雙燃料蘇伊士型油船燃氣系統(tǒng)設計

譚增檢

（廣州燃氣集團有限公司，廣東廣州 510623）

0 引 言

國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的海上環(huán)境保護委員會（Marine Environment Protection Committee，MEPC）第70 屆會議決定將2020 年1 月1 日作為船舶全球0.5% m／m（質(zhì)量百分比）燃油硫含量標準的實施時間［1］。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）是一種無色、無味、無毒的低溫液體燃料，相比傳統(tǒng)的柴油燃料，具有低價格、高熱值和低污染等優(yōu)點，現(xiàn)已得到廣泛應用［2］。為此，采用LNG作為燃料成為船東考慮的主要燃油替代方案之一，近幾年采用LNG雙燃料動力的新造船越來越多。

某雙燃料原油船是蘇伊士型油船，總長約274.0 m，型寬48.0 m，型深23.7 m，服務航速14.2 kn，為全球首艘采用LNG雙燃料動力的蘇伊士型油船，其主機、發(fā)電機及鍋爐均采用雙燃料，入級美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS），掛旗國為利比里亞，其中主機為MAN ME-GI 機型的高壓供氣系統(tǒng)，發(fā)電機及鍋爐為低壓供氣系統(tǒng)。

下面就該船的燃氣系統(tǒng)設計及其布置作基本介紹。

1 燃氣系統(tǒng)基本介紹

1.1 原 理

LNG燃氣系統(tǒng)主要包括燃料加注系統(tǒng)、燃料圍護系統(tǒng)、燃料處理系統(tǒng)和蒸發(fā)氣（Boil Off Gas，BOG）處理系統(tǒng)，主要功能是通過船上的加注站將LNG燃料加注到儲存艙中，經(jīng)燃料供應系統(tǒng)將LNG加熱氣化并在預定范圍內(nèi)調(diào)整其溫度和壓力，為船舶燃氣用戶提供所需的燃氣量［3］。本文所述船舶的燃氣系統(tǒng)的基本原理見圖1。為保證燃氣系統(tǒng)的正常運行，還需配置輔助及控制安全系統(tǒng)，主要包括乙二醇／水循環(huán)加熱系統(tǒng)、燃氣透氣及泄放系統(tǒng)、控制空氣系統(tǒng)、可燃氣體探測系統(tǒng)、氮氣系統(tǒng)、燃氣控制／監(jiān)測及安全系統(tǒng)、船岸通信及應急切斷系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、干粉滅火系統(tǒng)、CO2滅火系統(tǒng)和水噴淋系統(tǒng)等。

圖1 158 000載重噸雙燃料原油船燃氣供應系統(tǒng)基本原理圖

下面主要介紹燃料圍護系統(tǒng)、燃料加注系統(tǒng)和燃料供應系統(tǒng)的設計與布置。

1.2 燃料圍護系統(tǒng)的設計和布置

該船的燃料圍護系統(tǒng)主要包含2 個IMO C型LNG儲存罐，為單壁單圓筒形，帶球形封頭，外部敷設絕熱材料和相關(guān)機械保護封皮。每個儲存罐都裝有2 臺潛液式燃料輸送泵，用于駁運LNG 至高壓增壓泵組和高壓／低壓蒸發(fā)器，同時還可用于在2 個儲存罐之間駁運LNG，LNG燃料輸送泵由恒轉(zhuǎn)速電機驅(qū)動，以最小流量通過艙內(nèi)噴淋管回注LNG燃料儲存罐。具體設計參數(shù)見表1。

表1 LNG燃料儲存罐設計基本參數(shù)

基于主機CSR（Continous Service Rating）功率下的燃料消耗，船舶在設計吃水為17.15 m，服務航速為14.2 kn的情況下航行時，其LNG燃料儲存罐容積應滿足續(xù)航力約為17 000 n mile。

LNG燃料儲存罐布置在露天上甲板的貨油艙區(qū)域，左右舷各1 個，位于上層建筑（以下簡稱“上建”）前壁與貨油集管區(qū)之間，距離上建前壁約19 m，2 個儲存艙之間的距離約為18 m，左右舷的儲存罐舷側(cè)外壁（不含絕緣）距離舷側(cè)外板約4.6 m，LNG 燃料儲存罐的布置位置需滿足《使用氣體或其它低閃點燃料船舶國際安全規(guī)則》（International Code of Safety for Ships Using Gases or Other Low-Flashpoint fuels，IGF Code）的要求。

每個LNG燃料儲存罐設置1 個氣室，用來布置燃料輸送泵管路、通道人孔及梯道、內(nèi)外部接管和儀器儀表等?？紤]到艉傾，在應急情況下儲存罐內(nèi)的燃料盡可能地排空，氣室及燃料輸送泵吸井宜布置在燃料艙靠艉部的一端。在氣室操作平臺處設置1 臺0.5 t重的小吊，用來檢修燃料輸送泵或其他零部件。

每個LNG燃料儲存罐通過2 個鞍座安裝在甲板上，其中一個鞍座為固定式，另外一個為滑動式，通常靠近氣室一側(cè)的鞍座為固定式，見圖2。

圖2 燃料儲存罐總布置圖

LNG 燃料儲存罐的支撐、絕熱材料及內(nèi)部管系和設備均根據(jù)廠家推薦選取。

1.3 燃料加注系統(tǒng)的設計和布置

LNG加注系統(tǒng)的設計和布置應滿足國際氣體燃料動力船協(xié)會關(guān)于氣體燃料加注站技術(shù)指南（SGMF TGN 06-04）的要求，本文所述船舶在露天上甲板左、右舷燃料儲存罐的前端各設置1 個LNG燃料加注站（見圖3），每個加注站內(nèi)均設1個8 in（1 in ＝0.025 4 m）的液體燃料加注接頭和1 個6 in的蒸發(fā)氣回氣接頭，設計壓力為1 MPa，加注速率為800 m3／h，另外配備1 臺便攜式小吊用來吊運加注用快速接頭或其他配件。

圖3 LNG加注站立體圖

LNG管既用于充裝LNG，又用于排出LNG；蒸發(fā)氣管路用于蒸發(fā)氣與岸上之間的傳輸。

加注站的零部件主要包括液化天然氣連接接頭及盲板法蘭（8 in）、蒸發(fā)氣回氣接頭及盲板法蘭（6 in）、用于蒸發(fā)氣回氣管的可手動和遙控操作的應急切斷閥、用于LNG 管的手動隔離閥和電動液壓應急切斷閥、集液盤和溫度傳感器、船岸通信線路、液化天然氣加注管路濾器（篩網(wǎng)規(guī)格0.84 mm）、氮氣吹掃接頭、溫度及壓力表等。

根據(jù)IGF Code的要求，在加注站區(qū)域應設置一套固定安裝的化學干粉滅火系統(tǒng)，其滅火能力應確保至少能以3.5 kg／s的速率釋放45 s，另外還應至少設置1 具容量不少于5 kg的手提式干粉滅火器［4］。

在加注LNG燃料過程中，為防止LNG泄漏之后與船體結(jié)構(gòu)直接接觸導致其受損，配置水幕系統(tǒng)保護該區(qū)域。

1.4 燃氣供應系統(tǒng)的設計與布置

1.4.1 燃氣供應系統(tǒng)

燃氣供應系統(tǒng)包括以下2 部分：1）LNG燃料處理系統(tǒng)。通過燃料儲存罐上的燃料輸送泵將LNG 輸送給高壓和低壓氣化蒸發(fā)器，LNG先被水乙二醇加熱氣化成低溫天然氣，再由氣液分離器分離出未氣化的液體之后，隨后通過加熱器，利用水乙二醇加熱到用戶所需的溫度，經(jīng)緩沖罐進入氣體閥件單元（Gas Valve Unit，GVU）供燃氣用戶使用。

2）BOG處理系統(tǒng)。燃料儲存罐內(nèi)的LNG會因壓力發(fā)生變化而產(chǎn)生BOG，通過壓縮機對這部分氣體進行壓縮，形成高溫高壓的氣體，并經(jīng)過后冷卻器與低溫水乙二醇換熱，到達用戶所需的溫度，隨后經(jīng)緩沖罐進入GVU供燃氣用戶使用。

為滿足上述功能，燃氣供應系統(tǒng)的主要設備有LNG高壓增壓泵、高壓／低壓蒸發(fā)器、BOG預熱器、水乙二醇加熱器／冷卻器、高壓／低壓燃氣緩沖罐、水乙二醇熱水／冷水膨脹柜、水乙二醇循環(huán)泵和BOG壓縮機等。

1.4.2 燃料處理間的布置

本文所述船舶將上述燃氣供應系統(tǒng)的主要設備設計成若干個撬塊單元，包括BOG 壓縮機單元、燃料氣化及加熱單元、LNG高壓增壓泵組單元和水乙二醇系統(tǒng)單元等，并將其布置在一個專用艙室（俗稱燃料處理間）內(nèi)，根據(jù)各撬塊單元的外形尺寸和檢修空間確定燃料處理間的尺寸為17.8 m×11.2 m×4.5 m，見圖4。

圖4 燃氣處理間布置圖

該船的燃料處理間布置在露天上甲板，位于左右舷2 個燃料儲存艙之間，為A類機器處所，其面向燃料艙的艙壁采用“A-60”級防火分隔。

根據(jù)IGF Code的要求：燃料處理間應設置有效的負壓機械通風系統(tǒng)，通風能力應至少為每小時換氣30次；風機的數(shù)量和功率應滿足從主配電板或應急配電板由獨立線路供電的1 臺風機失效，或從主配電板或應急配電板由公用線路供電的1 組風機失效時，通風能力不應下降超過50%［4］。

因此，結(jié)合對通風量的計算，為燃料處理間配備2 臺風量為28 000 m3／h、靜壓為400 Pa 的防爆軸流風機，將其布置在房間頂部。

另外，燃氣處理間面向燃料儲存罐的外圍壁還應設置水噴淋系統(tǒng)，房間內(nèi)應配備CO2滅火系統(tǒng)，其容量均應根據(jù)房間的尺寸計算。

2 燃氣系統(tǒng)主要設備的綜合布置

根據(jù)前面的介紹，與燃氣系統(tǒng)有關(guān)的設備主要包括LNG加注站撬塊、LNG燃料儲存罐及氣室、燃料處理間的設備（如BOG壓縮機單元、燃料氣化及加熱單元、LNG高壓增壓泵組單元和水乙二醇系統(tǒng)單元等）、用戶設備（如主機、發(fā)電機及鍋爐等）和輔助系統(tǒng)設備（如氮氣系統(tǒng)設備、水噴淋系統(tǒng)設備、CO2滅火系統(tǒng)設備和干粉滅火系統(tǒng)設備等）。

本文所述船舶為原油船，其上建居住區(qū)及煙囪圍島布置在艉部，貨艙區(qū)露天甲板從上建貫穿至艏部，因此加注站、LNG燃料儲存罐和燃料處理間均布置在貨艙區(qū)的露天上甲板，其中，加注站撬塊的外形尺寸為3.6 m×4.8 m×3.7 m，LNG燃料儲存罐的外形尺寸為36.8 m ×10.8 m ×10.8 m，燃料處理間的尺寸為17.8 m×11.2 m×4.5 m，外形尺寸較大，且油船貨艙區(qū)上甲板貨油及船舶系統(tǒng)管束眾多，舾裝件及設備布置錯綜復雜，再加上燃氣系統(tǒng)有諸多管束及設備等，合理地對這些設施進行綜合布置顯得尤為重要。

結(jié)合相關(guān)規(guī)則、規(guī)范的要求，綜合布置的思路如下：

1）LNG燃料儲存罐及氣室的布置。根據(jù)IGF Code的要求，當燃料儲存罐位于開敞上甲板時，若面向燃料儲存罐的上建等的限界面與燃料儲存罐之間的距離小于10 m，則需在其限界面設置水噴淋系統(tǒng)。為節(jié)約成本，減少不必要的水噴淋系統(tǒng)，燃料儲存罐宜盡可能地遠離上建居住區(qū)，即盡可能地往船首方向布置，但因燃料儲存罐外形尺寸較大，還要考慮駕駛室巴拿馬視線盲區(qū)的要求。氣室的布置應考慮燃料輸送泵吸井盡可能地位于氣室正下方，且最好布置在燃料艙尾端，當船舶艉傾時，在應急情況下燃料儲存罐內(nèi)的燃料能盡可能地被排空。

2）加注站布置。根據(jù)SGMF-TGN 06-04 的推薦，加注站應盡量布置在船體結(jié)構(gòu)平行中體范圍內(nèi)，左舷液相管接頭布置在尾端，氣相管接頭布置在首端，右舷反之［5］。由于加注站與燃料儲存罐之間的管路為低溫雙壁管，且需包覆絕緣材料，因此為節(jié)約建造成本，此段管路應盡量短，即加注站應盡量布置在燃料儲存罐附近。

3）燃料處理間的布置。該房間主要布置燃料處理設備，LNG從燃料儲存罐輸出之后先經(jīng)過燃料處理設備處理，再供給機艙的主機、發(fā)電機及鍋爐等使用，因此該房間應盡量靠近燃料儲存罐的氣室，并盡量靠近機艙區(qū)域，縮短液相和氣相管路，減小供氣管路的壓力和溫度的波動。本文所述船舶的燃料處理間布置在左右舷2 個燃料儲存罐之間，靠機艙側(cè)，且房間架空，上甲板縱向管束布置在房間下方，燃氣系統(tǒng)的高低壓透氣桅布置在房間頂部靠艏端。

結(jié)合上述思路，本文所述船舶的LNG加注站、燃料儲存罐及氣室和燃料處理間的綜合布置方案見圖5 和圖6。

圖5 系統(tǒng)設備綜合布置側(cè)視圖

圖6 系統(tǒng)設備綜合布置俯視圖

3 結(jié) 語

目前我國在油船上應用LNG燃料還處于起步階段，已完成設計和建造的LNG雙燃料動力油船較少，尤其是蘇伊士型油船尚屬空白，通過本文的介紹，可對LNG雙燃料動力油船燃氣系統(tǒng)的原理有基本的認識，并掌握燃氣系統(tǒng)主要設備綜合布置的注意事項及要領(lǐng)。本文所述燃氣系統(tǒng)設計和設備布置滿足規(guī)范的要求，整體結(jié)構(gòu)布局緊湊合理，有利于降低建造成本，可供后續(xù)同類型船舶的燃氣系統(tǒng)設計和布置參考。