船用雙燃料發(fā)動機臺架試驗天然氣供氣系統(tǒng)

蘇東旺, 許秀芹

(中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司華東分院，江蘇南京210049)

1 概述

本工程設(shè)計的天然氣供氣系統(tǒng)要求能滿足2套雙燃料低速機臺架同時試驗或者1套雙燃料低速機臺架和2套雙燃料中速機臺架同時試驗。根據(jù)雙燃料發(fā)動機試驗規(guī)程，單臺中速機試驗過程流量為20～1 300 m3/h，中速機控制閥組前天然氣壓力要求0.67～0.73 MPa，總耗氣量為600～8 000 m3。單臺低速機試驗過程流量為180～3 000 m3/h，低速機控制閥組前天然氣壓力要求1.5～1.6 MPa，總耗氣量為6 000～18 000 m3。故確定本工程最大流量為6 000 m3/h，單次試驗最大用氣量為36 000 m3。

天然氣供氣系統(tǒng)可以由市政中壓管道天然氣或LNG作為氣源，經(jīng)調(diào)壓計量后輸送至臺架進(jìn)行試驗[1]。

2 不同氣源條件下供氣系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 氣源為市政中壓管道天然氣

市政中壓管道天然氣作為氣源時，天然氣供氣系統(tǒng)流程見圖1。下面以系統(tǒng)最大流量6 000m3/h對各設(shè)備進(jìn)行選型。

① 計量調(diào)壓

市政中壓管道來氣(壓力為0.2～0.4 MPa)首先經(jīng)過計量設(shè)備進(jìn)行貿(mào)易計量，本工程采用兩臺超聲波流量計，進(jìn)出口公稱直徑為200 mm，流量范圍為68～3 400 m3/h，并聯(lián)設(shè)置。

為保證壓縮機進(jìn)口壓力穩(wěn)定，壓縮機前設(shè)置調(diào)壓器，調(diào)壓器額定流量按照最大流量的1.2倍設(shè)置，為7 200 m3/h，雙路設(shè)置，1用1備，進(jìn)口壓力為0.2～0.4 MPa，出口壓力為0.1 MPa。

② 加壓

加壓設(shè)備包括壓縮機組、進(jìn)氣緩沖罐(1個)、排氣緩沖罐(1個)。

本工程根據(jù)發(fā)動機試驗規(guī)律設(shè)置3臺活塞式壓縮機，并聯(lián)布置，每臺壓縮機額定流量為2 500 m3/h，進(jìn)口壓力為0.1～0.4 MPa，出口壓力為1.6～1.8 MPa。從節(jié)能角度考慮，由于中速雙燃料發(fā)動機和低速雙燃料發(fā)動機用氣壓力不同，在系統(tǒng)中可設(shè)置不同出口壓力的壓縮機組。雙燃料發(fā)動機試驗過程具有階段性和間歇性，最大流量較大而總用氣量較小，若將中速雙燃料發(fā)動機和低速雙燃料發(fā)動機加壓系統(tǒng)分開設(shè)置，則需要設(shè)置多臺壓縮機組，這使得設(shè)備購置費用和運行維護(hù)費用增加，增加的這些費用將遠(yuǎn)大于所節(jié)約的能源費用。故本工程將中速雙燃料發(fā)動機和低速雙燃料發(fā)動機加壓系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)置，即先將管道天然氣統(tǒng)一加壓至1.6～1.8 MPa，然后通過精確調(diào)壓，將天然氣壓力調(diào)節(jié)至符合雙燃料發(fā)動機試驗要求的壓力。

圖1 市政中壓管道天然氣供氣流程

按照天然氣在進(jìn)氣緩沖罐內(nèi)停留時間為10 s，計算得出進(jìn)氣緩沖罐的容積，計算公式為：

(1)

式中V1——進(jìn)氣緩沖罐容積，m3

q——系統(tǒng)最大流量，m3/h

t1——緩沖時間，s

p——大氣壓力，取0.1 MPa

pj——市政中壓來氣壓力，MPa，此處取0.2 MPa

根據(jù)公式(1)計算可得進(jìn)氣緩沖罐容積為5.6 m3,取6.0 m3，設(shè)計壓力取1.0 MPa。

為減小壓縮機脈沖影響，穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，壓縮機組后設(shè)置1個排氣緩沖罐。排氣緩沖罐按照2 min的緩沖量考慮，其容積計算公式為：

(2)

式中V2——排氣緩沖罐容積，m3

t2——緩沖時間，s，此處取120 s

pc——壓縮機的額定排氣壓力，MPa，此處取1.6 MPa

按照式(2)計算得出排氣緩沖罐容積為11.8 m3，取12.0 m3，設(shè)計壓力取2.5 MPa。

③ 干燥

干燥設(shè)備設(shè)計流量為6 000 m3/h，設(shè)計壓力2.0 MPa，干燥后天然氣水露點(1.6 MPa下)應(yīng)小于-60 ℃。本工程采用分子篩干燥器，設(shè)置兩臺干燥橇，并聯(lián)布置，單臺設(shè)計流量6 000 m3/h，1用1備。

④ 過濾

過濾器去除天然氣中的固體雜質(zhì)，本工程采用1臺筒形過濾器，過濾精度根據(jù)發(fā)動機要求設(shè)置為5 μm。

⑤ 精確計量調(diào)壓

由于雙燃料中速機與低速機用氣壓力、用氣量不同，經(jīng)壓縮后的天然氣在供給不同發(fā)動機前需進(jìn)行調(diào)壓，并根據(jù)不同發(fā)動機的用氣量安裝相應(yīng)的流量計。雙燃料發(fā)動機試驗過程中用氣量變化較大，本工程選用質(zhì)量流量計。為保護(hù)發(fā)動機控制閥組，調(diào)壓設(shè)備應(yīng)具備超壓切斷功能。

⑥ 控制閥組

控制閥組(GVU)既作為發(fā)動機的控制設(shè)備，又作為供氣系統(tǒng)的一部分，一般隨發(fā)動機成套發(fā)貨。

⑦ 強制通風(fēng)

試驗車間內(nèi)的供氣管道采用雙壁管, 雙壁管供氣系統(tǒng)見圖2。雙壁管內(nèi)管兩端分別與發(fā)動機燃料進(jìn)口和車間外供氣管道連接，介質(zhì)為天然氣。雙壁管外管一端與車間內(nèi)空間通過沿圓周均勻分布的12個直徑為2 mm的小孔相通，另一端與室外離心式排風(fēng)機連接，外管介質(zhì)為空氣，內(nèi)外管兩種介質(zhì)流向相反。當(dāng)發(fā)生泄漏，內(nèi)管中的天然氣泄漏至外管中時，通過安裝在室外管口的離心式排風(fēng)機將天然氣抽至室外，防止天然氣聚積發(fā)生爆炸。正常運行時，離心式排風(fēng)機應(yīng)保持運轉(zhuǎn)，以維持雙壁管外管微負(fù)壓并保證換氣次數(shù)不小于45次/h。

由于國內(nèi)尚未出臺船舶發(fā)動機用雙壁管的制作規(guī)范[2-3]，本工程雙壁管的焊接、直管和管件(彎頭、三通)連接以及內(nèi)管支架做法等參照SH/T 3040—2012《石油化工管道伴管及夾套管設(shè)計規(guī)范》和SH/T 3546—2011《石油化工夾套管施工及驗收規(guī)范》。

雙壁管供氣及通風(fēng)的設(shè)計在常規(guī)計算的基礎(chǔ)上[4]，參照中國船級社武漢規(guī)范研究所編制的《天然氣燃料動力船舶規(guī)范》(2017)中關(guān)于船用雙壁管的相關(guān)內(nèi)容，盡量使試驗供氣系統(tǒng)的運行狀態(tài)接近船舶上供氣系統(tǒng)的狀態(tài)，為雙燃料發(fā)動機臺架試驗提供合適的條件。

圖2 雙壁管供氣系統(tǒng)

⑧ 氮氣置換

根據(jù)發(fā)動機試驗規(guī)程，發(fā)動機每次停機之后都需要對雙壁管內(nèi)管注入氮氣，將供氣管內(nèi)的天然氣置換為氮氣，以防止發(fā)動機啟動時發(fā)生爆燃。氮氣置換設(shè)備與發(fā)動機本體上的氮氣吹掃口相連，沿與天然氣進(jìn)氣方向的反方向吹掃，將發(fā)動機燃燒室和供氣管道內(nèi)的天然氣排出。氮氣的吹掃壓力為供氣管內(nèi)天然氣壓力的1.5倍，吹掃速度不大于5 m/s，吹掃時間由實際情況確定，本工程設(shè)置為20 min。

單臺中速機臺架試驗供氣系統(tǒng)主要設(shè)備(過濾器之后的設(shè)備)見表1，單臺低速機臺架試驗供氣系統(tǒng)主要設(shè)備(過濾器之后的設(shè)備)見表2。

表1 中速機臺架試驗供氣系統(tǒng)主要設(shè)備(過濾器之后的設(shè)備)

表2 低速機臺架試驗供氣系統(tǒng)主要設(shè)備(過濾器之后的設(shè)備)

2.2 氣源為LNG

LNG作為氣源時，供氣主要流程為：LNG從儲罐導(dǎo)出，經(jīng)過LNG增壓泵加壓(或通過旁通管路)，進(jìn)入空溫式氣化器，氣化得到天然氣，此流程節(jié)點就是圖1中的節(jié)點A，節(jié)點A后見圖1。

LNG作為氣源運行時分為兩種情況：有低速機試驗和無低速機試驗。

當(dāng)?shù)退贆C和中速機同時試驗時，由于低速機用氣壓力較高，儲罐內(nèi)的LNG需經(jīng)LNG增壓泵增壓后進(jìn)入氣化器氣化[5]，氣化后天然氣壓力為1.6～1.8 MPa，經(jīng)不同的調(diào)壓計量設(shè)備后，為低速機和中速機供氣。當(dāng)只有中速機試驗時，儲罐內(nèi)的LNG可不經(jīng)LNG增壓泵增壓，直接進(jìn)入氣化器氣化，氣化后的天然氣壓力為0.7 MPa，可以滿足中速機試驗。

天然氣供氣系統(tǒng)主要由卸車增壓器、LNG儲罐、LNG增壓泵、空溫式氣化器、調(diào)壓計量設(shè)備、控制閥組、強制通風(fēng)、氮氣置換等設(shè)備組成。下面以系統(tǒng)最大流量6 000 m3/h對各設(shè)備進(jìn)行選型。

① 卸車增壓器

通過卸車增壓器將LNG槽車中的LNG輸送至LNG儲罐中。本工程選用卸車增壓器設(shè)計流量300 m3/h，設(shè)計壓力為1.6 MPa。

② LNG儲罐

選用1臺100 m3LNG立式儲罐，儲罐設(shè)計壓力0.77 MPa，操作壓力0.7 MPa，設(shè)計溫度-196 ℃。

③ LNG增壓泵

選用1臺浸沒式低溫潛液泵作為LNG增壓泵，設(shè)計流量20 m3/h，出口壓力2.0 MPa，設(shè)計溫度為-196 ℃。

④ 空溫式氣化器

選擇4臺空溫式氣化器，單臺設(shè)計流量3 400 m3/h，設(shè)計壓力2.5 MPa， 2用2備。

流程節(jié)點A之后的設(shè)備選型與氣源為市政中壓管道天然氣時相同。

3 兩種氣源條件下天然氣供氣系統(tǒng)的比較

① 從氣源保障能力看，管道天然氣具有氣源穩(wěn)定的優(yōu)點，LNG的供應(yīng)受市場影響，具有較大的不確定性。

② 從雙燃料發(fā)動機試驗規(guī)律和企業(yè)自身條件看，當(dāng)雙燃料發(fā)動機的生產(chǎn)試驗處于起步階段或者訂單量較少時，以LNG作為氣源有投資較小、建設(shè)方便的優(yōu)點。特別是在現(xiàn)階段船舶市場整體低迷的情況下，使用LNG作為臨時氣源為雙燃料發(fā)動機實驗臺架供氣顯得更加經(jīng)濟(jì)。

③ 從天然氣供氣系統(tǒng)運行和維護(hù)角度看，管道天然氣系統(tǒng)具備自動化程度高、人為操作少的優(yōu)點，正常運行狀態(tài)下可以實現(xiàn)完全自動化；而LNG供氣系統(tǒng)的卸車、增壓泵啟停等操作均需工作人員現(xiàn)場值守。