雙燃料發動機燃氣供給系統設計

唐 浩

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

隨著石油資源的日益枯竭，世界各國對廢氣排放法規的日益嚴格，液化天然氣（Liquefied Natural Gas,LNG）作為一種高熱值無污染的清潔能源越來越受到青睞，以LNG為代表的新能源在環保方面具有的獨特的優勢以及產生的環保效益已越來越顯著，其在船舶交通運輸領域的應用和推廣越來越廣泛[1]。

使用 LNG作為船舶燃料所產生的減排效果和環境效益非常顯著，能有效地減少溫室氣體排放，降低船舶的能效設計指數（Energy Efficiency Design Index, EEDI）。與使用常規燃油的發動機相比，雙燃料發動機的 CO2排放可減少≈20%～25%，硫氧化物和顆粒物的排放可降低≈100%，氮氧化物的排放可減少85%～90%[2]；此外，由于單位質量的LNG相比燃油具有更高的熱值，且當前LNG的價格比柴油低，使用LNG作為船舶燃料也可為船東帶來可觀的經濟效益。

目前，技術條件成熟的雙燃料發動機主要有二沖程低速機和四沖程中速機兩類機型。二沖程低速雙燃料發動機主要為德國MAN公司開發設計的ME-GI發動機，其他公司的相關產品仍在研發試驗中，尚未正式發布；對于四沖程中速雙燃料發動機，MAN和W?rtsil?都有相應的成熟產品，即DF發動機。由于MAN公司開發設計的ME-GI機所需配備的燃氣供給系統為高壓系統，其所需燃氣供給壓力高達30MPa，且燃氣處理系統的初始投入與日常維護成本均較高，該機型的發布時間不長，其配套的相關燃氣處理設備也處在研究開發中，雖然有很多公司聲明已具備提供高壓燃氣處理設備的能力，但其可靠性尚未得到市場的驗證，目前該機型尚未得到廣泛應用；而對于四沖程中速雙燃料發動機（下文簡稱DF發動機），在20世紀90年代就已得到廣泛應用，其所需的燃氣供給系統為低壓系統，燃氣供給壓力≈0.5MPa。

對于DF發動機而言，其燃料供給系統除需設置常規發動機所需的燃油供給系統外，還需增加一套LNG燃氣供給系統以及一套用于發動機點火的點火油供給系統[3～5]，即DF發動機的燃料供給系統由主燃油供給系統、點火油供給系統以及LNG燃氣供給系統這3套系統構成。對于DF發動機的主燃油供給系統，其設計與常規發動機的燃油供給系統相同，無特殊要求；對于點火油供給系統，其設計和相關設備的設置與常規發動機柴油供給系統的設計類似，且點火油必須采用柴油或輕柴油，該系統中的主要設備一般均由發動機制造商提供。

1 燃氣供給系統

燃氣供給系統的主要目的是向DF發動機提供滿足其使用需求的燃氣，在設計該系統時，需按照DF發動機的具體用氣要求來選擇合適的設備，使系統能夠產生具有合適溫度和壓力的燃氣供DF發動機使用。

根據MAN與W?rtsil?提供的有關資料，MAN的 DF發動機要求其燃氣閥組單元（GVU）進口處的燃氣壓力不低于0.5MPa，溫度在5～50℃范圍內[3]；而 W?rtsil?的 DF發動機則要求LNG燃氣壓力在進機時不低于0.55MPa，溫度在0～60℃范圍內[5]。上述數據均是以燃氣的低熱值（LHV）28MJ/Nm3為基礎而確定的，且 LNG的甲烷含量≥80%。若實際使用的 LNG低熱值高于28MJ/Nm3，則 DF發動機所需的燃氣供給壓力可有一定程度的減小。如圖1所示，該圖反映的是MAN的DF發動機在不同LNG低熱值下以及在不同負荷狀態下對其燃氣閥組單元（GVU）進口處的LNG壓力要求[3]。

圖1 不同燃氣低熱值和不同負荷狀態下DF發動機燃氣閥組單元進口所需的燃氣供給壓力

對于常規船舶而言，其燃氣的供給無法像LNG運輸船那樣可以使用來自液貨艙的蒸發氣（Boil-off Gas,BOG），其必須設置專用的LNG儲存艙以及相關燃氣處理設備，且由于LNG的使用，DF發動機的燃氣供給系統在設計過程中需考慮相關規范中對船舶安全使用LNG的相關要求，以確保DF發動機的安全運行。一套完整的LNG供給系統通常需要由燃氣儲存艙、燃氣加注系統、燃氣處理系統、LNG調節系統以及安全防護系統等主要部分構成。

2 燃氣儲存艙

目前采用最普遍且被認為是對于常規船舶最為合適的儲存艙形式為C型壓力罐，且LNG通常以液態的形式儲存在罐內。由于在常壓下LNG呈液態時的溫度≈-163℃，為滿足在低溫狀態下儲存LNG，C型壓力罐的材料通常需采用9%鎳鋼或不銹鋼；考慮到DF發動機正常工作時所需的燃氣供給壓力以及壓力罐的制造成本，C型壓力罐的設計壓力一般略高于發動機所需的最大燃氣供給壓力，通常取0.8MPa。

為阻礙外界熱量的過量傳入而造成罐內 LNG液體的不斷蒸發、防止空氣中的水分在罐體表面凍結以及避免罐體表面內外溫差過大而造成的罐體表面熱應力過高等一系列問題，C型壓力罐表面通常需要包一層300～400mm的絕緣材料。在此絕緣厚度下，LNG的蒸發率可控制在≈（0.35%～0.45%）/d；當所需的LNG罐體積較小時，也可采用雙層罐體的設計來取代罐體表面的絕緣層，該種儲存罐的設計由內外兩層罐體構成，內層罐體為采用耐低溫材料制成的承壓容器，類似于上述C型壓力罐，外層罐體為采用普通碳鋼制成的殼體，內外罐體之間被抽成真空，形成真空絕緣層，從而阻止外部熱量傳入罐內。由于真空層的傳熱系數相比一般絕緣材料要小的多，采用雙層罐的設計從絕緣效果上要好于上述在罐體表面包絕緣的單層C型壓力罐，但在相同容量下該種型式的燃料儲存艙在重量上以及制造成本上均要高于單層C型壓力罐。因此，選取何種形式的LNG儲存艙，要從船舶整體的重量控制、成本控制等諸多方面權衡考慮。

關于 LNG儲存艙在船上的安裝位置，需結合具體船型的布置特點、對船舶穩性的影響、防火分隔、危險區域劃分及LNG管路敷設的便利性等因素進行綜合考慮，同時還需滿足IGC Code（國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規范）以及IGF Code（天然氣動力船舶安全導則）中對燃料罐與舷側以及船底外板之間的距離要求。通常，將LNG儲存罐布置在開敞甲板以上，可省去相對其布置在封閉處所內所需設置的氣體探測、通風等系統等布置，是相對經濟的做法。

3 LNG加注系統

與常規液化氣運輸船的貨物加注系統類似，LNG加注系統主要由LNG加注站、LNG液體注入總管以及LNG蒸氣回收總管組成，且液體注入總管通常又分成底部注入管和頂部噴淋管分別進入燃料儲存艙（見圖2）。

圖2 LNG加注系統原理

在進行LNG加注時，LNG液體主要通過加注站由底部注入管進入燃料儲存艙內。在加注過程中，由于受到罐體的加熱作用，進入艙內的部分LNG液體會發生氣化，在艙內產生LNG蒸氣，為保證一定的燃料加注速度以及避免燃料儲存艙的超壓，艙內產生的LNG蒸氣將通過蒸氣回收總管排回至岸上燃料加注終端。

為防止在燃料加注過程中因LNG液體與燃料儲存艙本體的溫差過大而造成儲存艙本體內形成過大的熱應力，在設計LNG加注系統時，通常需在儲存艙內設置頂部噴淋管。在燃料加注前，要預先通過該頂部噴淋管將 LNG液體噴入艙內，對儲存艙本體進行預冷卻，且預冷的速度不宜過快，通常≤10℃/h；當儲存艙本體溫度降低到高于待注入LNG液體≈10～15℃時，才可打開底部注入管的閥門進行LNG燃料的注入。

對于常規船舶而言，其船體結構通常采用的是非耐低溫材料，如這些材料與 LNG液體發生直接接觸會發生低溫脆化從而造成船體結構的損壞。為避免LNG液體泄漏到船體結構，在LNG加注站法蘭連接處的底部需設置由耐低溫不銹鋼材料制成的集液盤，該集液盤上需設有可將 LNG泄漏液體直接排至舷外的管路；在此基礎上，為進一步保護船體結構，在 LNG燃料加注站的底部還需設置一根海水噴淋管，該噴淋管可與消防總管或專門設置的噴淋海水總管相連，在其管壁上沿長度方向開有均勻分布的噴淋孔，噴淋管的長度以能夠最大限度保護可能會被泄漏的LNG液體直接接觸的船體區域為宜。當進行LNG液體加注時，該噴淋管可由消防總管或噴淋海水總管提供海水，沿長度方向從噴淋孔中噴出海水，在加注站底部形成一道水幕，從而阻礙因LNG液體意外泄漏并與船體結構直接接觸。

根據相關規范以及操作需求，在燃料注入總管和蒸氣回收總管上需設置以下設施（見圖2）：

1) 在靠近加注站連接法蘭處以及進入燃料儲存艙之前的管段上均需設置應急切斷閥，該閥在應急情況下可在LNG加注控制處所或其它安全區域進行遙控關閉[6]；

2) 惰性氣體接口，用于管路的惰化和驅氣，以及LNG加注結束后對液體注入管路的掃線；

3) 壓力表和壓力傳感器，用于就地壓力指示以及遠程壓力監控；

4) 壓力釋放閥，用于管路的超壓釋放[6]；

5) LNG燃料注入管路上需設置泄放接口，用于燃料加注結束后對加液管路內殘余液體的泄放。

此外，為便于在LNG燃料加注過程中以及系統正常運行時對燃料儲存艙以及艙內LNG的相關狀態進行監測和控制，對LNG儲存艙需設置以下設施（見圖2）：

1) 兩只排量大致相同的壓力釋放閥，用于儲存艙的超壓釋放[6,7]；

2) 可對儲存艙內上、中、下三個位置處的LNG進行取樣檢測的接口；

3) 壓力、溫度、液位、溢流報警等相關監測設施；

4) 感溫元件，用于監測儲存艙罐體表面絕緣層的保溫性能。

4 燃氣處理系統

燃氣處理系統的主要任務是將LNG儲存罐內的液體燃料轉變為具有合適溫度和壓力的燃氣供DF發動機使用。在設計該系統時，核心問題是采用合適的方法將 LNG液體轉變為具有一定壓力和溫度的氣體。目前，對于DF發動機，比較成熟的燃氣處理系統主要有兩種設計方案（見圖3、4）。

圖3所示為僅采用蒸發器的無泵型方案，LNG液體主要通過升壓蒸發器和主蒸發器轉變為氣體。該方案的主要工作原理如下：當 LNG液體加注完成后，升壓蒸發器進出口處的自動控制閥打開，儲存艙內的LNG液體在重力的作用下由底部管路流向升壓蒸發器，經加熱介質加熱后形成氣體并返回儲存艙內；由于燃氣在儲存艙頂部的不斷聚集，儲存艙內部壓力將不斷升高，通常需將該壓力升高到略高于DF發動機所需的燃氣壓力（≈0.6MPa）；當儲存艙內的壓力升高到預定值后，升壓蒸發器進出口處的自動控制閥將關閉；當DF發動機需要使用燃氣時，主蒸發器進口處的自動控制閥將打開，LNG液體在重力和艙內壓力的作用下由儲存艙底部流向主蒸發器，經加熱介質加熱后形成具備預定壓力和溫度的燃氣，經緩沖罐穩壓后通過燃氣主閥供向DF發動機的燃氣閥組單元（GVU）。隨著儲存艙內LNG液體的不斷消耗，艙內蒸氣壓力將隨之下降，當艙內壓力降低到一定值時，升壓蒸氣器將會再次投入運行，用于補償艙內壓力的降低，確保供氣壓力的穩定；當艙內壓力回升到預定值后，升壓蒸發器停止工作，升壓蒸發器的自動運行和停止是通過設置在儲存艙內的壓力傳感器以及其進出口處的自動控制閥來實現的。

圖3 僅采用蒸發器的無泵型LNG燃氣處理系統

圖4 有泵型LNG燃氣處理系統

圖4為采用燃料供給泵、燃氣蒸發器以及燃氣加熱器相組合的有泵型方案。該方案與上述無泵型方案的主要區別為：無泵型方案需要通過升壓蒸發器在燃料儲存艙內建立一定的蒸氣壓力來確保燃氣供給壓力的穩定，而有泵型方案則是通過燃料供給泵對 LNG液體直接進行加壓來達到該目的，即有泵型方案對艙內蒸氣壓力無要求。該方案的主要工作原理如下：當DF發動機需要使用燃氣時，燃料供給泵將開啟運行，燃料儲存艙內的LNG液體由底部管路經燃料供給泵抽吸加壓到預定壓力，升壓后的LNG液體先進入燃氣蒸發器經加熱介質加熱蒸發轉變為蒸氣，該蒸氣在燃氣加熱器中被進一步加熱到滿足DF發動機使用需求的溫度，該達到預定壓力和溫度的燃氣經緩沖罐穩壓后通過燃氣主閥供向 DF發動機的燃氣閥組單元（GVU）。為避免因液體燃料的不斷消耗而造成燃料艙內形成負壓，在燃氣蒸發器出口設有連接至儲存艙頂部的蒸氣管，可在艙內壓力過低時將燃氣蒸發器產生的部分 LNG蒸氣回流至儲存艙內，使艙內維持一定的蒸氣壓力；此外，在燃料供給泵出口設有連接至燃料加液總管的管路，可通過該管路將 LNG液體由頂部噴淋管噴入艙內，對儲存艙執行冷艙操作。

為防止加熱介質在加熱 LNG過程中發生凍結，對于上述兩種方案中的燃氣蒸發器和加熱器，通常均采用乙二醇水的混合溶液作為其中間加熱介質，而乙二醇水則通過換熱器由船上通常設置的蒸汽加熱系統或熱油加熱系統進行加熱。

此外，考慮到系統運行的安全性以及滿足相關操作要求，上述系統中的管路上需設置如下設施：

1) 惰性氣體與透氣的相關接口以及相關自動控制閥，用于管路的透氣、驅氣以及惰化等操作；

2) 防止管路超壓的壓力釋放閥；

3) 溫度傳感器和壓力傳感器，用于監測管路中LNG液體和氣體的壓力和溫度，為DF發動機的安全控制系統提供必要的燃氣參數。

5 燃氣調節系統

根據圖1所示，DF發動機在不同負荷下對燃氣進機壓力有著不同的要求，其所要求的燃氣進機壓力與發動機負荷成線性關系。為能夠將來自 LNG處理系統的燃氣實時調節到發動機實際所需的燃氣壓力，在燃氣進DF發動機之前需設置燃氣調節系統。由于燃氣調節系統與DF發動機在燃氣模式下的運行控制密切相關，該系統一般均由DF發動機制造商配套提供，且通常被稱作燃氣閥組單元（GVU）。

根據相關規范中對燃氣供給系統的有關要求，為實現DF發動機在燃氣使用過程中的安全操作，除設有燃氣壓力調節設施外，在燃氣調節系統中通常還需設有“互鎖和透氣”閥組單元（“Double block and bleed”valve）、惰性氣體接口以及相關控制儀表。

圖5為MAN為其DF發動機所配套的GVU單元的原理，該GVU單元主要由手動截止閥V-01、燃氣濾器FIL-01、燃氣流量計FQ-01、自動透氣閥SOV1、壓力控制單元PCV-01、“互鎖和透氣”閥組單元（由快速切斷閥QSV-01、QSV-02和自動透氣閥SOV2、SOV3、SOV4構成）、惰性氣體及壓縮空氣接口以及相關溫度、壓力控制儀表組成。

圖5 GVU單元系統原理

手動截止閥V-01主要用于手動切斷GVU單元的燃氣供給以及當GVU單元需要檢修時與上游管路的隔離；惰性氣體接口“F”的主要作用是當GVU單元需要進行檢修時向系統燃氣管路提供驅氣和惰化用的惰性氣體；燃氣濾器FIL-01主要用于對來自上游管路的燃氣進行過濾，防止燃氣中的雜質影響下游管路中安全控制設備的正常工作，且燃氣濾器進出口的燃氣壓力降由壓差表進行監測；燃氣流量計FQ-01用于對DF發動機的燃氣消耗量進行測量；自動透氣閥SOV1用于GVU單元停止工作后將壓力控制單元上游燃氣管路內的有壓燃氣釋放至大氣以及在系統執行驅氣或惰化操作時將該段管路內的氣體釋放至大氣；壓力控制單元PCV-01的主要作用是根據DF發動機控制系統發來的壓力控制信號對供給DF發動機的燃氣壓力進行調節，確保燃氣壓力在DF發動機各負荷下均高于增壓空氣壓力某一設定值，實現燃氣壓力的實時調節和準確控制，并在下游管路內的燃氣壓力相對于發動機所需的壓力值過高時切斷燃氣供給，實現DF發動機的安全保護；“互鎖和透氣”閥組單元的主要作用是：當DF發動機由燃氣模式切換到燃油模式或在燃氣模式下應急停車時，快速切斷發動機的燃氣供給，將封閉在快速切斷閥與DF發動機之間燃氣管路內的有壓燃氣釋放到大氣中，并用惰性氣體對燃氣供給管路進行吹掃，實現對DF發動機燃氣供給的安全控制。

此外，為實現對燃氣狀態的監測與控制，GVU單元內還設有燃氣溫度和壓力的就地指示以及相關傳感器，傳感器的輸出信號將輸送至DF發動機的安全控制系統，為DF發動機在燃氣模式下的安全運行提供必要的輔助信息。

為確保燃氣供給系統能夠對DF發動機在燃氣運行模式下的負荷變化做出快速響應，GVU單元出口至DF發動機燃氣進口之間的燃氣供給管路應盡可能地短，且該段管路在設計過程中應盡量做到壓力損失的最小化。MAN DF發動機要求該段管路長度≤20m，而W?rtsil? DF發動機的要求則更高，須≤10m。鑒于上述要求，在設計DF發動機的燃氣供給系統時，需將GVU單元盡可能地靠近DF發動機布置。

6 安全防護措施

為降低船舶建造的初期投入成本，對于采用DF發動機的船舶而言，其機艙通常設計成氣體安全型機艙，即機艙內的輔助設備與采用常規發動機的船一樣，無防爆要求。由于 LNG在機艙內的使用，在進行燃氣供給系統的設計時，需對封閉處所內的相關燃氣處理設備以及燃氣管路采取適當的安全保護措施，以確保機艙具有足夠的氣體安全性。

根據氣體安全型機艙的設計要求，GVU單元通常不能直接布置于機艙內，必須采取適當的措施將其與機艙隔離開。對于MAN DF發動機所配套的GVU單元，由于單元內的燃氣管路均為單壁管設計，且閥門附件也未采用相關措施進行封閉，其要求在機艙以外設置獨立房間用于GVU單元的布置，且該房間被作為危險區域處理，房間內的相關電氣設備需按危險區域1（Zone 1）的相關要求進行設置[8]；而對于W?rtsil? DF發動機所配套的GVU單元，其采用氣密外殼將整個閥組單元封閉起來，GVU單元的所有電氣設備均設置在氣密外殼以外，且相關手動操作閥門的閥桿也延伸至氣密外殼以外。采用該種型式的設計，在正常操作過程中可保持氣密外殼處于密閉狀態，整個GVU單元氣密外殼以外可被認為是安全區域，該氣密外殼與上述采用獨立房間的設計類似，可被認為是GVU單元與機艙的有效分隔，因此采用該種設計的GVU單元可直接布置在機艙內。無論采用何種型式的GVU單元，對GVU單元房間或GVU單元內部空間均需設置有效的通風，并設置可燃氣體探頭，以防止燃氣意外泄漏在上述空間內的積聚以及能對上述空間內的可燃氣體含量進行持續的監測。

同樣，根據氣體安全型機艙的設計要求，對布置在機艙內或者封閉處所內的燃氣供給管路需采用雙壁管或將其布置在持續通風的管道內。目前，應用最為普遍的方案為采用雙壁管，且對雙壁管的內外管間空間設置有效的通風并設置可燃氣體探頭。

圖6為MAN 針對其DF發動機的燃氣供給系統所建議采取的安全防護措施布置指導圖。結合該圖以及相關規則規范中對氣體安全型機艙的設計要求，在進行DF發動機的LNG供給系統的設計時，需重點考慮以下安全防護措施：

1) 通風系統的設計應確保被通風空間內無通風死角,以避免因意外泄漏的LNG在此類區域的積聚；

2) 機艙內應始終保持一定的正壓，其內部氣壓應至少高于雙壁管的內外管間空間以及GVU房間內的氣壓25Pa，其通風機的設置應滿足任何一臺通風機的失效不應造成整個機艙通風系統的通風能力降低超過50%；

3) 對雙壁管的內外管間空間以及GVU房間應設置獨立機械抽風，使其始終保持一定的負壓，機械抽風的總容量應≥30次/h，且系統中需設有備用抽風機；

4) 上述通風機的進出口均需設置壓差開關，任意一臺通風機進出口壓差低時可在監測報警系統中發出報警并控制DF發動機的安全控制系統做出相應保護動作；

5) 在機艙與 GVU房間之間、機艙與雙壁管的內外管間空間之間、GVU房間與外界大氣之間需設置壓差開關，通過監測各通風處所間的空氣壓差來反映通風系統的運行狀態是否正常，當壓差開關檢測到壓差低時，可在監測報警系統中發出對應處所間的壓差低報警并控制DF發動機的安全控制系統做出相應保護動作；

6) 雙壁管的內外管間空間以及GVU房間通風系統的進風口需設置在氣體安全區域，其進風管和排出管上需設有能夠自動關閉的防火風閘，且進風口和排風口上需裝有孔徑≤13mm的金屬防火網；

7) 機艙、雙壁管的內外管間空間以及GVU房間內需設置能夠連續監測燃氣泄漏的固定式可燃氣體探測系統，并根據相應設定值發出聲光報警以及控制DF發動機的安全控制系統做出相應保護動作。以設置單臺DF發動機的船為例，其機艙通常至少需要設置4只氣體探頭，2只布置在DF發動機上方，2只布置在通風排出管道內；每段雙壁管的內外管間空間內需設置2只氣體探頭；GVU房間內頂部需設置2只氣體探頭；GVU房間排風系統的排出管道內也需設置2只氣體探頭；

8) GVU房間抽風機的驅動電機不應安裝在通風管道內，即該風機需采用離心式風機；

9) GVU房間抽風系統的排出口應使氣體向上排放至開敞區域并遠離著火點，且其所處位置與其它安全處所的通風進風口和開口的水平距離應為6m（IGC Code中要求該距離為10m）。

圖6 燃氣供給系統安全防護設施布置

7 結 語

由于傳統燃油價格的日益高漲以及各國環保法規的日益嚴格，采用雙燃料發動機作為船舶動力已成為當今新船型開發過程中所關注的焦點。當前，采用雙燃料發動機作為船舶動力還處于發展階段，對雙燃料船舶的設計仍處于不斷摸索和完善的階段，對雙燃料發動機燃氣供給系統的設計仍有一些問題需要做進一步的研究和探討，希望能給從事雙燃料動力船舶設計的相關人員提供一些借鑒。

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[2] Dr. Pierre C. Sames(GL), Mr. Niels B. Clausen, Mr. Mads Lyder Andersen. Costs and Benefits of LNG as Ship Fuel for Container Vessels[R]. MAN Diesel & Turbo, 2012.

[3] MAN Diesel & Turbo. Project Guide for 51/60 DF Engine[S]. 2013.

[4] MAN Diesel & Turbo. Safety Concept for Dual Fuel Engine[S]. 2011.

[5] WARTSILA. Project Guide for 50 DF Engine[S]. 2012.

[6] IMO. Interim Guidelines on Safety for Natural Gas-Fuelled Engine Installations in Ships[S]. 2009.

[7] IMO. International Code for Construction and Equipment of Ship Carrying Liquefied Gases in Bulk[S]. 2006.

[8] IEC 60092-502:1999. Electrical Installation in Ships- Part 502: Tankers-Special features[S]. 1999.