甲醇加注系統(tǒng)及其惰化監(jiān)測設計

江練金，孫 瑞，吳 海，顏小明

（1.招商局海洋裝備研究院，廣東 深圳 518067；2.招商局重工（深圳）有限公司，廣東 深圳 518054；3.西安交通大學管理學院，陜西 西安 710049）

隨著航運界落實全球“碳達峰、碳中和”對COx減排的階段性戰(zhàn)略需要，LNG、氨、氫、生物柴油和甲醇成為熱門的可替代燃料，而甲醇因為其常溫常壓下呈現(xiàn)液態(tài)的優(yōu)點，近期成為大型船舶主機動力燃料的主要選擇[1]。如2022 年10 月，航運巨頭穆勒馬士基集團在韓國現(xiàn)代重工下單建造6 艘采用甲醇雙燃料動力的17 000 TEU 集裝箱船，并由此引領新造船舶采用甲醇燃料作為動力成為一個熱點。

對傳統(tǒng)燃料驅動的現(xiàn)有船舶進行甲醇燃料動力改造也成為一個熱點方向，但不管是新造還是改裝，船舶甲醇燃料動力系統(tǒng)的設計必須解決燃料加注、存儲、調(diào)溫加壓供給、燃料過濾準備、控制閥組通斷、惰化吹除、泄漏監(jiān)測等關鍵性技術，據(jù)此針對整套動力系統(tǒng)的重要部分，即甲醇加注系統(tǒng)及其惰化監(jiān)測設計展開分析。

1 常見甲醇動力系統(tǒng)設計及其加注站布置

基于甲醇燃料的整套動力系統(tǒng)的設計，與LNG/LPG 動力系統(tǒng)有許多相似之處，如燃料準備間和雙壁管都是類似設計[2-3]，但與LPG動力系統(tǒng)具有更多的相似點。以德國曼恩柴油機公司（MAN）的6G60 機型為例，這2 種燃料都要求以液態(tài)噴射進缸，只是壓力有所不同，甲醇壓力為1.0 MPa，LPG 壓力為5.3 MPa，但甲醇常溫常壓下保持液態(tài)，LPG 需加壓才能保持液態(tài)[4]，所以甲醇動力系統(tǒng)設計又與LPG 動力系統(tǒng)具有頗多不同之處。常見甲醇動力系統(tǒng)設計及其加注站布置的原理模型如圖1所示，一般設置有燃料存儲艙和日用柜，存儲艙的艙容需要滿足該船航線需求的燃料消耗量，而日用柜的艙容則需要滿足主機至少8 h 的燃料消耗量。燃料存儲艙內(nèi)安裝有深井泵，在日用柜內(nèi)液位計低位報警時，將燃料從存儲艙加注給日用柜，而日用柜的燃料經(jīng)過燃料供給單元調(diào)溫加壓后經(jīng)控制閥組輸送給主機燃燒做功。在存儲艙內(nèi)液位計低位報警時，船舶需要靠岸或經(jīng)專用加注船進行燃料加注，在船舶的左右舷各設置一個加注站，以方便在任一側可進行燃料加注，加注站配置有液相管、氣相管和氮氣吹除管。加注作業(yè)時，燃料經(jīng)液相管注入存儲艙，艙內(nèi)氣體經(jīng)氣相管返回進行收集。

圖1 常見甲醇動力系統(tǒng)設計及其加注站布置的原理模型

現(xiàn)在進行常見甲醇動力系統(tǒng)設計時，一般將燃料日用柜設計為獨立箱柜，放置在主甲板上，這種設計一般有如下問題：①日用柜為獨立艙柜，其和燃料準備間都布置在主甲板上，需要占用較大空間；②管路系統(tǒng)惰化后僅進行單次檢測，沒有進行持續(xù)監(jiān)測，無法檢測到因后續(xù)泄漏帶來的安全隱患；③每次燃料艙和日用柜進行加注或駁出作業(yè)時，需要進行氣體填充和超壓釋放至大氣，浪費氮氣。

2 新甲醇動力系統(tǒng)設計及其加注站布置

2.1 新設計原理模型

針對常見甲醇動力系統(tǒng)設計及其加注站布置的問題所在，進行設計改進，特別是對其加注功能進行升級。新設計原理模型示意圖如圖2 所示。新設計原理模型包含如下部件：船舶（100），船舷（101），燃料艙1（102），燃料艙2（103），隔離空艙（104），壓載艙（105），日用柜（106），燃料泵1（201），燃料泵2（202），日用泵（203），PV 閥（204-206），控制閥（207-223），流量控制閥（224），單向閥（230-234），三通閥（225-226），蒸發(fā)氣管（251），燃料加注管（252），管線（253-263），燃料供給單元（290），氮氣管（270），干燥空氣管（271），供給主機管（272），透氣桅（273），左舷加注站（281），右舷加注站（282），氣體探測儀（300），燃料準備間（400）。新設計原理模型與圖1進行對比，改進的布置特征為：由船舷至船中依次為壓載艙、隔離空艙、燃料艙、燃料準備間和日用柜，各艙柜和房間的頂部保持平齊即為主甲板；燃料艙1 與燃料艙2 合成一個U 型包圍住燃料準備間和日用柜，而隔離空艙又呈現(xiàn)U型包圍住2 個燃料艙，最后船舷和船底的壓載艙合成更大的U 型對隔離空艙進行包圍。在船舶主甲板上的左右舷各布置有一個加注站，其功能為對燃料艙1、燃料艙2和日用柜進行甲醇燃料加注或駁出作業(yè)[5]。

圖2 新設計原理模型示意圖

2.2 新設計的特點和功能

1）U 型包圍結構和頂平式設計。通過將壓載艙、隔離空艙、燃料艙、日用柜和燃料準備間的結構設計成U型包圍方式和頂平式布置，具有的泄漏防護方式為：在日用柜發(fā)生破損導致燃料泄漏時，泄放至燃料艙1或燃料艙2；在燃料艙1或燃料艙2發(fā)生泄漏時泄放至隔離空艙；在隔離空艙發(fā)生泄漏時泄放至壓載艙。其特點和功能為：U 型包圍結構構成多重燃料泄漏保護，將泄漏控制在指定區(qū)域，避免燃料對船舶其它安全區(qū)域形成威脅。

2）加注站設計。左舷加注站包括蒸發(fā)氣管、燃料加注管、氮氣管、閥門（230、231、207、208）、濾器等部件。右舷加注站包括蒸發(fā)氣管、燃料加注管、氮氣管、閥門（233、234、220、221）、濾器等部件?？筛鶕?jù)靠岸需要選擇左舷或右舷進行加注燃料作業(yè)，如選擇左舷進行加注時，其工作流程為：外部加注設施的燃料管和蒸發(fā)氣回收管分別連接濾器所在燃料加注管上的端部接口和蒸發(fā)氣管端部接口，燃料通過燃料加注管進入燃料艙和日用柜，需打開閥門（210、214、219），保持對應管路流通。燃料進入艙柜內(nèi)時，其內(nèi)部氣體從頂部排出，需打開閥門（211、216、222），保持對應管路流通，氣體排出后經(jīng)蒸發(fā)氣管駁出至外部加注設施的接收裝置。閥門（233、234、230、231）為單向閥，防止燃料或氣體倒流進入氮氣系統(tǒng)。

3）惰化吹除方式和監(jiān)測設計。燃料艙和日用柜以及管路（251、252）上都安裝有氮氣管，惰氣經(jīng)氮氣管對燃料艙和日用柜以及管路（251、252）內(nèi)部進行吹除和置換，以保持其內(nèi)部惰化至含氧量降至小于2%和可燃氣小于20%LEL，避免自然空氣與燃料蒸發(fā)氣形成爆炸混合氣[6]。

4）PV 閥設計。燃料艙和日用柜上分別安裝有PV 閥（204-206），3 個PV 閥 接 至 共 同 管 路（253），并由管路（253）接至設置在高處的透氣桅，出于安全考慮，透氣桅安裝于煙囪旁的平臺上，參考圖2（b），其危險區(qū)域虛線范圍與煙囪排氣區(qū)域不重合。PV 閥為壓力真空閥，在艙內(nèi)絕對壓力低于某一設定值時打開吸氣，在艙內(nèi)絕對壓力高于某一設定值時打開放氣。譬如，在進行加注作業(yè)時，如外部加注設施沒有安裝排氣接收裝置，則艙內(nèi)頂部氣體在超壓時觸發(fā)PV閥開啟排出，并經(jīng)管路（253）和透氣桅排出[7]。PV 閥設定工作區(qū)間一般為0.093～0.120 MPa。

該設計可實現(xiàn)燃料在艙柜間內(nèi)部駁運時不啟用PV 閥，參考圖2（a）。日用泵將日用柜內(nèi)燃料通過管路（272）輸送給燃料供應單元，然后再輸送給機艙內(nèi)的主機使用，在日用柜內(nèi)液位開關監(jiān)測到液位低位報警時，燃料泵（201）啟動將燃料通過管路（254、252）輸送給日用柜，此步驟保持閥門（209、214）開啟，閥門（217）關閉；也可由燃料泵（202）啟動將燃料通過管路（255、252） 輸送給日用柜，此步驟保持閥門（218、214）開啟，閥門（217）關閉；輸送過程中同步控制三通閥（225）和/或三通閥（226）進行艙柜間頂部氣體通斷，避免PV閥啟閉。

5）艙底連通設計和自然通斷功能。燃料艙1內(nèi)安裝有燃料泵1，燃料艙2 內(nèi)安裝有燃料泵2，日用柜內(nèi)安裝有日用泵，管線（257）保持水平，貫通2 個燃料艙和日用柜，并位于艙柜內(nèi)頂部[8]，管線（257） 上靠近燃料艙1 處設置有三通閥（225），管線（257）上靠近燃料艙2 處設置有三通閥（226），三通閥（225、226）為Y型，可以進行任意兩端口通斷操作。燃料艙1 和燃料艙2 底部設置有用于通斷的閥（212）及其管線，日用柜底部設置有閥（223）及其管路，用于日用柜向燃料艙1 進行泄放。當泵（201）向日用柜駁運燃料時，打開三通閥（225）保持艙柜頂部氣體流通；當泵（202）向日用柜駁運燃料時，打開三通閥（226）保持艙柜頂部氣體流通，燃料艙和日用柜內(nèi)燃料液體體積和頂部氣體體積分別保持不變，由此，PV閥（204-206）不會觸發(fā)吸氣和放氣。

此設計具有重力自然通斷功能，參考圖2（a）。當開啟閥門（212 或223）進行2 個燃料艙和日用柜中的艙—艙或艙—柜間下部流體通過重力自然通斷時，控制閥門（225、226）保持對應艙—艙或艙—柜間頂部氣體互相流通，由此，無需啟動燃料泵和觸發(fā)PV閥。

6）泄漏監(jiān)測設計。PV 閥出口公共管線（253）反向連接透氣桅的一端，安裝有干燥空氣管（271），流量控制閥（224），單向閥（232），在PV閥（206）和透氣桅之間安裝有氣體探測器（300），管路（253）在3 個PV 閥出口段保持水平安裝，避免凹型積水形成氣阻，氣體探測器（300）靠近PV閥（206）安裝。其監(jiān)測流程為：干燥空氣經(jīng)流量控制閥（224）調(diào)節(jié)后，以微速從公共管（253）吹向透氣桅，以便在3 個PV 閥任一發(fā)生泄漏或釋放時盡快探測到。流量控制閥（224）調(diào)節(jié)后輸出的干燥空氣風速設定區(qū)間以0.5～3.0 m/s為宜。

3 惰化和泄漏監(jiān)測方法

甲醇加注、惰化和泄漏監(jiān)測分以下5個步驟實施。

1）氮氣由氮氣管分別進入燃料艙1、燃料艙2、日用柜以及蒸發(fā)氣管進行惰化，被置換的自然空氣經(jīng)蒸發(fā)氣管的左舷或右舷的加注站端口排出；氮氣由氮氣管從左舷或右舷的加注站端口進入燃料加注管路進行惰化，被置換的自然空氣經(jīng)另一船舷加注站端口排出。惰化后由便攜式檢測儀測得氧氣含量低于2%。

2）燃料由左舷或右舷加注站的燃料加注管路注入燃料艙1 或燃料艙2 或日用柜，在艙柜達到指定液位時停止加注[9]，同時艙柜內(nèi)氮氣由蒸發(fā)氣管舷旁接口排出至第三方接收裝置，或經(jīng)透氣桅排向大氣。

3）加注停止后，先通過氮氣管對管路（251、252）進行吹掃，將管路內(nèi)燃料殘液吹送至任一燃料艙或日用柜，然后關閉閥門（210、211、219、214、215、216、218、219、222） 后 進 行 管 路（251、252）內(nèi)部惰化置換，惰化后由便攜式檢測儀測得氧氣含量低于2% 和可燃氣濃度小于20%LEL，然后保持閥門（217、207、208、220、221）關閉。

4）氮氣經(jīng)干燥空氣管進入，對管路（253）進行惰化吹除并排放至透氣桅，當檢測可燃氣含量低于20%LEL 后停止。然后氣源由氮氣切換為干燥空氣，調(diào)節(jié)閥門（224）指定流量風速，持續(xù)對管路（253）保持微量通風，并經(jīng)透氣桅排出。

5）氣體檢測儀（300）持續(xù)對管路（253）內(nèi)微量流通的空氣進行監(jiān)測，在檢測到可燃氣體濃度高于20%LEL時進行報警，信號給控制系統(tǒng)。

4 設計的優(yōu)點和改進的特征

通過上述新型原理模型設計和加注、惰化、監(jiān)測方法等關鍵問題的分析，對比常規(guī)設計，新設計具有如下優(yōu)點和改進特征。

1）在加注管路和甲醇燃料艙之間設置隔離控制閥，加注作業(yè)時開啟，非作業(yè)時關閉。

2） PV 閥出口管路上設置甲醇氣體探測儀，加注后先進行管路惰氣吹除，直到可燃氣含量低于20%LEL，再以微量干燥空氣保持管路內(nèi)持續(xù)通風，當可燃氣高于20%LEL時進行報警。

3）燃料艙、日用柜和燃料準備間都布置于主甲板下，該布置可保持盡量少占用主甲板空間，方便主甲板上進行更多貨物的裝載。

4）燃料艙和日用柜進行加注或相互駁運作業(yè)時，可由艙頂三通閥進行氣體流通，避免PV 閥開啟泄放而浪費氮氣，也可開啟艙底連通閥進行燃料液體自然重力流通替代泵進行駁運。

5）船舶艙室結構采用與主甲板頂平設計，且采用U型包圍方式，形成多重燃料泄漏保護，提高了船舶安全性。

5 結束語

1）經(jīng)上述分析可知，將壓載艙、隔離空艙、燃料艙和日用柜采用U型層層包圍結構并保持頂平設計，節(jié)省了主甲板空間，并有利于將PV 閥出口的公共管路設計成水平安裝，從而便于進行惰化和泄漏監(jiān)測。該新設計具有可操作性和便利性，特別適合大型集裝箱船等對主甲板上空間安排極其嚴苛的船型，同時也適用于VLCC、VLOC 和散貨船等船型。該改進方案有利于船東進行以上船型的新造船或改裝時，在燃料日用柜和燃料準備間的布置地點上進行綜合分析，以做出較經(jīng)濟適用的選擇。

2）甲醇作為一種可常溫常壓液態(tài)存儲的新型燃料，與傳統(tǒng)柴油燃料有諸多相似之處，在現(xiàn)有營運船舶上進行甲醇動力雙燃料改裝是較為經(jīng)濟可行的方式，由此被航運界寄予厚望。但甲醇由于腐蝕性、易燃性、對人體有毒性，所以其諸多相關技術和規(guī)范要求還需在實際應用中進一步完善[10]，特別是加注系統(tǒng)和惰化監(jiān)測的設計作為關鍵技術環(huán)節(jié)也需要不斷進行優(yōu)化，以增強其使用的實用性和安全性。