FSRU 雙燃料主機燃料氣系統設計

趙 烈，羅東浩

（1.惠生海洋工程有限公司，上海 201210；2.廣州中船文沖船塢有限公司，廣州511462）

1 引言

隨著天然氣的市場需求日益增大，客戶對于投資建造FSRU（浮式儲存再氣化裝置）的意愿也日益增強。FSRU 上使用天然氣作為主要燃料有著天然的優勢。首先，在FSRU 上獲取天然氣極為方便，BOG（貨罐自然蒸發氣）即可作為燃料氣，外輸的天然氣又可作為有效的補充。使用BOG 作為燃料也是處理BOG 最經濟的手段之一；另外，天然氣價格相比燃油更加低廉，可有效降低FSRU 的運營費用；同時，天然氣是一種清潔能源，不含硫和其它雜質，氮氧化物相比燃油也大大降低，可以滿足Tier III 標準。

盡管使用燃料氣作為發動機燃料有著許多的優點，但由于天然氣是易燃易爆氣體，具有較大的風險。雙燃料發動機自問世以來，在船舶上運用的案例還不多見，本文結合《國際散裝液化氣運輸船規則》(IGC Code)、BV 船級社規范及實船項目EXMAR FSRU，介紹燃料氣供給系統的設計過程和原理，可作為類似項目的參考。為滿足排放標準和經濟性，目前很多新建和改裝的散貨船、集裝箱船也開始使用LNG (液化天然氣)作為燃料，其燃料氣系統與FSRU 燃料氣系統大致相似，也可參考本文的設計方法。

2 FRSU 燃料氣系統流程

2.1 系統流程

LNG 貨物泵從貨罐抽取LNG 輸送至冷凝器，同時LNG 貨罐產生的BOG 經壓縮機壓縮升壓后，一部分作為燃料氣輸送至燃料氣加熱器、燃料氣緩沖罐供雙燃料主機使用，多余的BOG 被輸送至冷凝器與LNG 混合后冷凝為LNG。冷凝器內的LNG 經高壓輸送泵至氣化器氣化為0 ℃的高壓天然氣后，通過流量計、管匯外輸至終端市場。當BOG 的量小于燃料氣的消耗量時，由外輸氣主管分配部分天然氣至燃料氣管線作為補充。

2.2 設備布置

見圖1。

3 工藝模擬及計算

3.1 燃料氣組分模擬

根據建造規格書，從FSU(浮式儲存裝置)或LNG運輸船（LNGC）裝載至FSRU 貨罐的LNG 組份，如表1 所示。使用工藝流程模擬軟件HYSYS，根據Peng-Robinson 公式模擬貨罐壓力為10kPaG 飽和蒸汽壓時得到BOG 的組份，見表2。根據流程圖可知，燃料氣組份與BOG 組份一致。

表1 LNG 組份

表2 BOG 組份

3.2 燃料氣消耗量計算

EXMAR FSRU 選用了4 臺瓦錫蘭9L34DF 雙燃料主發電機，最大外輸工況時需4 臺主發電機同時工作，可以按照以下公式計算燃料氣耗量：

式中：

Qg——燃氣模式燃料氣消耗量kg/h

P——發動機軸功率kW

Gg——燃氣模式燃料氣耗率kJ/kWh

K——系數，1.0～1.1

HLCV——燃料氣低熱值kJ/kg

n——發動機臺數

根據表2 燃料氣低熱值及表3 瓦錫蘭9L34DF 雙燃料發動機技術參數[3]，K 取1.1，,燃料氣耗量計算為3 820 kg/h。

3.3 燃料氣加熱器功率計算

燃料氣進口狀態為：3 820 kg/h、-90 ℃、8 bar；燃料氣出口狀態為：3 820 kg/h、30 ℃、7.5 bar。根據HYSYS 工藝模擬，燃料氣加熱器功率為244.3 kW，設計功率取250 kW。

3.4 燃料氣管徑計算

根據API RP 14G 規定，為防止氣體輸送中對管道的侵蝕和防止靜電產生，燃料氣流速不應超過40 m/s。根據工藝系統工程設計技術規定[1]，選取經濟管徑，一般低壓工藝氣體百米壓降為2.3～23 kPa。通過HYSYS PIPE SEGMENT，試算壓力降并選取管徑為：主管管徑DN100；支管管徑DN80。

3.5 雙層管環形空間及GVU(燃氣閥單元)排風機選型計算

根據IGC Code 2016 16.4.3 條規定，穿過機艙及隔離空艙的燃料氣管線需布置為雙層管，雙層管環形空間需充惰性氣體或者使用機械排風。本項目根據瓦錫蘭推薦，采用機械排風，保持環形空間為負壓。規范規定的換氣次數為30 次，瓦錫蘭要求GVU 負壓低于-2 kPaG。

由于第四臺主發電機燃料氣管線最長，現以此計算風機風量及壓頭。

空氣狀態參數如下：

溫度20 ℃；

壓力0kPaG；

相對濕度80%；

密度1.196 kg/m3；

動力粘度18.6cP。

雙層管系數見表3。

表3 雙層管及GVU、發動機空氣容積

排風機風量=（管段1 容積+管段2 容積+主機容積+GVU 容積）x 30 次/小時 = 56.6 m3/h，取10%裕量，排風機風量取65 m3/h；

雙層管段2 的通風量=（管段2 容積+主機容積）x 30 次/小時 = 6.42 m3/h，取設計值10 m3/h；

雙層管段1 的通風量=排風機總風量-雙層管段2 的通風量=55 m3/h。

根據HG-T 20570 工藝系統工程設計技術規定，真空管道推薦流速5～10 m/s，百米壓降1.96 kPa，據此初步確定管徑如表4 所示。

表4 管徑表

對于標準圓管，可使用HYSYS 的PIPE SEGMENT進行壓力降計算或參照下面的環形管進行計算（區別在于計算雷諾數的特征長度不一樣）；對于雙層管的環形空間，可按照以下步驟計算：

(1)計算雷諾數

式中：u——流速，m/s；

ρ——密度，kg/m3；

μ——動力粘度，Pa.s。

(2)判斷流動狀態并計算沿程阻力系數[2]（表5）

主發動機的壓降-流量曲線，如圖2 所示；10m3/h 流量對應的壓降為230 Pa。

根據瓦錫蘭要求GVU 負壓需低于-2 000 PaG，而計算的管段1-2-4-Engine-雙層管段2 的GVU 的壓力降為1 232 PaG,，小于2 000 PaG，因此可以適當增大該路徑的流量，可簡單按照壓力降與u1.9成正比來計算，直至壓力降等于2 000 PaG 時的流量為止，此時該路徑的通風量為12.5 m3/h，主發動機通風壓降為370 PaG。

修正通過雙層管段1 的流量至53.5 m3/h，重新計算路徑1-2-3-雙層管段1GVU 的壓降為174 PaG，＜2 000 PaG，因此在管段安裝一壓降為2 000-174=1 826 PaG 的節流孔板，節流孔板可按照《GB/T 2624 流體測量節流裝置》計算，孔徑為23 mm。

排風機風量F，F = （V1+ V2+ VGVU+ VENG） N

式中：N取30 次/小時，計算F = 56.6 m3/h，取10%裕量，排風機風量F 取65 m3/h。

雙層管段2 通風量F2，F2= （V2+ VENG） N

式中：N 取30 次/小時，計算F2= 6.42 m3/h，取設計值10 m3/h。

雙層管段1 通風量F1，F1= F - F2= 55 m3/h= Δp1-2-GVU +Δp5-6 +Δp7-8 = 2 000+106+89 =2 195 Pa，取10%裕量，排風機壓頭為2.4 kPa。

GVU 排風機參數為65 m3/h@2.4 kPa，根據規范需選用防爆型風機。

4 燃料氣系統布置特殊要求

（1）根據IGC Code，燃料氣管線不允許穿過起居處所、服務處所、電氣設備間及控制站。同時，燃料氣管道布置應考慮由于機械損壞導致的潛在風險，比如在儲物間和機器吊運區域；

（2）機器處所內的燃料氣管線應能夠排氣及惰化；在密閉空間內的燃料氣管道系統應提供持續的泄漏監測和報警及關斷相應的燃料氣供應；燃料氣加熱器、燃料氣緩沖罐及燃料氣總閥應位于貨物區域；

（3）至每臺主發動機機的燃料氣供應管線應分別單獨安裝一臺GVU；關閉其中一臺GVU 不應影響其它主機的燃料氣供應；GVU 配備以3 只為一套的自動閥門，其中2 只應被串接在通向使用設備的氣體燃料管路上，另一只被安裝在處于2 只串接閥之間的氣體燃料管路的透氣管上，該透氣管應通向開敞空氣中的安全位置。這些閥在所需的強力通風失效、氣缸點火失效、氣體燃料供應管壓力不正常或控制閥的傳動介質失效時，能自動關閉2 只串接的氣體燃料閥并能自動開啟透氣閥；

（4）至每臺主發動機的燃料氣管線應安裝一臺燃料氣主閥，使該主發動機的燃料氣能與其它主發動機的燃料氣供應隔開，隔斷本臺主發動機的燃料氣應不影響其它主發動機的燃料氣供應。該燃料氣主閥應位于貨物區域。當檢測到雙層管環形空間燃氣泄漏或GVU 通風失效（流量低報警或負壓高報警）時，該燃料氣主閥應能自動關閉，也應能手動操作和遙控操作；

（5）GVU 通風進口需位于非危險區域并安裝止回閥，或者在通風進口處安裝可燃氣體監測報警裝置；

（6）除設備接口外，燃料氣內管應盡量采用對焊連接，相應外管處應設有檢查孔便于檢查焊縫。

5 結語

本系統經過實船調試運行，設備及系統均正常工作，相關參數與設計工況基本一致，證明了本文的設計方法的準確可靠，對于以后更多FRSU 或使用天然氣發動機的船舶和平臺的燃料氣系統設計具有一定的參考意義。