(bào)警和高高位報(bào)警，設(shè)置兩道報(bào)警系統(tǒng)，以確保當(dāng)其中一個(gè)故障時(shí)，不會(huì)造成燃料加注時(shí)溢出危險(xiǎn)的發(fā)生。

燃料加注管路上還設(shè)有惰化和掃線專用的快速接頭和止回閥，在加注燃料之前對(duì)加注管路進(jìn)行充氮惰化，以排出管內(nèi)可能存在的氧氣；在燃料加注完成后，再次對(duì)燃料加注管路進(jìn)行充氮，以將管內(nèi)殘存的燃料吹掃入燃料箱內(nèi)。

燃料加注管路上設(shè)置常閉截止止回閥，在充氮掃線結(jié)束后打開此閥，讓可能存在于加注管路內(nèi)的殘存燃料泄放至污燃料油柜，然后拆卸燃料加注接頭完成加注。

甲醇燃料注入系統(tǒng)圖，如圖2所示。

3.3? ?甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)

甲醇燃料管在進(jìn)入機(jī)艙之前，使用耐腐蝕的不銹鋼316 L管做輸送管路，輸送管路除有閥件和附件的地方使用法蘭連接外，其他地方均采用全焊接結(jié)構(gòu)，以防止管路的泄漏。

燃料從主甲板燃料箱重力輸送至底部燃料準(zhǔn)備間[5]（泵閥間），甲醇燃料輸送管系上的甲醇泵、甲醇濾器、閥件等帶有接頭容易造成泄露的閥附件，均設(shè)置于燃料準(zhǔn)備間中，接頭下方設(shè)置集油盤，并設(shè)置止回閥和泄放管系自動(dòng)泄放至污燃料油柜。

從燃料準(zhǔn)備間至機(jī)艙主機(jī)之間的管路采用雙壁管，雙壁管內(nèi)外均采用316 L不銹鋼，外管和內(nèi)管焊接為一體，中間形成氣密空間，在外管前后兩端設(shè)置惰化接頭，初次使用之前，使用氮?dú)舛杌到y(tǒng)對(duì)雙壁管中間進(jìn)行驅(qū)氣惰化，以降低氧氣含量；在雙壁管外管上設(shè)置壓力表和壓力傳感器，以保證雙壁管中間惰性氣體的壓力大于燃料管路設(shè)計(jì)壓力，當(dāng)惰性氣體的壓力低于內(nèi)管設(shè)計(jì)壓力時(shí)發(fā)出警報(bào)，以便檢查管路是否有泄漏，并及時(shí)補(bǔ)充氮?dú)?；外管上設(shè)有泄放管路和截止止回閥，能將可能產(chǎn)生的泄漏自動(dòng)泄放至污燃料油柜。

每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料供應(yīng)管路上，設(shè)有1 個(gè)氣動(dòng)遙控截止閥和1 個(gè)手動(dòng)截止閥，確保在發(fā)動(dòng)機(jī)維修期間能進(jìn)行安全有效的隔離；另外，在整個(gè)燃料供應(yīng)管路上設(shè)置惰化接頭，在初次使用之前使用氮?dú)鈱?duì)所有的管系進(jìn)行惰化。

甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)圖，如圖3所示。

3.4? ?甲醇燃料惰化系統(tǒng)

本船設(shè)有2套氮?dú)馄?、減壓閥和管路等，為全船提供惰化所需的壓縮氮?dú)狻?/p>

2套惰化系統(tǒng)：一套為手動(dòng)惰化系統(tǒng)，即每次加注、掃艙或管路惰化時(shí)，采用連接氮?dú)馄康能浌芙又寥剂舷浠蚬苈返亩杌焖俳宇^，向管路或箱體手動(dòng)充氮；另一套為自動(dòng)惰化系統(tǒng)，使用于燃料箱，燃料箱設(shè)有氧氣濃度傳感器，當(dāng)氧氣濃度達(dá)到設(shè)定濃度時(shí)打開連接氮?dú)馄恐寥剂舷涔苈飞系碾姶砰y，自動(dòng)向燃料箱內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)?，以降低箱?nèi)的氧氣濃度；當(dāng)氧氣含量達(dá)到設(shè)定的低濃度時(shí)，關(guān)閉電磁閥停止供氮，以保證燃料箱的惰化效果。

甲醇燃料惰化系統(tǒng)圖，如圖4所示。

3.5? ?氣動(dòng)遙控站

本船在主甲板上建艙壁旁設(shè)有1套氣動(dòng)速閉閥控制箱，箱體上設(shè)有壓縮空氣瓶和多個(gè)接口，可將壓縮空氣接至各個(gè)需要遙控操作的氣動(dòng)速閉閥上，以實(shí)現(xiàn)緊急情況下的遙控關(guān)閉。

3.6? ?淋浴和洗眼站

上建后艙壁布置有供緊急情況下使用的淋浴和洗眼站，淋浴和洗眼站在所有情況下都可以操作和使用，以降低任何誤操作和泄漏對(duì)船員人生安全的影響。

3.7? ?防火防爆及消防安全

燃料準(zhǔn)備間作為防火防爆處所，燃料準(zhǔn)備間和機(jī)艙采用A-60級(jí)防火分隔，面向甲醇燃料箱的上建界限面采用A-60級(jí)防火分隔。

本船消防區(qū)域分為三類：

（1）水消防

主甲板所有區(qū)域使用常規(guī)水消防，機(jī)艙設(shè)有一臺(tái)消防水泵，可供全船所有消防水所需；全船設(shè)有3只水柱、水霧兩用型消防水槍，可噴射消防水到全船甲板所有失火區(qū)域。

（2）水噴淋消防系統(tǒng)

上建及上建到甲醇燃料箱之間的有人區(qū)域，額外設(shè)置一套水噴淋消防系統(tǒng)，當(dāng)甲醇泄露有毒氣體擴(kuò)散時(shí)，可開啟本區(qū)域的水噴淋消防系統(tǒng)，噴射的水霧可使甲醇?xì)怏w溶于其中，保證不被人體呼吸吸入。

（3）抗醇泡沫滅火系統(tǒng)

由于常規(guī)泡沫滅火和高壓CO2滅火系統(tǒng)在甲醇做燃料的環(huán)境下已無法適用，本船特設(shè)置抗醇泡沫滅火系統(tǒng)，可在此環(huán)境下及時(shí)撲滅機(jī)艙或燃料準(zhǔn)備間的火災(zāi)。

本船設(shè)置抗醇泡沫罐[6]和泡沫泵間一個(gè)，并設(shè)置相應(yīng)管路通向機(jī)艙和燃料準(zhǔn)備間，在艙內(nèi)設(shè)置泡沫噴頭，當(dāng)機(jī)艙或燃料準(zhǔn)備間失火時(shí)，起動(dòng)泡沫泵抽泡沫罐內(nèi)的泡沫與水混合后撲滅火災(zāi)并吸收可能泄漏的甲醇。

抗醇泡沫滅火系統(tǒng)圖，如圖5所示。

3.8? ?通風(fēng)透氣

機(jī)艙設(shè)有兩臺(tái)大流量軸流風(fēng)機(jī)，為機(jī)艙中推進(jìn)主機(jī)和發(fā)電柴油機(jī)提供燃燒所需空氣，以及排出機(jī)艙多余熱量和可能會(huì)出現(xiàn)的甲醇燃料氣體。

料準(zhǔn)備間與周圍艙室的限界面設(shè)計(jì)成氣密和水密，以防止準(zhǔn)備間內(nèi)氣體進(jìn)入相鄰艙室；燃料準(zhǔn)備間內(nèi)設(shè)有2臺(tái)由主配電板直接獨(dú)立供電的防爆型軸流抽風(fēng)風(fēng)機(jī)（一用一備），每小時(shí)的換氣量大于30次，能完全排出燃料準(zhǔn)備間中甲醇供應(yīng)管路上設(shè)置的閥件、附件等溢出的甲醇?xì)怏w；房間內(nèi)安裝有甲醇?xì)怏w濃度探測(cè)器，用以探測(cè)可能泄漏的燃料。

3.9? ?檢測(cè)報(bào)警與自動(dòng)控制系統(tǒng)

本船設(shè)有一套新型甲醇?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)[7]。通過該氣體檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，可檢測(cè)甲醇儲(chǔ)存和輸送管路的安全情況，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送至控制站、岸基和移動(dòng)電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)檢測(cè)到隔離空艙內(nèi)甲醇濃度超標(biāo)、雙壁管內(nèi)甲醇濃度超標(biāo)、甲醇液體泄漏等危險(xiǎn)情況時(shí)，可自動(dòng)切斷甲醇燃料供應(yīng)；另外，設(shè)有自動(dòng)惰化系統(tǒng)，可根據(jù)艙內(nèi)氧氣濃度，自動(dòng)對(duì)甲醇燃油艙進(jìn)行惰化。

甲醇?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，由駕駛室監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)、信號(hào)收集系統(tǒng)、若干個(gè)監(jiān)測(cè)報(bào)警單元及無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)組成，駕駛室監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)與機(jī)艙信息收集系統(tǒng)電信號(hào)連接，監(jiān)測(cè)報(bào)警信號(hào)網(wǎng)采用高速冗余環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分布于各個(gè)甲醇燃料儲(chǔ)藏及使用場(chǎng)所，若干個(gè)所述監(jiān)測(cè)報(bào)警單元均通過所述控制信號(hào)網(wǎng)與所述機(jī)艙信息收集系統(tǒng)電信號(hào)連接，可通過4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)采用最新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將各個(gè)監(jiān)測(cè)報(bào)警單元的內(nèi)容傳控制站、岸基和移動(dòng)電子設(shè)備，使甲醇作為船舶燃料的使用上，更加安全。

4? ? 總結(jié)

以上各系統(tǒng)，可以保證甲從注入到使用過程的安全、甲醇艙內(nèi)壓力的平衡、氧氣濃度的含量控制，防止可燃有毒甲醇的聚集，還能在發(fā)生泄漏和火災(zāi)時(shí)進(jìn)行有效的控制，保證甲醇作為船舶燃料在整個(gè)使用過程中的安全可靠。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足中國(guó)船級(jí)社CCS《船舶應(yīng)用甲醇乙醇燃料指南》2022的要求。

參考文獻(xiàn)

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