雙燃料動力船舶燃氣雙層管系統(tǒng)設(shè)計

許新啟，黃慶雷，劉李峰

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

0 引言

為滿足日益嚴格的國際海事組織(IMO)船舶廢氣排放法規(guī)要求，天然氣雙燃料船舶以其綠色、環(huán)保的顯著優(yōu)勢，得到逐步發(fā)展。我國近年來為大力發(fā)展“綠色能源”，針對內(nèi)河船舶開展“油改氣”試點研究工程，但主要內(nèi)容還是中小型內(nèi)河船舶的加裝改造。大型遠洋雙燃料動力船舶的設(shè)計、建造，目前國內(nèi)外尚處在起步發(fā)展階段，亟需進一步研究，形成技術(shù)儲備[1]。

因天然氣具有易燃、易爆、易泄露的特性，為保證位于船舶機艙等安全區(qū)域的主要燃氣動力設(shè)備(包括主機、發(fā)電機、鍋爐)安全可靠地運行，其燃氣管路均采用雙層管設(shè)計方案，即燃氣雙層管內(nèi)管輸送天然氣燃料，外管實時通風(fēng)或?qū)崟r通入惰性氣體，從而可以避免燃氣內(nèi)管泄漏等故障產(chǎn)生的危險[2]。燃氣雙層管系統(tǒng)設(shè)計是雙燃料動力船舶設(shè)計、建造的關(guān)鍵技術(shù)，目前國內(nèi)外尚無成熟的技術(shù)方案可供參考。

本文結(jié)合實船項目設(shè)計方案，分別從高壓主機燃氣雙層管(曼恩高壓雙燃料主機，燃氣設(shè)計壓力30 MPa)和低壓發(fā)電機(瓦錫蘭低壓雙燃料發(fā)電機，燃氣設(shè)計壓力1 MPa)、鍋爐燃氣雙層管系統(tǒng)兩方面進行闡述，詳細介紹燃氣雙層管設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)以及試驗方法，為雙燃料動力實船項目燃氣雙層管系統(tǒng)設(shè)計及試驗提供參考與借鑒。

1 主機高壓燃氣雙層管系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)介紹

目前市場上主機燃氣系統(tǒng)主要分為高壓燃氣系統(tǒng)和低壓燃氣系統(tǒng)，其中ME-GI主機高壓燃氣系統(tǒng)內(nèi)管設(shè)計壓力達到33 MPa，因此為防止高壓燃氣泄漏至機艙安全區(qū)劃，機艙內(nèi)的燃氣管路采用雙層管設(shè)計[3]。如此高的設(shè)計壓力，對整個高壓系統(tǒng)設(shè)計、管路的材質(zhì)、加工工藝及試驗等方面都有很高的要求。以下對該高壓系統(tǒng)進行詳細分析說明。

高壓雙層管系統(tǒng)原理見圖1。高壓燃氣經(jīng)高壓泵增壓后，依次通過高壓加熱器、燃氣主控制閥、主機燃氣閥組單元(簡稱“GVT”)，穿過隔艙連接到主機。當(dāng)主機由燃氣模式切換為燃油模式時，燃氣自主機引出，通向消音器、通風(fēng)桅，將已進入高壓雙層管系統(tǒng)但未燃燒的燃氣及時釋放，保證機艙的安全。同時，在系統(tǒng)中設(shè)置了排風(fēng)機對外管進行強制通風(fēng)，以避免因故障而泄漏的燃氣在外管中積聚，并將吸風(fēng)口和排風(fēng)口設(shè)置在上甲板安全區(qū)劃，從而滿足了雙層管通風(fēng)系統(tǒng)要獨立于其他通風(fēng)系統(tǒng)的規(guī)范要求。主機高壓燃氣雙層管的管材，可根據(jù)廠家的推薦，選用雙相不銹鋼、超級雙相不銹鋼或相當(dāng)?shù)母邚姸炔馁|(zhì)。

1.1.1 主機燃氣內(nèi)管系統(tǒng)

燃氣經(jīng)過主機燃氣閥組單元后，然后供氣給主機使用。主機燃氣閥組單元包括濾器、手動操作閥、互為自鎖的2個截止閥和透氣閥。

圖1 高壓雙層管系統(tǒng)原理圖

當(dāng)主機由燃氣模式向燃油模式轉(zhuǎn)變時，剩余燃氣經(jīng)過消音器等向大氣排放。

若出現(xiàn)主機或主機燃氣閥組單元內(nèi)部燃氣管進行維護、拆解的情況，重新裝配完成以后，需要再次進行密性試驗。方法是利用主機增壓泵對內(nèi)管進行加壓，增壓泵增壓的同時需將消音器前的高壓透氣閥門關(guān)閉。

1.1.2 主機燃氣外管系統(tǒng)

主機燃氣外管需進行實時通風(fēng)，以便能夠保證在燃氣內(nèi)管泄露的故障情況下及時排出泄露的燃氣。通風(fēng)的方式是在通風(fēng)出口管路上安裝離心式排風(fēng)機。風(fēng)機進口處安裝可燃氣體探測器，用于檢測雙壁管的環(huán)形空間內(nèi)有無燃氣泄漏。如檢測到的燃氣含量超過設(shè)定值，將切斷燃氣，轉(zhuǎn)成燃油運行。從安全角度考慮，燃氣外管通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計需注意以下幾點：

(1)雙層管的吸口空氣必須滿足低于一定露點的要求。

(2)出于安全方面的考慮，在吸口設(shè)置了氣體探測器。

(3)為確保充分的通風(fēng)，在通風(fēng)管路進口處安裝了流量開關(guān)，用于檢測進口處的通風(fēng)量。如果燃氣雙層管發(fā)生風(fēng)機故障或其他意外情況，通過該流量開關(guān)檢測到的通風(fēng)量小于設(shè)定值，燃氣運行即時被切斷，轉(zhuǎn)成燃油運行。

(4)在雙層管風(fēng)機進口設(shè)置減壓閥，使得內(nèi)管泄漏時產(chǎn)生的高壓及時泄放，防止破壞外管風(fēng)機。

(5)為便于船上進行必要的密性試驗，還設(shè)計了進口閘閥和自動控制閥，同時配有壓縮空氣接口。當(dāng)外管需要進行密性試驗時，可將壓縮空氣接管相連，并關(guān)閉風(fēng)機進口閘閥及吸氣進口閘閥。考慮到進行外管密性試驗時，內(nèi)管需注意保持一定的壓力，如果內(nèi)管沒有壓力，此時進口閘閥的旁通自動控制閥自動開啟[4]。

1.2 高壓燃氣雙層管規(guī)格確定

高壓燃氣雙層管的設(shè)計壓力及壁厚是燃氣雙層管的關(guān)鍵規(guī)格，下文結(jié)合實船項目經(jīng)驗重點詳細闡述其壓力及壁厚的計算及確定方法。

1.2.1 管系設(shè)計壓力

燃氣高壓雙層管的內(nèi)管設(shè)計壓力根據(jù)主機燃氣的設(shè)計壓力要求決定。外管設(shè)計壓力考慮以下兩個因素，并最終依據(jù)下述兩者中較大壓力來決定。

(1)最大累積壓力：供氣管路破裂時，氣體在外管內(nèi)流動產(chǎn)生的靜壓。

(2)內(nèi)管破裂時外管局部瞬時峰值壓力，可以通過以下公式獲得。

P1=P0(2/(K+1))K/(K-1)

(1)

式中：P1為內(nèi)管破裂時外管局部瞬時峰值壓力；P0為內(nèi)管最大工作壓力；K=CP/Cv(Cp為定壓比熱，Cv為定容比熱)，對于天然氣(CH4)，K=1.31。

1.2.2 管系壁厚計算

1.2.2.1 內(nèi)管壁厚

參照英國勞氏船級社 IGF code規(guī)范，內(nèi)管壁厚t應(yīng)不小于按下式計算所得之值。

t1=(t0+b+c)/(1-a/100)

(2)

式中：t0為理論厚度，t0=P2D1/(20σe+P)；P2為設(shè)計壓力，MPa。D1為內(nèi)管管子外徑，mm。σ為許用應(yīng)力，MPa。e為效率系數(shù)。b為彎曲余量，mm。c為腐蝕余量，mm。a為制造負公差厚度，%。

1.2.2.2 外管壁厚

外管的壁厚計算參考規(guī)范要求。當(dāng)外管泄漏時，直管承受上述內(nèi)管最大工作壓力時，其切向膜應(yīng)力(σθ)應(yīng)不超過Rm/1.5。所有其他管件的壓力等級所反映的強度水平應(yīng)和直管相同。

σθ=(P2(D2-2t2)/(2t2))<(Rm/1.5)

(3)

式中：D2為外管管子外徑，mm；t2為壁厚，mm；Rm為拉伸強度，MPa。

2 主機高壓燃氣雙層管壓力試驗

高壓燃氣雙層管壓力試驗用于檢測系統(tǒng)設(shè)計及其安全性，以確保整個系統(tǒng)能夠滿足設(shè)計壓力條件。 壓力試驗主要包括內(nèi)、外管試驗壓力的確定，壓力試驗用介質(zhì)及試驗工藝三個方面。

2.1 內(nèi)外管試驗壓力

根據(jù)實際項目經(jīng)驗內(nèi)外管試驗壓力試驗方法同常規(guī)做法，取1.5倍設(shè)計壓力。

2.2 壓力試驗的介質(zhì)

根據(jù)主機廠家的要求，壓力試驗的介質(zhì)為蒸餾水，同時要求在壓力試驗結(jié)束后，需要對整個管路進行干燥空氣的通風(fēng)，以確保所有的水分能夠從管系中吹出。

2.3 試驗方案的確認

除主機及其燃氣閥組單元內(nèi)部，內(nèi)外管均使用對接焊。根據(jù)實船項目經(jīng)驗，需要重點解決水壓試驗泵如何與管路相連的問題。經(jīng)過多次研討，最終確認在主機及燃氣閥組單元連接處，設(shè)置臨時法蘭和水壓試驗泵相連。當(dāng)水壓試驗后，切除臨時法蘭，再和主機及燃氣閥組焊接，從而能夠確保焊縫盡可能被試驗到。

3 發(fā)電機和鍋爐低壓燃氣雙層管設(shè)計

相比ME-GI主機33 MPa的高壓系統(tǒng)，發(fā)電機、鍋爐則采用低壓燃氣供氣系統(tǒng)，燃氣壓力大約為1 MPa。同高壓燃氣系統(tǒng)一樣，為防止燃氣泄漏至機艙安全區(qū)劃，機艙內(nèi)的低壓燃氣管路也采用雙層管設(shè)計。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成介紹

低壓燃氣內(nèi)管系分為2路：一路給發(fā)電機供氣，另一路給鍋爐供氣。按照發(fā)電機及鍋爐廠家的要求，透氣管無需雙層管設(shè)計，此點與主機的設(shè)計不同。主機透氣管壓力很高，達到了33 MPa，即使氮氣吹掃，也會有燃氣殘留；而發(fā)電機和鍋爐燃氣系統(tǒng)為低壓系統(tǒng)，氮氣吹掃過后，可以將燃氣基本吹出。所以，發(fā)電機和鍋爐的透氣管使用單層管設(shè)計。此外，對于發(fā)電機、鍋爐雙層管的管材，根據(jù)廠家的推薦，內(nèi)管采用SUS316L，外管采用普通碳鋼。

3.1.1 發(fā)電機燃氣內(nèi)層管系統(tǒng)

燃氣經(jīng)過發(fā)電機燃氣閥組單元進行壓力調(diào)整后，供氣給發(fā)電機使用。發(fā)電機燃氣閥組單元包括手動操作閥、濾器、互為自鎖的2個截止閥和透氣閥、質(zhì)量流量計和控制閥。當(dāng)發(fā)電機開始運行時，2個截止閥處于開的狀態(tài)，透氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)。發(fā)電機自帶透氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，燃氣管路開始給發(fā)電機供氣。當(dāng)發(fā)電機燃氣停止用氣時，2個截止閥均處于關(guān)閉狀態(tài)，透氣閥處于開啟狀態(tài)，此時燃氣儲存在內(nèi)管中。發(fā)電機只在主燃氣閥關(guān)閉、雙層管通風(fēng)不良、燃氣閥組單元維護階段等情況下，進行氮氣吹掃。

發(fā)電機氮氣吹掃分為2路：

(1)主燃氣閥和第1個截止閥之間，此路由供氣系統(tǒng)控制單元控制。

(2)發(fā)電機燃氣閥組單元第2個截止閥和透氣閥之間，此路由發(fā)電機控制。每臺發(fā)電機透氣管和燃氣閥組單元的透氣管相連到1根透氣總管上，再通往大氣中。

3.1.2 鍋爐燃氣內(nèi)層管系統(tǒng)

燃氣經(jīng)過鍋爐燃氣閥組單元調(diào)整后，供氣給鍋爐使用。鍋爐燃氣閥組單元由手動操作閥、濾器、質(zhì)量流量計、控制閥、互為自鎖的2個截止閥和透氣閥組成。

當(dāng)鍋爐開始運行時，2個截止閥處于開啟狀態(tài)，透氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)鍋爐停止用氣時，2個透氣閥處于開啟狀態(tài)，截止閥處于關(guān)閉狀態(tài)，氮氣進行吹掃。氮氣吹掃分為兩路：

(1)主燃氣閥和燃氣閥組單元的第1個截止閥之間。

(2)2個截止閥閥門之間。第2個截止閥和鍋爐之間的燃氣直接供給鍋爐，直至燃燒完畢。

3.2 發(fā)電機及鍋爐外層管設(shè)計

從安全角度考慮，同時結(jié)合規(guī)范要求，燃氣雙層管外管配有風(fēng)機通風(fēng)，并在每臺發(fā)電機、鍋爐總管及燃燒器上都設(shè)置進風(fēng)口。空氣進入管路后，通過發(fā)電機燃氣閥組單元出口、鍋爐燃氣閥組單元出口，連接到位于上層甲板的外層管風(fēng)機的進口，經(jīng)過風(fēng)機再排到大氣中。為檢測是否有燃氣異常泄露，在每個進風(fēng)口附近及風(fēng)機出口設(shè)置了氣體探測器。

發(fā)電機廠家推薦每個發(fā)電機用單獨的風(fēng)機從機艙外抽風(fēng)，再排到大氣中。實船項目中最終采用外層管設(shè)計是從機艙內(nèi)抽風(fēng)，再排到大氣中，同時所有發(fā)電機及鍋爐共用一個外層管系統(tǒng)。從機艙內(nèi)抽風(fēng)，并在抽風(fēng)口增加止回閥，再排到大氣中，此設(shè)計能滿足規(guī)范要求的雙層管通風(fēng)的進口要安裝在非危險區(qū)域，遠離點火點。此設(shè)計不僅節(jié)省了成本，如減少了風(fēng)機數(shù)量及風(fēng)管長度等，同時也為機艙布置節(jié)省了空間。此外，結(jié)合實船項目經(jīng)驗，該通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計方式能夠有效解決多個通風(fēng)管路風(fēng)量分配的難題，在實船項目上得到很好的驗證。

4 發(fā)電機和鍋爐燃氣雙層管壓力試驗

發(fā)電機和鍋爐燃氣雙層管內(nèi)外管的壓力試驗是驗證雙層管設(shè)計壓力及密性的關(guān)鍵。試驗的介質(zhì)為蒸餾水，試驗壓力取1.5倍設(shè)計壓力。關(guān)于水壓試驗泵和管路連接方式，采用的是與高壓雙層管試驗相同的方法，即在發(fā)電機、鍋爐的燃氣閥組單元進口設(shè)置臨時法蘭，對管線中大部分焊縫進行壓力試驗后，切除臨時法蘭，然后和發(fā)電機、鍋爐的燃氣閥組單元對接[5]。

經(jīng)實際項目試驗驗證，低壓發(fā)電機、鍋爐燃氣雙層管內(nèi)外管系統(tǒng)包括管路焊接處均能夠長時間保持一定的試驗壓力，試驗結(jié)果良好。

5 結(jié)論

本文結(jié)合某全球首制雙燃料動力汽車運輸船的實船項目經(jīng)驗，針對主機高壓燃氣與發(fā)電機、鍋爐低壓燃氣系統(tǒng)的不同特性，本著確保燃氣系統(tǒng)及其動力設(shè)備安全可靠運行的原則，主要從以下幾方面提出并詳細闡述了燃氣雙層管系統(tǒng)設(shè)計及試驗方案：

(1)高、低壓燃氣雙層管系統(tǒng)總體設(shè)計及詳細系統(tǒng)構(gòu)成，包括燃氣系統(tǒng)內(nèi)管供給、透氣，以及燃氣外管強制通風(fēng)的系統(tǒng)設(shè)計原理；系統(tǒng)構(gòu)成中的燃氣控制及安全的關(guān)鍵環(huán)節(jié)包括燃氣閥組控制單元的構(gòu)成及功能，以及強制通風(fēng)系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理。

(2)高壓燃氣雙層管內(nèi)、外管規(guī)格的計算方案，主要闡述了內(nèi)、外管的系統(tǒng)壓力及壁厚兩大關(guān)鍵規(guī)格的計算及決定方法，是內(nèi)、外管實船管路規(guī)格包括管路材質(zhì)選用的基礎(chǔ)。因低壓管內(nèi)外管規(guī)格計算相對簡單，本文未進行論述。

(3)高、低壓燃氣雙層管內(nèi)、外管壓力試驗方案及工藝包括內(nèi)、外試驗壓力的決定，壓力試驗用介質(zhì)的選擇，以及具體試驗工藝的選用，為實船項檢驗燃氣內(nèi)、外管能夠安全可靠運行提供了參考解決方案。

在全球范圍內(nèi)日益重視環(huán)境保護、推廣使用清潔能源的背景下，傳統(tǒng)的燃油燃料正被液化天然氣等清潔燃料逐步代替，采用雙燃料動力作為目前船舶行業(yè)可行的實船項目方案，也必然會逐步成為未來的發(fā)展趨勢。