LPG運輸船升級改造LPG雙燃料船方案的研究

摘" " 要：為應對IMO船舶溫室氣體減排的要求，航運業(yè)尋求對現(xiàn)服役船低碳燃料改裝，LPG運輸船升級改裝為LPG雙燃料船是目前改裝的熱點。本文對LPG運輸船升級改裝的重點設備及系統(tǒng)進行了研究和闡述，分析了設備的特點，選型的影響因素，關(guān)鍵的參數(shù)等。

關(guān)鍵詞：LPG運輸船；LPG雙燃料船改裝；MEC主機；燃料儲藏罐；增壓泵

中圖分類號：U672.6" " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Proposal Research on Upgrading and Renovating LPG

Carrier to LPG Dual-Fuel Carrier

QIN Min， RUAN Zhijian， SUN Yunqiang， ZHANG Ruixing， DAI Changsheng

（ COSCO Shipping Heavy Industry （Guangdong） Co.， Ltd.，" Dongguan 523146 ）

Abstract： To cope with the IMO requirement of greenhouse gas emission reduction from ships， the shipping industry seeks to modify low-carbon fuel for existing ships， and the upgrading and modification of LPG carriers into LPG dual-fuel vessels is the hotspot of modification at present. In this paper， the key equipments and systems for upgrading and refitting LPG carriers are studied and elaborated， and the characteristics of the equipments， the influencing factors of selection， and the key parameters are analyzed.

Key words： LPG carrier;" LPG dual fuel carrier;" MEC main engine;" fuel storage tank;" booster pump

1" " "引言

隨著全球氣溫逐年升高，極端天氣逐漸變多，對地球氣候環(huán)境的保護呼聲也越來越強烈。2016年175個國家簽署了巴黎協(xié)定，承諾將全球氣溫升高幅度控制在20C的范圍內(nèi)。對此，各行各業(yè)都對此提出自己的減排方案。

IMO在2018年MFPC72會議上通過了《IMO船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略》，2021年，IMO在MEPC77會議上同意提高IMO船舶溫室氣體減排初步戰(zhàn)略減排要求，或期在2050年實現(xiàn)航運溫室氣體零排放。

對現(xiàn)役船的改裝來滿足低碳要求，是各航運公司和船東關(guān)注的焦點。VLGC運輸船為專門運輸液化氣的液貨船，可分為液化天然氣船（LNG船）及液化石油氣船即LPG船。液化石油氣是以丙烷和丁烷為主要成份的石油碳氫化合物，大部分貨品本身也能作為低碳燃料使用。因此，將LPG運輸船改裝為LPG雙燃料運輸船是目前低碳燃料改裝的一個方向及熱點。

2" " "LPG常規(guī)運輸船的分類及改裝分析

常規(guī)LPG運輸船一般為三種類型：全壓式、半冷半壓式和全冷式。

全壓式又稱常溫壓力式，在常溫條件下加壓使貨物變成液體狀態(tài)。全壓運輸船的船艙不需設置隔熱與低溫冷卻設備。全壓式LPG船的艙容量都在5000 m3以下。貨艙能承受壓力，但不耐低溫。全壓式LPG船可以運輸臨界溫度大于45℃的化工產(chǎn)品。如果船型較小改裝LPG雙燃料經(jīng)濟性就不會十分明顯。

半冷半壓又稱低溫加壓式該類船最大艙容量不超過25 000 m3。半冷半壓式LPG船屬于多用途船，貨艙既耐低溫，又能承受一定的壓力。該種船型有一定的改裝價值，但由于該船型多數(shù)貨艙設計溫度達到-163 ℃用于裝載LNG，且多數(shù)用于運輸乙烯從而不適合用于LPG雙燃料主機。

全冷式又稱為低溫常壓型，液化氣貯存于不耐壓的液艙內(nèi)，處于常壓下的沸騰狀態(tài)。通常以運輸LPG為主，容量大都為50 000-100 000 m3。如果原船使用的主機為電噴機時將最適合進行LPG雙燃料改裝，其經(jīng)濟性，效率均較高。

3" " 雙燃料運輸船的改裝的研究

LPG雙燃料運輸船的改裝涉及到船舶各方面及系統(tǒng)的研究及改裝，下面就主要的幾個方面進行闡述和研究。

3.1" "LPG雙燃料運輸船船型主機型號的研究及選擇

改裝雙燃料船舶，首先考慮其主機機型是否可以升級改裝。從目前兩家主要主機廠商MAN Bamp;W與瓦錫蘭給出的信息中，MEC電噴機，因其發(fā)動機的模塊化設計可進行直接的改裝升級，通過對汽缸蓋、排氣閥等相對比較小的改裝量來達到使用LPG燃料的功能。這種對MEC電噴機的改裝升級在機型的可靠性、升級費用的經(jīng)濟性方面均較合適[1]。如原船機型為傳統(tǒng)舊款MCC機型（僅主機噴油控制為電控），廠商未研發(fā)MCC機型直接升級版本，一般需整體更換，從而導致船舶整個機艙包括設備、管路等需要重新建造布置等，經(jīng)濟性極差。

對輔機（如發(fā)電機組）等直接進行LPG雙燃料改裝暫未有實例，廠商反饋需直接更換成全新的LPG雙燃料發(fā)電機組，導致改裝費用太高，改裝經(jīng)濟性差，本文的論述不涉及輔機LPG雙燃料改裝。

3.2" "LPG雙燃料運輸船供給系統(tǒng)的設計與設備選型

雙燃料設備容量、規(guī)格、品牌的選擇是改裝方案的關(guān)鍵，直接決定了液貨艙、供氣系統(tǒng)、主機之間的匹配性[2]。其選型結(jié)果的好壞直接決定著整個改裝方案的成功與否。

對于目前的LPG雙燃料運輸船的改裝，較多以全冷式LPG運輸船作為改裝對象。對應全冷式LPG雙燃料運輸船，圖1為一種典型供氣系統(tǒng)流程圖。

該供氣系統(tǒng)主要由燃料儲藏罐、低壓輸送泵、加熱器、高壓輸送泵、雙聯(lián)濾器、回液冷卻器等幾大部分組成。下面就該系統(tǒng)的主要設備進行研究及選型。

1）燃料儲藏罐的研究及選型

燃料儲藏罐是LPG雙燃料改裝中最大的設備，選型的好壞直接影響到改裝的經(jīng)濟性及時效性。選擇合適的罐體須考慮以下七個方面。

（1）罐體型式

對全冷式LPG運輸船進行改裝，其貨艙設計溫度一般為-52℃。選擇與貨艙同種類的燃料罐，就能最大程度減少新增設備，可以與原船貨物系統(tǒng)共用部分設備如再液化裝置等，減少設備的增加。若選用全壓式或半冷半壓式LPG燃料罐由于罐體強度要求高，同容量罐體重量均較全冷式的罐高對原船舶的載重噸影響較大，且壓力高對管系統(tǒng)的要求將提高較多，并且如果考慮利用裝載的LPG進行燃料補充將需要配備額外的壓縮機組、冷卻器等設備以滿足灌裝要求，整體改裝經(jīng)濟性低于采用全冷式LPG燃料罐。所以一般選用與貨艙同種類的全冷式LPG燃料罐。

（2）船舶舾裝數(shù)

由于所需的罐體體積較大，將明顯改變船舶的橫向受風面積，從而影響船舶舾裝數(shù)如果變化后的舾裝數(shù)跳檔，將導致原船一系列錨系泊設備的等級不足而更換，這樣將極大的影響改裝的費用和時間。所以在選擇罐體尺寸時需預先根據(jù)原船舾裝數(shù)所在檔位進行反計算，得出在不更改原船錨泊設備的情況下所能采用的最大的罐體尺寸，或限制罐體直徑小于1/4船寬。

（3）布置尺寸

LPG雙燃料運輸船需滿足IGC Code及IGF Code規(guī)范要求。按法規(guī)要求LPG雙燃料系統(tǒng)應達到與LNG系統(tǒng)等同的安全等級。所以法規(guī)中對LNG雙燃料的布置要求對LPG雙燃料也適用，例如IGF Code中，罐體需距離舷側(cè)最少800 mm。因此罐體基座尺寸、原船頂邊柜尺寸、甲板面原船管系布置等因素都會對罐體直徑的確定產(chǎn)生限制，在選型時需要充分考慮[3]。

（4）改裝后LPG的續(xù)航力

采用雙燃料，也對LPG燃料有續(xù)航力要求。船東一般根據(jù)船舶的主要航線及航行時間來確定續(xù)航力。大部分船東要求LPG燃料用于公海航線使用，進出港工況則選擇常規(guī)的低硫油等燃料以保證進出港安全性和可靠性。因此根據(jù)主機廠家提供的氣耗數(shù)據(jù)，結(jié)合客戶需求來進行計算驗證，以保證儲藏罐的容積能提供足夠續(xù)航能力，滿足客戶營運需求。

（5）視線影響

對于VLGC船的LPG雙燃料改裝，一般增加的燃料儲藏罐布置在貨艙區(qū)域甲板面前方，位于船舶的舯艏部，因此罐體高度對駕駛視線可能產(chǎn)生一定的影響，并新增視線盲區(qū)，選型與布置時應充分考慮，并確認。

（6）空船重量、重心

整個新增供氣系統(tǒng)對船舶的空船重量、重心均會產(chǎn)生一定的影響。在考慮改裝船舶的尺度，保證或充分考慮上述1、2、3、4、5點影響因素后，如能將改裝后的空船重量變更保持在原船空船重量1%以內(nèi)，縱向重心變化0.5%以內(nèi)，那么就可以減免改裝后的傾斜試驗、重算穩(wěn)性報告、更新裝載計算機等問題，減少改裝邊際影響。

（7）成熟罐體

因當前國際、國內(nèi)氣體船市火爆，LPG雙燃料改裝所需的罐體設計、采購、制作周期極長。因此，選擇一款已設計、認可并交付使用的罐體，縮減新設計、新認可的前序時間周期，可以極大的減少罐體的采購周期，提升船東的改裝意愿。

2）LPG輸送泵的研究及選型

根據(jù)主機供氣需求及輸送壓力，一般需要設置LPG輸送增壓泵。考慮從燃料罐至主機一般距離較遠，在輸送過程中的沿程壓力損失，增壓后LPG溫度上升，導致的燃料溫度控制等因素，如采用單極增壓，對系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性均有不良的影響。為避免這些不良影響，對此設置了兩級增壓，如圖1的典型供氣系統(tǒng)流程圖中所示。首先由燃料罐體上的低壓泵抽取足量的LPG燃料；然后通過熱交換器對輸送的LPG燃料進行升溫至主機需求的溫度；再經(jīng)第二級高壓泵進一步增壓至主機需求壓力；然后通過主機的SVT控制閥組供給主機燃燒；燃燒后殘余的LPG燃料通過主機RVT控制閥組回流；在再經(jīng)換熱器冷卻后通過第二級高壓泵再度加壓輸送給主機燃燒。泵的型式一般為深井泵或軸隧泵[4]，下面就兩種型式的泵的研究及選型進行闡述。

（1）深井泵

深井泵安裝在罐體上，是獨立燃料罐常用的輸送泵樣式，安裝完成后，存在后續(xù)維護更換較困難的問題。一旦損壞，考慮安全性問題，都需進入船廠清倉后修理或更換。

高壓泵為類深井泵的泵池泵，高壓泵的安裝相對獨立，一般選擇將高壓泵及其周邊的輔助設備、閥件、控制等組裝成一個整體單元。在整體單元上，由于泵池泵是立式安裝，可以使得整個單元更加的緊湊，投影尺寸相比軸隧泵要小，較適于改裝項目的布置。

（2）軸隧泵

軸隧泵，為罐體外置安裝泵，在后續(xù)的維護中對運營和船員較為方便，不需要進入船廠即可維修和保養(yǎng)。但在整個LPG的雙燃料改裝工程時，因安全要求對該泵的安裝需另配半遮蔽甲板房，甲板房間內(nèi)還需配置氣體探測、火警、照明、水、氣等輔助設施，對施工費用及周期都會有影響。

此外，作為高壓泵的軸隧泵，存在著安裝投影尺寸較大、改裝船上布置較困難的問題。但其維修、保養(yǎng)等均優(yōu)于深井泵。

3）LPG供氣系統(tǒng)其它設備的研究

（1）LPG加熱器、冷卻器

對于全冷式LPG供給系統(tǒng)，LPG罐內(nèi)貯藏溫度為約-48℃，為滿足主機燃料進機溫度需求（進給溫度一般25～45℃），需對輸送的LPG燃料進行溫度控制[5]。因此，在高壓增壓泵進口配置了LPG加熱器，在主機RVT出口配置了LPG冷卻器?？紤]加熱效率、可靠性及可控性等因素，對LPG可采用水乙二醇為換熱介質(zhì)，即通過船上的蒸汽系統(tǒng)及海水冷卻水系統(tǒng)對水乙二醇先進行換熱，然后再用換熱后的水乙二醇對LPG進行加熱或冷卻。加熱器一般有管殼式與板式兩種。理論上兩種型式均可用使用，一般以換熱單元尺寸要求來選擇。

（2）回液緩沖罐

在主機沒有運行之前，到主機的 LPG 進機和回液管內(nèi)均充滿氮氣，當主機啟動后，隨著 LPG 供應到主機，原管道內(nèi)的氮氣需要回流，此緩沖罐用來收集管道內(nèi)回流氮氣；當主機停止后，原到主機的管道內(nèi)的需要保持無 LPG，則需要通過氮氣將管道吹空，原管道內(nèi)的 LPG 需要回流，此緩沖罐則用來收集吹掃過程中回流的 LPG 。通過接入高壓氮氣，還可將緩沖罐內(nèi)收集的 LPG 輸送到 LPG 高壓泵的吸口管上重復利用。其容量按需吹掃管道的總?cè)莘e的3倍并加上回液容積來計算。

（3）雙聯(lián)濾器

為去除LPG燃料中的雜質(zhì)，避免堵塞噴油嘴，在LPG高壓泵的出口配置高壓雙聯(lián)精濾器。其過濾精度應滿足主機廠商的要求。

3.3" "LPG供氣系統(tǒng)的輔助系統(tǒng)選型與配置

根據(jù)LPG供氣系統(tǒng)的研究及選型可以得知，完整的LPG供給系統(tǒng)還需配置輔助與安全系統(tǒng)：1）N2氮氣吹掃系統(tǒng)；2）蒸汽加熱系統(tǒng)（或熱油系統(tǒng)）；3）海水冷卻系統(tǒng)；4）水乙二醇循環(huán)系統(tǒng)；5）噴淋系統(tǒng)；6）消防系統(tǒng)；7）安全監(jiān)控系統(tǒng)。這些輔助系統(tǒng)均需按系統(tǒng)要求、規(guī)范要求等進行計算，并根據(jù)計算結(jié)果進行選型配置。

3.4" "改裝對船體結(jié)構(gòu)的影響

改裝方案中對船體結(jié)構(gòu)的影響主要集中在新增的甲板LPG燃料罐上。新增的LPG燃料罐一般配置兩個馬鞍型的底座，其中一個為固定底座，一個為滑動底座。對應兩個底座位置，甲板反面需對反加強進行特殊考慮。一般通過對底座位置進行有限元分析計算對原有結(jié)構(gòu)進行補強。

罐體的重量一般不會超過船舶空船重量的1%所以一般無需重新進行全船應力分析。

4" " 結(jié)語

隨著航運業(yè)脫碳進程的加速，經(jīng)測算，全球10%近1萬艘大型商船適合改裝。這對修船廠及設備廠家是一個巨大的商機，但因為需同時面對IMO法規(guī)、船廠及設備廠家的產(chǎn)能以及資金需要的壓力，也讓大規(guī)模的改裝面臨多重挑戰(zhàn)。

全球最大的超大型氣體運輸船船東和運營商，BW LPG公司船隊的總運力超過了300萬立方米。在2022年，該公司全部的15艘VLGC完成改裝為LPG雙燃料船，并進入了運輸?shù)牡谝荒?。根?jù)該公司公布的信息，在2022年，這15艘LPG動力船加注了大約4.6萬噸LPG，節(jié)約了大約740萬美元的燃料成本。通過使用LPG作為燃料，還減少了大約27 000 t的碳排放，相當于減少了大約15%的二氧化碳排放量。此外，硫氧化物排放量也減少了99%，氮氧化物排放量減少了10%，超出了該公司滿足IMO 2020硫上限規(guī)定的最初目標。

從BW LPG公司LPG雙燃料船改裝的經(jīng)驗及成果，LPG船的雙燃料改裝將是低碳燃料改裝的熱點。因此對于LPG雙燃料改裝方案的研究將會進一步深入，從而對全球的低碳減排做出進一步的貢獻。

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