某型電力推進LNG雙燃料動力船燃氣供應系統設計

上海振華重工（集團）股份有限公司 谷林春

LNG雙燃料動力船的供氣系統FGSS因其服務對象不同，在不同的動力裝置中會有不同的特點。就目前船舶LNG燃料動力裝置技術現狀而言，有兩種技術路線：高壓LNG燃氣柴油機動力和低壓LNG燃氣柴油機動力。

在高壓供氣系統中，300bar左右燃氣壓力由LNG增壓泵獲得。LNG從燃料艙儲罐中被低壓泵輸出后經高壓泵對其進行增壓，增壓以后的LNG再用乙二醇水等進行加溫汽化，然后送至GVU單元中進行流量調節，最終送至高壓雙燃料低速二沖程柴油機主機中。同時，該高壓供氣系統也可以向四沖程雙燃料發動機提供6bar的燃氣。

低壓供氣系統，可以給比較早發展的四沖程雙燃料發動機提供6bar燃氣，也可以設計成向近些年新發展WIN G&D公司的XDF型低速二沖程柴油機（包括MAN 公司正在研發的ME-GA型）提供16bar燃氣。

某型船動力裝置配置

如常規的雙燃料DFDE電力推進裝置一樣，某型船動力系統采用雙燃料柴油機發電，經配電板、變壓器、變頻器、推進電機以及減速齒輪箱推動螺旋槳產生動力。雙燃料柴油機采用四沖程中速DF機，船舶電站采用三相690V/50Hz電制，電推主機采用兩臺4.5MW吊艙式推進電機。主發電機選型方案為：WARTSILA 6L 34/40DF×4，港口停泊發電機為MAN 23/30DF×1。

動力裝置燃氣供應系統FGSS

雙燃料動力船舶的FGSS系統主要功能是向雙燃料柴油機提供滿足一定壓力、溫度和流量需要的燃氣。從船用燃氣供應系統的組成環節來看，需要有加注環節、儲存環節、汽化環節以及向DF機供氣（GVU）環節。在設計上，將該系統儲存環節泄漏的熱量降至最低，以確保盡可能長的艙內LNG保持時間。

圖1 典型電力推進 LNG雙燃料動力船動力裝置構成

本項目船的燃氣供應系統FGSS主要組成包括：LNG加注站、LNG燃料儲罐及連接空間TCS、LNG燃料泵、LNG汽化器、燃氣加熱器、BOG壓縮機、燃氣緩沖罐、GVU燃氣閥組、N2吹洗管線、乙二醇水泵、乙二醇水加熱器、乙二醇膨脹柜、通風系統、控制系統、可燃氣探測系統以及火災報警系統組成。

可用的LNG燃料儲罐技術方案

在LNG燃料儲罐選型過程中,有數種可選方案。根據IMO組織制定的散裝液化氣體運輸船規范IGC Code,國際上對散裝運輸液化氣體船舶的貨物圍護系統，也就是液貨艙的類型，有整體型液貨艙、薄膜型貨艙、半薄膜型液貨艙、獨立式液貨艙以及內部絕熱液貨艙五種類型。

1、C型壓力式燃料罐

在實際的FGSS系統設計中，C型壓力式LNG存儲技術根據項目的不同可以使用四種不同方式：C型-真空絕緣圓柱形儲罐、C型-PUF絕緣的圓柱形儲罐、C型-PUF絕緣的雙耳罐以及薄膜型儲罐。選擇最適合的LNG存儲技術的時候，一般需要考慮存儲容量和船上可用的空間。此外，三個重要參數也必須考慮：保溫時間、裝載限制和最大允許釋放閥設定壓力（MARVS）。

2、薄膜型燃料罐

GTT公司的Mark III和NO.96型貨艙技術都可以采用。但是，由于Mark III技術本身在主層屏蔽膜強度方面比NO96具有優勢，所以在LNG燃料艙存儲應用方面，Mark III應用較多。

3、LNT-A Box型燃料罐

近些年，LNG存儲技術一個新的發展動向就是LNT Marine公司開發成功了一個新型的A型貨艙技術。該技術采用IMO A型貨艙技術，在棱柱形液貨艙外部的船體結構內壁上的絕緣層上有一層完整的次屏蔽。

燃料罐容量的確定

為確定LNG燃料儲罐的容量，必須找出船舶電網的最大持續功率消耗工況點，結合船舶設計最大續航力的數據，計算出理論需求最大的LNG燃料儲罐的容積。

1、動力裝置電力負荷計算

某型船舶的工作狀態分為：海上航行狀態、裝卸貨狀態、進出港狀態、在港狀態、應急狀態，共計5個工作狀態。在所有的5個工作狀態當中，海上全速航行狀態是屬于功率消耗最大（9285kW）的工作狀態。

2、動力系統中可選擇DF機

在船用雙燃料柴油機市場，綜合目前國內國際兩個市場情況來看，國外主流四沖程DF柴油機以MAN和WARTSILA的四沖程柴油機為典型代表。根據電力負荷計算結果，在最大電站功率9285kW情況下，每臺在網主發電機平均分配到的功率應該是9285÷4=2320kW。這個功率級別的DF柴油機，分別有MAN公司的6L 35/44DF和WARTSILA公司的6L 34/40DF兩種機型可選。兩種機型的柴油機由于其自身特性所限制，在同樣負荷工況點的耗氣率有明顯差別，據圖2可以明顯看出，MAN 35/44DF機在燃氣模式下的耗氣率要明顯低于WARTSILA公司的34/40DF機型。

圖2 MAN 6L 35/44DF與WARTSILA 34/40DF耗氣率對比

如果單純從DF機的耗氣率來考慮，MAN 6L35/44DF無疑是最合適的。然而，考慮到在網機的運轉負荷， MAN 6L35/44DF的額定功率為：

WARTSILA 34/40DF的額定功率為：

相應地，如果都選擇720rpm機型，兩種DF柴油機在本項目中的運轉工況分別是：

綜合以上情況，雖然MAN 6L 35/44DF在耗氣率有優勢，然而這種機型在網狀態的負荷百分比較低，同時如果選取這種機型會造成柴油機閑置功率太大，會造成將近25%的發動機功率容量浪費。

3、動力裝置燃料罐容量計算

船舶在海上航行為滿足設計續航力要求，需要配備足夠的燃料。為了確定所需的LNG燃料儲罐的艙容，需要通過DF柴油機的耗氣率數據，計算出船舶在航行功率下，按設計航速航行續航力里程所需要的燃料總量。

表1 兩種DF柴油機的運轉工況

（1）WARTSILA 6L 34/40DF柴油機耗氣率計算

查詢WARTSILA公司提供的WARTSILA 6L 34/40DF柴油機的產品手冊Project Guide可得相關該機型的氣耗率信息。

本項目海上全速工況下，主發電機WARTSILA 6L 34/40DF柴油機工作負荷百分比為：

9285÷(2880×4)=80.6%

根據表2，可以在WARTSILA 6L 34/40DF柴油機75%和85%負荷區間內，采用中間插值法計算出80.6%負荷點的近似耗氣量為：

表2 WARTSILA 6L 34/40DF型柴油機燃氣消耗率表

7526+(7743-7526)÷(85-75)×（85-80.6)=7621 kJ/kWh

（2）動力裝置對燃氣品質要求

作為雙燃料發動機，W?rtsil?34DF發動機設計為在燃氣模式或柴油模式下連續運行。W?rtsil?34DF發動機可以使用燃氣（天然氣）或船用柴油（MDO），也可以使用重燃油（HFO）作為燃料。雙燃料柴油機在燃氣模式下運行時需要外部供氣系統和燃料供油系統同時工作。為了在額定輸出功率下連續運行，在氣體運行模式下用作主要燃料的氣體必須滿足一定的質量要求。

根據WARTSILA公司提供Project Guide，可以查得對氣態天然氣甲烷值要求是最低MN70，燃氣進機溫度為0～60℃，氣態甲烷的低熱值為24MJ/m3N（以體積為參考）。

（3）動力裝置所需LNG燃料儲罐容量計算

基于上述計算結果，在計算LNG燃料儲罐所需最大容量的時候，需要考慮船舶以14節設計航速運行時的最大續航力。預計最大續航力為12000海里。那么以設計航速完成12000海里續航力的航行時間可以計算出來。然后根據上述5.3.1中計算的WARTSILA 34/40DF柴油機在80.6%負荷工況點的氣耗率7621kJ/kWh之結果，結合此種工況下主發電機的功率輸出9285kW，可以計算出總的燃料能量消耗量。如下列計算過程所示：

為了計算出所需的LNG的量，我們需要確定LNG的熱值及密度。在LNG熱值方面，不同氣源產地的LNG有不同的熱值。世界各地產出的LNG熱值基本在49.0～49.9MJ/kg之 間。 我 們可以根據業內的常規做法選擇一個參考數據。MAN公司推薦采用 的LNG熱 值 為49.6MJ/kg，WARTSILA公司推薦熱值也為49.6MJ/kg。

LNG與傳統燃料不同，因為LNG是在低溫下以液體形式存儲的氣體。在船舶和船舶安全概念中，需要考慮氣體的揮發性和LNG的低溫兩個因素。下表羅列出在雙燃料柴油機中所使用的三種不同燃料，輕油、重油、LNG的不同密度及熱值（WARTSIL公司推薦）。

綜上，在本科研項目中我們取LNG的熱值為49.6 MJ/kg。

因此，結合上述計算結果，本項目船航行12000海里所需要的LNG的量為：

表3 雙燃料柴油機中所使用的三種不同燃料的熱值對比（來源于WARTSIL公司資料）

從上述計算過程，可以得出，理論上滿足續航力要求所需的LNG約為1223噸。

在進行LNG體積相關計算時，需要選取LNG的不同的參數值。下列為不同的設計方所采用的不同的設計參數：

①TGE方面在進行相關計算時，其采用的數據為：

②WARTSILA方面在進行相關計算時，其采用的數據為：

一般地，業內在計算LNG密度時認定LNG的密度在410～500kg/m3之間。計算最終LNG儲罐容量時，我們參考MAN公司推薦的方案，在進行LNG儲罐等強度計算時，取LNG比較大的密度470kg/m3，然而在進行燃料熱值等相關計算時取比較小的密度425kg/m3。LNG的熱值，我們選取49.6MJ/kg。因此航行12000海里所需要的LNG總量是：

7621×9285×(12000÷14）÷1000÷49.6÷425=2877 m3

考慮C型LNG儲罐95%的充裝率和5%的使用下限，可用量約為儲罐幾何容積的90%，則儲罐幾何容積為：

2877÷90%=3196.7 m3≈3200m3

因此，為滿足設計續航力所需要的LNG燃料儲罐的容積應該是3200m3。

若考慮實際加注的LNG熱值可能低于上述設計熱值的情況， 還需留出一定的設計余量，則儲罐的容積還會相應增加。這個計算結果只是為了滿足12000海里續航力需求而估算的最大LNG燃料儲罐容量。但是，在實際設計當中，還不得不考慮船上實際可用的LNG燃料罐存儲空間。最終的實際LNG燃料罐存儲容量，以實際可用空間計算為準。