9 200 TEU集裝箱船雙燃料供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和熱負(fù)荷計(jì)算

聶 晶

（中集船舶海洋工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 201206）

0 引言

由于我國(guó)液化天然氣產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，雙燃料系統(tǒng)在集裝箱運(yùn)輸船上的需求逐步顯現(xiàn)，尤其在大型集裝箱船上使用LNG作為遠(yuǎn)途航行的燃料更為經(jīng)濟(jì)環(huán)保，并且完全可以滿足國(guó)際排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。所以越來(lái)越多的船東選擇 LNG雙燃料系統(tǒng)作為大型船舶的動(dòng)力系統(tǒng)，代表了未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，具有一定的研究意義。

LNG燃料船的續(xù)航能力較弱，還達(dá)不到遠(yuǎn)洋長(zhǎng)途運(yùn)輸要求。大型船舶上的LNG儲(chǔ)存系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)復(fù)雜，布局難，安裝圓筒形LNG儲(chǔ)罐也會(huì)損失部分運(yùn)輸空間，這為船舶的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大難度[2]。對(duì)于大型集裝箱船而言，在燃料系統(tǒng)的選擇方案上，采用 LNG和燃油的雙燃料系統(tǒng)有助于提高船舶運(yùn)行的安全性和可靠性。

本文以9 200 TEU集裝箱船為研究目標(biāo)，針對(duì)9 200 TEU集裝箱運(yùn)輸船的LNG雙燃料供氣系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算分析。首先，提出雙燃料供氣系統(tǒng)的原理圖，并對(duì)流程進(jìn)行簡(jiǎn)要分析說明。其次，對(duì)提出的雙燃料供氣系統(tǒng)中的加熱單元進(jìn)行熱力計(jì)算，包括低壓和高壓供氣系統(tǒng)中汽化器和換熱器的熱負(fù)荷計(jì)算。同時(shí)，通過對(duì)換熱單元的熱負(fù)荷計(jì)算可以得到高低壓供氣系統(tǒng)中乙二醇水溶液回路的流量和熱源缸套水的總流量。

通過對(duì)雙燃料供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和熱力計(jì)算，可以充分掌握系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，從而更好地對(duì)供氣系統(tǒng)進(jìn)行分析、選型、控制等一系列研究。

針對(duì)以上研究?jī)?nèi)容，本文將運(yùn)用以下方法進(jìn)行研究論證：

1）設(shè)計(jì) LNG雙燃料供氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局，根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)該系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析說明。

2）根據(jù)系統(tǒng)的原理對(duì)設(shè)備運(yùn)行的初始參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)定，然后結(jié)合廠家提供主機(jī)、發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)，確定整個(gè)系統(tǒng)的供氣量。

3）根據(jù)設(shè)定的初始條件和高低壓供氣系統(tǒng)的供氣量，對(duì)系統(tǒng)中的換熱單元包括汽化器和換熱器建立數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合物性軟件REFPROP得到換熱設(shè)備進(jìn)出口的焓值，再進(jìn)一步計(jì)算得到換熱設(shè)備的熱負(fù)荷和流量等參數(shù)配置。

1 船型概況

本船為9 200 TEU雙燃料集裝箱船，它是全格柵型集裝箱船，配有低速雙燃料主機(jī)和螺旋槳，采用球鼻艏和方艉。該集裝箱船設(shè)有1層連續(xù)甲板，艏部設(shè)有艏樓甲板，機(jī)艙上方是上層建筑和駕駛橋樓。船上設(shè)有7個(gè)貨艙，均為雙殼雙底和雙層邊結(jié)構(gòu)，雙層底內(nèi)設(shè)有管弄；LNG燃料罐布置在船體內(nèi)部機(jī)艙前部位置，容量為3 500 m3。舷側(cè)雙殼和雙層底內(nèi)為壓載艙，船中的邊艙為防橫傾水艙，艏尖艙為空艙。貨艙里可堆放3 695個(gè)20 ft標(biāo)準(zhǔn)箱（1 ft=0.304 8 m），甲板上可堆放5 594個(gè)20 ft標(biāo)準(zhǔn)箱。9 200 TEU雙燃料集裝箱船的船體參數(shù)見表1，總布置圖見圖1。

表1 9 200 TEU集裝箱船主要技術(shù)參數(shù)

圖1 9 200 TEU雙燃料集裝箱船總布置圖

2 燃料艙選型和布置

該集裝箱船采用C型罐設(shè)計(jì)，耐壓性能高，設(shè)計(jì)制造成熟，便于安裝，非常適合作為 LNG燃料儲(chǔ)存罐的艙型。如圖2所示，燃料艙罐體布置在靠近機(jī)艙前側(cè)的位置，左右舷均勻分布，雙層殼均采用防腐蝕材料，內(nèi)部管路分布在環(huán)形空間，管路的焊接也按照船級(jí)社要求進(jìn)行100%X射線檢測(cè)。LNG罐體的最大裝載極限與其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、形狀及設(shè)計(jì)參數(shù)、燃?xì)庀牡倪B續(xù)性、探測(cè)儀器精度、LNG密度和裝載溫度等參數(shù)有關(guān)。最大裝載率一般不超過95%，燃料艙儲(chǔ)罐的主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

圖2 9 200 TEU集裝箱船LNG燃料艙船內(nèi)布置方案

表2 9 200 TEU集裝箱船儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)

燃料罐的布置以安全性為主，從現(xiàn)有的設(shè)計(jì)可知，大部分集裝箱運(yùn)輸船的燃料艙都布置在船體內(nèi)，減小集裝箱位的損失。如圖2所示，目標(biāo)船9 200 TEU集裝箱船即采用船內(nèi)臥式布置方案，但是布置在船體內(nèi)部，具有一定的風(fēng)險(xiǎn)，比如當(dāng)船舶發(fā)生擱淺或觸礁時(shí)容易破壞船體，增加天然氣泄漏的危險(xiǎn)，所以要配備相應(yīng)的隔離區(qū)、防爆裝置、專用通風(fēng)系統(tǒng)和控制器等設(shè)備[3]。

3 雙燃料主機(jī)選型

液化天然氣（LNG）作為清潔能源已經(jīng)用作船舶燃料，其優(yōu)勢(shì)在于排煙中 NOX含量將減少約80%～90%，SOX顆粒雜質(zhì)接近零排放，CO2排放減少約 20%～30%。使用天然氣作為燃料的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，完全能滿足IMO Tier III的要求，所以采用天然氣作為主機(jī)燃料既符合排放要求，同時(shí)也降低了運(yùn)營(yíng)成本。對(duì)9 200 TEU集裝箱運(yùn)輸船來(lái)說，采用的是低壓雙燃料柴油機(jī)機(jī)械推進(jìn)的方式。

考慮該船負(fù)荷較大，所以采用MAN公司提供的高壓雙燃料低速發(fā)動(dòng)機(jī)9S90ME-C9.2GI。ME-GI型機(jī)能夠燃燒任何比例的天然氣和柴油，可以作為L(zhǎng)NG船和大型集裝箱船等多種商用船舶的主機(jī)。且主機(jī)采用雙燃料低速機(jī)具有油耗小、成本低、滿足主機(jī)功率大的特點(diǎn)。但是，該機(jī)型需要燃?xì)庖愿邏?3 MPa噴入，供氣系統(tǒng)需要配備專門的Burckhardt Laby-GI型高壓壓縮機(jī)或高壓泵系統(tǒng)，以達(dá)到所需的壓力和溫度，表3為雙燃料主機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

表3 高壓雙燃料主機(jī)技術(shù)參數(shù)

4 供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備配置分析

4.1 9 200 TEU供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

9 200 TEU集裝箱運(yùn)輸船的LNG儲(chǔ)罐采用C型罐，其具有一定的承壓能力，但是會(huì)產(chǎn)生一定量的蒸發(fā)氣（BOG，按蒸發(fā)率0.3%/天計(jì)算），每天產(chǎn)生約10.5 t蒸發(fā)氣。對(duì)于該船來(lái)說需要處理BOG，將BOG作為燃料是經(jīng)濟(jì)環(huán)保的處理方法，既可以節(jié)省燃油，又可以避免使用燃燒裝置（GCU）而產(chǎn)生燃料浪費(fèi)，或省去使用再液化裝置的成本和耗能[4]。所以供氣系統(tǒng)中需要配備BOG壓縮機(jī)和輸送管路將蒸發(fā)氣送入輔機(jī)燃燒。

另外，該船的主機(jī)型號(hào)為 MAN公司提供的9S90ME-C9.2 GI雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，低速型高壓供氣主機(jī)，進(jìn)氣壓力為 25 MPa～33 MPa，進(jìn)氣溫度為0℃～45℃；發(fā)電機(jī)為瓦錫蘭公司提供的 WARTSILA 9L34DF雙燃料發(fā)電機(jī)，進(jìn)氣壓力為0.5 MPa～0.7 MPa，進(jìn)氣溫度為0℃～60℃。主機(jī)在最大輸出功率下，需要的供氣量為6.7 t/h，根據(jù)BOG蒸發(fā)量約0.5 t/h，可以得出主輔機(jī)所需的供氣量約為6.2 t/h，所以在LNG儲(chǔ)氣罐底部設(shè)置液泵將LNG輸入汽化器中進(jìn)行氣化。

主機(jī)進(jìn)氣需高壓，所以要在高壓供氣系統(tǒng)中設(shè)置Burckhardt Laby-GI型高壓壓縮機(jī)或高壓泵，由于高壓壓縮機(jī)系統(tǒng)較高壓泵系統(tǒng)尺寸大，初期投資高，所以高壓供氣系統(tǒng)選用高壓泵作為L(zhǎng)NG升壓裝置。供氣系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)組供氣為低壓，進(jìn)氣壓力為0.5 MPa，進(jìn)氣溫度為45℃，輔機(jī)供氣量計(jì)算約為2.7 t/h，所以需要另外一臺(tái)汽化器將LNG液體氣化后送入發(fā)電機(jī)組燃燒。

而且，為防止加熱介質(zhì)在汽化器中的換熱過程中發(fā)生凍結(jié)，加熱器和汽化器中通常采用乙二醇水溶液作為中間加熱介質(zhì)，而乙二醇水溶液則通過換熱器由船上的蒸汽加熱系統(tǒng)或者缸套水進(jìn)行加熱[5]。此外，考慮到管路的超壓?jiǎn)栴}，會(huì)設(shè)置排氣裝置進(jìn)行穩(wěn)壓，管路中會(huì)設(shè)置溫度和壓力傳感器，用來(lái)檢測(cè) LNG液體和氣體的壓力溫度，保證進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)之前的供氣系統(tǒng)處于安全運(yùn)行狀態(tài)。

綜合以上分析，9 200 TEU集裝箱船采用雙燃料高低壓混合供氣系統(tǒng)方案，如圖3所示。該供氣系統(tǒng)中的主要機(jī)械設(shè)備包括：BOG壓縮機(jī)、LNG氣化器、換熱器、緩沖罐、LNG輸送泵、高壓泵和天然氣閥裝置等。系統(tǒng)中將BOG和LNG蒸發(fā)氣混合加熱后供給發(fā)電機(jī)燃燒，既節(jié)約了燃料又降低了成本；而且系統(tǒng)中省去了壓縮機(jī)的高昂費(fèi)用，降低了該供氣系統(tǒng)的成本和尺寸，適用于大型集裝箱運(yùn)輸船舶的特點(diǎn)。

圖3 9 200 TEU雙燃料集裝箱船供氣系統(tǒng)原理圖

4.2 雙燃料供氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)

本船的雙燃料供氣系統(tǒng)熱力計(jì)算參數(shù)設(shè)定如表4所示。

4.3 供氣系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型

本船供氣系統(tǒng)中主要設(shè)備數(shù)學(xué)模型如表5所示。

表4 雙燃料供氣系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)定

4.4 計(jì)算結(jié)果

通過對(duì) LNG雙燃料供氣系統(tǒng)的熱力計(jì)算，主要得到低壓和高壓供氣系統(tǒng)中的汽化器和換熱器的熱負(fù)荷以及各換熱管路的流量。

按不同換熱設(shè)備對(duì)熱負(fù)荷和流量進(jìn)行匯總，結(jié)果如表6所示。

表6 雙燃料供氣系統(tǒng)換熱設(shè)備的熱負(fù)荷和流量匯總

5 結(jié)論

本文分析了9 200 TEU的LNG雙燃料供氣系統(tǒng)方案和熱負(fù)荷計(jì)算，包括LNG燃料艙的選型、LNG燃料艙布置、雙燃料主機(jī)的選型、供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和熱負(fù)荷計(jì)算。提供了可行的供氣方案，并通過熱負(fù)荷計(jì)算分析得出其中主要機(jī)械設(shè)備的參數(shù)配置，包括設(shè)備的功率和流量等參數(shù)?？梢猿浞终莆障到y(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，從而更好地對(duì)供氣系統(tǒng)進(jìn)行分析、選型、控制等研究。