超大型雙燃料集裝箱船燃氣供給系統應用研究

徐岸南，田大冰，宋麗君

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

當前人們對環境的重視程度日益提高，國際海事組織（International Maritime Organization, IMO）提出的Tier Ⅲ氮排放標準已于2016年1月1日在部分排放控制區域生效，提出排放物中硫的含量小于0.5%的要求將于2020年開始執行。使用天然氣作為燃料可有效降低SOx、NOx、CO2和顆粒物的排放。大多數液化天然氣（Liquefied Natural Gas, LNG）中硫的含量都是少于30mg/m3（氣態）的，換算成質量分數是0.004%，僅為硫氧化物排放控制區（SECA）排放要求的 1/25。同時，采用天然氣作為燃料可使 NOx排放量減少20%～80%，CO2排放減少20%～30%，更易滿足Tier Ⅲ排放標準的要求[1]。

在船上儲存天然氣最有效的方法是將其液化。天然氣的主要成分為甲烷，通過將其液化，可使其體積縮小為原體積的 1/600，便于減小艙容，提高運輸效率。另外，傳統重油的熱值為 38～40MJ/kg，密度為980～1010kg/m3；LNG 的熱值約為 50MJ/kg，比重油的熱值高，但其密度較小，為 425～470kg/m3，通常LNG燃料艙會占用更大的空間[2]。因此，在達到同等續航能力的條件下，LNG燃料艙會比傳統重油燃料艙大很多，通常約為重油燃料艙的1.8倍。

超大型集裝箱船所需LNG燃料艙的艙容通常在10000m3以上，傳統C型艙因空間利用率較低已不適用，可采用薄膜型或棱形B型艙作為LNG燃料艙。當前薄膜型艙在LNG運輸船上的應用已較為成熟，且薄膜型艙比棱形B型艙成本低。目前，常見的設計方案是將薄膜型LNG燃料艙布置在機艙前部或上層建筑下方。

1 雙燃料用戶

超大型雙燃料集裝箱船一般采用雙燃料低速機作為推進主機，采用雙燃料中速機作為主電站柴油機，同時配備雙燃料鍋爐或氣體焚燒裝置（GCU）處理應急情況下的自然蒸發氣體（Boil Off Gas, BOG）。

雙燃料低速機一般采用WinGD公司的XDF系列機型或MAN公司的ME-GI系列機型，雙燃料發電機組一般采用2500～5000kW的四沖程中速機。四沖程發電機多采用奧托循環，采用電火塞或引燃油點燃。二沖程低速機方案分為2種：

1) 以WinGD公司為代表的低壓系統，其特點是供氣壓力低（約為1.6MPa），供氣系統方案簡單，同時在氣體模式下已滿足IMO Tier Ⅲ排放標準的要求，主要缺點是在燃油模式下油耗高；

2) 以MAN公司為代表的高壓系統，其特點是供氣壓力高（約為30MPa），供氣系統較復雜，延續了常規燃料機的高效率[3]，在燃油模式和燃氣模式下的能耗基本上與常規燃料機相同，但其成本較高，同時因為在燃氣模式下不滿足 IMO Tier Ⅲ排放標準的要求，需增加選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction,SCR）系統或廢氣再循環（Exhaust Gas Re-circulation, EGR）系統以達到IMO Tier III排放標準的要求。

在正常工作情況下，雙燃料鍋爐或GCU的供氣壓力一般與雙燃料發電機的壓力類似。同時，考慮到應急情況下壓縮機可能無法正常工作，雙燃料鍋爐或GCU也具有在近似大氣壓力下處理多余BOG的功能（free flow功能）。

近幾年雙燃料主機方案已大致成熟，雙燃料主機及發電機種類見表1。

表1 雙燃料主機及發電機種類

2 燃氣供給系統

LNG運輸船在營運過程中必然會產生自然BOG，將這部分BOG送至雙燃料發電機作為燃料，不僅能解決LNG貨艙壓力和BOG處理的問題，而且能解決廢氣中NOx和SOx排放的問題[4]。當前LNG運輸船的艙容一般為14萬～22萬m3，即使采用最先進的絕緣圍護系統，每天產生的自然BOG也很多，這些自然BOG的量基本上接近LNG運輸船全速航行時消耗的燃料量。LNG運輸船通常需配備較小的LNG燃料泵和再液化裝置，其中：LNG燃料泵用來補充LNG運輸船高速航行時自然BOG的不足量；再液化裝置用來將船舶低速航行工況下產生的多余自然BOG再液化，減少LNG貨物的損失。

超大型集裝箱船的燃氣供給系統與LNG 運輸船不同。對于超大型集裝箱船而言，若考慮往返航次的燃料消耗量，通常需18000～20000m3的艙容。LNG自然BOG的產生量較少，因此船舶航行時采用的LNG燃料主要來自強制BOG。同時，為降低LNG燃氣供給系統的成本，不傾向于在大型集裝箱船上配備價格較高的再液化裝置和迷宮式高壓BOG壓縮機。大型雙燃料集裝箱船的LNG燃氣供給系統設計要優化BOG處理，一方面要求保證整個系統的安全性（通常采用的方案是使用GCU或雙燃料鍋爐處理應急情況下無法消耗的BOG）；另一方面要求減少整個系統無法使用的BOG，以提高整船的經濟性。典型的超大型集裝箱船LNG 燃氣供給系統方案見圖1。

圖1 典型的超大型集裝箱船LNG燃氣供給系統方案

圖1中的方案a僅適用于XDF的1.6MPa供氣系統，對于ME-GI機型而言，需考慮采用方案b，這是因為將BOG壓縮到30MPa通常需采用迷宮密封的活塞壓縮機，成本較高，且大型集裝箱船上的BOG量有限，可由發電機等低壓用戶消耗掉，或通過再冷凝裝置液化一部分。

3 船舶航行過程中的自然BOG消耗

對于超大型集裝箱船而言，LNG燃料艙自然蒸發的天然氣不能滿足雙燃料主機和發電機的需求。因此，LNG燃料大部分是通過LNG燃氣泵將LNG增壓之后經過LNG 蒸發器壓氣化（強制蒸發氣）送到氣體用戶的，同時自然BOG可通過壓縮機送到氣體用戶。某超大型集裝箱船的天然氣消耗量見表2，基于純甲烷進行估算，密度取425kg/m3，低熱值取50000kJ/kg。

表2 某超大型集裝箱船的天然氣消耗量

為達到燃油同等里程，LNG燃料艙約需2倍的艙容。對于超大型集裝箱船而言，通常需18000～20000m3的艙容。絕緣層厚度通常為 270～400mm，日蒸發率為 0.2%～0.3%。對于某超大型集裝箱船而言，燃料艙容積為18600m3，絕緣層厚度為270mm，日蒸發率為0.26%，計算燃料艙自然BOG量約為840kg/h， 基于氣耗150g/(kW·h)、電機效率96%估算的電功率，相當于5380kW。

由表2可知，在冷箱負荷較小的情況下，LNG燃料艙自然蒸發的天然氣量通常會大于發電機的天然氣消耗量，因此需考慮將自然BOG提供給主機使用，下面比較3種BOG處理方式：

1) BOG壓縮機采用1.6MPa級別的中壓壓縮機，BOG可供主機、發電機和鍋爐使用，該方案不適用于MAN ME-GI機型；

2) BOG壓縮機采用0.6MPa級別的低壓壓縮機，BOG僅供發電機和雙燃料鍋爐（應急情況和加熱蒸氣不夠）使用；

3) BOG壓縮機采用0.6MPa級別的低壓壓縮機，通過再冷凝器，部分或全部BOG可供主機使用。

在上述3種處理方式中，前2種處理方式分別對應圖1中的方案a和方案b，第3種處理方式中的再冷凝器方案（方案c）見圖2，其原理是利用高壓LNG冷卻0.6MPa左右的BOG，各壓力下LNG的沸點見表3。

圖2 配LNG再冷凝器的燃氣系統

表3 各壓力下LNG的沸點

根據上述數值和各狀態下的比焓和汽化潛熱，可估算再冷凝器的再液化能力。根據廠家的估算，再冷凝量約為20%的主機（對于ME-GI主機而言）氣體消耗量。由上述計算所得BOG消耗量可知，在NCR狀態下再冷凝器可將100%的BOG再液化，若考慮在航行狀態下有370kg/h的耗電量，則主機只需氣體消耗2350kg/h（主機功率約為16810kW）即可將剩余的BOG汽化，以便供主機使用。另外，再冷凝器的成本比直接再液化裝置低，當LNG泵始終對外供氣時，可確保BOG再冷凝器的冷源[4]。

可根據超大型集裝箱船的實際運行情況估算各方案對BOG的有效處理能力。表4為某大型集裝箱船實際運行過程中各工況持續時間占總運行時間的百分比，分別對應各種吃水和航速。考慮到低速工況持續時間占整體運行時間的比例很小，可將其忽略不計。

表4 某大型集裝箱船實際運行過程中各工況持續時間占總運行時間的百分比

根據表4和實際大型集裝箱的航速、吃水和功率曲線，可估算集裝箱船在各運行工況下的功率（見表5）。

表5 集裝箱船各運行工況下的功率估算

冷箱負荷通常與船舶實際運營有關，同時與市場經濟情況相關。若不考慮冷箱負荷，可估算BOG無法完全消耗的百分比，同時大型集裝箱船可裝載一定數量的冷箱，因此各方案的BOG處理能力可以裝載多少冷箱量來表征，計算結果見表6。

表6 某大型集裝箱船航行過程中BOG消耗情況

從表6中可看出，在航行工況下：方案a產生的BOG幾乎都能被主機和發電機及時消耗；方案b需依賴發電機負荷（額外的冷箱）消耗多余的BOG；方案c在極少數工況下無法消耗掉多余的BOG，這部分BOG可通過壓力升高的方式存儲在LNG燃料中，在高負荷時可通過主機消耗掉，該方案適用于ME-GI主機。

XDF主機通常會采用方案a，而ME-GI主機傾向于方案c，通過比較方案a與方案c可發現，當前XDF主機相對于ME-GI主機在大型集裝箱船上有一定的優勢，包括：BOG控制靈活，燃料艙壓力小、溫度低；系統簡單，系統控制相應簡單；成本低。

若在很多工況下BOG都無法使用，可能需考慮通過增大薄膜型燃料艙的絕緣厚度來降低BOG產生量。

4 船舶在碼頭和加注狀態下的自然BOG消耗

船舶在航行過程中產生的BOG通常會被主機和發電機消耗掉，而在碼頭和加注狀態下的BOG通常比較難消耗。圖3為加注LNG時自然BOG狀態。

圖3 加注LNG時自然BOG狀態

根據估算，加注船與集裝箱船之間的壓差控制在14kPa，加注時產生的BOG大多數通過活塞效應回到加注船，少量多余的BOG可通過集裝箱船或加注船消耗掉。

通常，導致 LNG燃料艙壓力不斷升高的階段出現在剛加注完成時，此時：LNG消耗量比較少；低速操縱時間比較長，約8h；加注過程中帶入的熱量造成BOG量增加。

圖4為無BOG消耗時LNG燃料艙壓力時程曲線，顯示加注完之后艙壓有足夠的余量留給加注完的操縱時間。若艙壓由于氣體的原因（如管內阻力過大、加注速率過快和外界熱量過大等）造成BOG大量產生，應將過量的BOG送入雙燃料鍋爐，以保持燃料艙在正常壓力操作范圍內。此外，可通過增大薄膜型燃料艙絕緣層的厚度來降低總體BOG產量，這通常會增加較多的成本。

圖4 無BOG消耗時LNG燃料艙壓力時程曲線

5 結 語

通過對某大型集裝箱船航行過程中自然BOG的消耗量分析可知：XDF的低壓系統相對于ME-GI高壓系統在自然BOG控制上有一定的優勢，這種優勢可使整個系統的成本降低；同時，LNG燃料艙的壓力可控制在較小的范圍內以保證LNG液體溫度較低。ME-GI系統需考慮使用再冷凝器，以便合理地處理BOG。

船舶在加注LNG時的自然BOG消耗一般通過控制LNG燃料艙壓力來完成，若多余的BOG無法消耗，既可通過雙燃料鍋爐或GCU來降低總的自然BOG量，也可考慮通過增加LNG燃料艙絕緣層的厚度來降低總的自然BOG量。