船舶新燃料LNG 動力系統(tǒng)改裝的設(shè)計分析

馬超超 鄭 健 鄭志敏

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011；2.意大利船級社（中國）有限公司 上海 200040）

0 引言

隨著國際貿(mào)易和航運的持續(xù)發(fā)展，以傳統(tǒng)石油產(chǎn)品為燃料的船用內(nèi)燃機產(chǎn)生的廢氣排放對大氣所造成的污染已日益引起國際社會關(guān)注。發(fā)展?jié)崈裟茉词钱斀衲茉蠢玫闹匾厔荩夯烊粴猓╨iquefied natural gas,LNG）具有良好的燃燒特性、更低的污染和排放，且儲量巨大，因此兼具良好的環(huán)保效益和經(jīng)濟效益，成為最重要的過渡能源。

近幾年有關(guān)新造船LNG 動力設(shè)計方案的研究很多，如超大型雙燃料集裝箱船燃氣供給系統(tǒng)應(yīng)用研究[1]、雙燃料大型集裝箱船LNG 加注系統(tǒng)設(shè)計[2]等。對于LNG 動力改裝的研究，國內(nèi)主要以內(nèi)河LNG燃料動力船舶改造技術(shù)探討為主。對于大型集裝箱船改造技術(shù)，趙志華等[3]詳細介紹了大型集裝箱船LNG 燃料艙及船體結(jié)構(gòu)的改造，但對于輪機及供氣系統(tǒng)的改造工程鮮有提及。因此，有必要對大型船舶的LNG 動力系統(tǒng)改裝領(lǐng)域進行研究分析。

1 項目背景

本文以某大型集裝箱船具體改裝項目為例，改裝內(nèi)容包括主機、發(fā)電機及鍋爐的改造，新建1 個 6 500 m3的MARK III 型燃料艙，配置高低壓燃氣供氣系統(tǒng)。船舶總圖如圖1 所示。此次改裝項目的優(yōu)勢有2 點：一是船齡相對較新，二是船舶已具有LNG 預(yù)留設(shè)計，故動力系統(tǒng)改裝相對方便。

圖1 某大型集裝箱船總圖

以原機艙前壁的9 號貨艙作為燃料艙處所，燃料艙為獨立環(huán)段式結(jié)構(gòu)，在船廠內(nèi)先行建造，并完成MARK III 型薄膜圍護系統(tǒng)的施工。主輔機供應(yīng)商準備設(shè)備改裝方案及材料，與船東商定航行周期后，將船停靠船廠碼頭，吊裝燃料艙并完成主輔機及燃氣系統(tǒng)的改裝工作；在完成碼頭系泊試驗及氣體試航后，該船重新返回航運船隊[3]。

該船改裝具體內(nèi)容如表1 所示。改裝前后主尺度不變，仍為總長368.52 m、船寬51 m、設(shè)計吃水14.5 m、結(jié)構(gòu)吃水15.5 m。[3]

表1 改裝清單

透氣系統(tǒng)主要是用于LNG 艙安全閥釋放的管路。在出現(xiàn)火災(zāi)或者艙壓失控的情況下，安全閥的設(shè)置是保護LNG 艙的最后一道防線，所以至少需設(shè)置2 個安全閥。對于雙燃料船舶來說，透氣系統(tǒng)的布置路徑主要是封閉艙室或者開敞區(qū)域。如果在封閉的安全區(qū)域內(nèi)，則應(yīng)設(shè)置雙壁管，并且透氣桅的布置應(yīng)考慮危險區(qū)域的定義，透氣帽應(yīng)考慮有防雨排水等功能。

船舶系統(tǒng)需要根據(jù)危險區(qū)域的劃分及燃料艙與燃氣系統(tǒng)的布置進行相應(yīng)修改。以艙底水系統(tǒng)為例，對于危險區(qū)域的艙底水要特別注意滿足規(guī)范要求，如燃料準備間的泄放布置需要考慮房間內(nèi)可能存在的危險氣體。因此，如果管路經(jīng)過安全區(qū)域，管子不能留有法蘭之類的可拆接口。惰氣（氮氣）系統(tǒng)、乙二醇水系統(tǒng)等，則需要根據(jù)燃氣系統(tǒng)及用戶的需求進行計算確定，比如氮氣系統(tǒng)的容量估算（見下頁表2）以及乙二醇水的熱平衡計算等。下文重點研究用氣設(shè)備和供氣系統(tǒng)的改造。

表2 氮氣系統(tǒng)的容量估算

2 用氣設(shè)備改造

本研究案例中的15 000標準箱大型集裝箱船，其用氣設(shè)備改造主要通過對主機、發(fā)電機和鍋爐的改造來完成。

2.1 主機的改造

在該改造項目中，將原船上德國曼恩公司的S90ME-C10.2 燃油主機改造為S90ME-C10.5-GI 雙燃料主機。曼恩ME-GI 主機采用迪賽爾循環(huán)，壓力通常在25～ 33 MPa，最低可至20 MPa，燃氣壓力波動需控制在±0.2 MPa。如果供氣壓力比設(shè)定值低1 MPa，將會激活燃油補償模式；燃氣壓力比設(shè)定值低5 MPa，將導(dǎo)致主機切油。

曼恩公司將設(shè)計和監(jiān)督完成所有發(fā)動機部件的安裝，以便在船廠的支持下進行改裝。改裝內(nèi)容包括：缸蓋總成包括保護罩、活塞環(huán)、活塞頭、存氣墊片、氣缸套、氣缸液壓單元修改、燃氣控制塊、噴油器改造（帶噴嘴）；燃氣噴氣閥包含管子、高壓燃油管、高壓液壓控制油管、主機上的燃氣管、密封油系統(tǒng)、低壓補油系統(tǒng)，以及各種管道（低壓液壓油、燃油、啟動空氣、控制和安全空氣、排水管）和燃氣閥組等。主機缸頭示意圖見圖2。

圖2 主機缸頭示意圖

2.2 發(fā)電機、鍋爐的改造

該項目中，將韓國現(xiàn)代公司的9H35 燃油發(fā)電機改造為9H35DF 雙燃料發(fā)電機，并且對阿法拉伐鍋爐的雙燃料功能也進行了改造。此外，發(fā)電機、鍋爐對燃氣的壓力和溫度也有相應(yīng)的要求，但與主機相比，該壓力較小。發(fā)電機工作壓力通常在0.6～ 0.7 MPa，鍋爐的工作壓力通常在 0.06 MPa 左右，鍋爐兼作氣體燃燒裝置，用于控制燃料艙壓力。當船上其他用氣設(shè)備出現(xiàn)故障時，鍋爐能夠處理100%的燃料艙揮發(fā)氣量。

發(fā)電機和鍋爐的改造內(nèi)容，均是圍繞使用燃氣進行的硬件修改升級，如增加燃氣控制模塊、燃氣管路、燃氣閥組等。本研究對象在新船建造時，發(fā)電機便是按照雙燃料設(shè)計。安裝時，將燃氣相關(guān)的設(shè)備拆下，以單一燃料來運行；改裝后，其功率與發(fā)電量滿足船舶正常航行需求。雙燃料發(fā)電機的改裝通常意味著功率的下降，需根據(jù)電力負荷計算，評估實際需求量與改裝后的對比。主機、發(fā)電機和鍋爐對燃氣的流量、壓力和溫度的要求，參見表3。

在滿足用戶需求的前提下，LNG 的組分[4]是蒸發(fā)氣（boil off gas,BOG）壓縮機選型、燃氣系統(tǒng)設(shè)計選型等方面參考依據(jù)之一。本文根據(jù)用氣設(shè)備的需求，進行燃氣系統(tǒng)的設(shè)計工作，對于不同船型，最大的區(qū)別是主機，一般XDF 型和ME-GA 型主機燃氣進口壓力要求11～ 16 kg，ME-GI 型主機進口進口壓力要求在250～ 330 kg。對于該集裝箱船配置來說，主機改造為ME-GI 型。

3 燃氣供氣系統(tǒng)的加裝

根據(jù)不同的功能模塊進行劃分，燃氣供氣系統(tǒng)主要包括以下3 個部分：加注系統(tǒng)、高壓燃氣供氣系統(tǒng)與低壓燃氣供氣系統(tǒng)。

3.1 加注系統(tǒng)

加注系統(tǒng)可細分為LNG 注入、LNG 揮發(fā)氣回收及輔助系統(tǒng)（如干粉滅火、舷側(cè)水幕系統(tǒng)等）共3 個部分。對于大型雙燃料集裝箱船來說，加注系統(tǒng)大多相似。但對于改裝船項目，其位置不僅要考慮LNG 加注的便利性，同時也需要考慮工程改裝的可行性。

3.1.1 加注管路雙壁管

加注管路布置是從加注站到燃料艙連接的處所。根據(jù)IGF code 的要求，穿過封閉區(qū)域的燃氣管路應(yīng)采取雙壁管形式，常用的有如下3 種形式：通風雙壁管、真空雙壁管和注氮正壓雙壁管。雙臂管具體細節(jié)見表4。

表4 雙壁管形式的特點

注氮正壓雙壁管是在內(nèi)管和外管之間充滿氮氣氣體，其工作原理是氮氣氣體壓力需高于內(nèi)管的壓力。當內(nèi)管發(fā)生泄漏時，由于環(huán)形區(qū)域的氮氣氣體壓力大于內(nèi)管壓力，燃氣無法泄漏至外管內(nèi)。同時氮氣進入到內(nèi)管，當壓力傳感器探測到外管內(nèi)的氮氣氣體壓力短時間降低至報警值時，即認為發(fā)生內(nèi)管泄漏，觸發(fā)應(yīng)急切斷閥且停止加注。

相比真空雙壁管，注氮正壓雙壁管并不需要長時間抽真空；而且相比通風雙壁管系統(tǒng)，也不需要配置抽風機，因此大大簡化了雙壁管安裝和調(diào)試工作。但注氮正壓雙壁管相較于真空雙壁管，隔熱性能較差，外表面需包裹預(yù)絕緣，因而增大了管路布置的難度。同時，外界環(huán)境的溫差也會導(dǎo)致環(huán)形管路中氮氣壓力的波動，因此設(shè)置合理的報警值非常重要。

通過以上特點的比較，在改造船項目上，不常用的氮氣正壓雙壁管因其施工周期短，也沒有額外的輔助工程等優(yōu)勢，適用于改造項目。

3.1.2 加注站布置

加注站的位置在大型集裝箱船上有不同的方案。不同于新造船，改裝船由于周期性與施工狀態(tài)，會采取與新造船不同的布置方案，主要有以下3 種：

（1）布置在二甲板位置。該方案需對結(jié)構(gòu)進行較大更改，對舷側(cè)外板進行大開口布置，同時進行局部加強。

（2）布置在機艙加油站區(qū)域，另搭一層平臺作為加注站。此方案不需要對原結(jié)構(gòu)進行大修改，但該區(qū)域過小，加注站進行整體單元布置困難。

（3）布置在燃料艙上方區(qū)域。此方案應(yīng)盡量減少低溫管路布置長度。

綜合多方面考慮，方案3 為加注站布置較優(yōu)方案。為匹配改裝船的特點、最大限度地利用甲板空間，可以將加注站設(shè)計成整體的單元，所有相關(guān)設(shè)備、附件等都緊湊地布置于此整體單元內(nèi)。其中的管路、閥件等均可以在內(nèi)場完成制造和安裝，整體吊裝至船上。相對獨立的模塊安裝，對于改裝項目有很好的制造周期優(yōu)勢。

鞍座用于岸上或加注船對受注船進行加注時，對加注軟管進行支撐和導(dǎo)向。在常規(guī)設(shè)計中，該軟管鞍座一般由廠家采購，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且尺寸較大，如圖3 所示。對于改裝船，因加注站空間有限，如果采用常規(guī)鞍座布置，則安裝非常困難，并且由于占用了加注站很大空間，也影響人員通行和設(shè)備維護。

圖3 常規(guī)設(shè)計加注站軟管鞍座（落地布置）

通過對改裝船加注站進行綜合布置，對加注站欄桿最上層導(dǎo)管管徑放大并加厚壁厚，將鞍座布置在上方，取消落地放置，同時自行設(shè)計鞍座圖紙。自制鞍座結(jié)構(gòu)簡潔且不占用大量空間，方便船員操作。不進行操作時，可旋轉(zhuǎn)90°朝上放置，更有利于鞍座的日常維護，如圖4 所示。

圖4 簡易鞍座布置（通過欄桿固定）

3.2 高壓燃氣系統(tǒng)

將天然氣燃料壓縮到30 MPa 左右，可以采用氣態(tài)壓縮方式，也可以采用液態(tài)加壓方式。由于液體為不可壓縮流體，更容易使壓力升高到所需的數(shù)值，因此采用液體壓縮是可行的方案之一。

由于液體的不可壓縮性，顯然選擇液態(tài)加壓比氣態(tài)加壓更經(jīng)濟，能耗相對較小。此外，同種物質(zhì)的氣體密度比液體密度小很多，單位質(zhì)量的氣體從壓縮機處所得的靜壓能，要比液體從泵處獲得的靜壓能大很多，而且在同等條件下，用泵加壓比壓縮機更節(jié)省功耗。液態(tài)加壓泵設(shè)備的體積比氣態(tài)壓縮機小很多，更有利于設(shè)備在船舶上的布置，因此從設(shè)計初始就排除了采用高壓壓縮機的方案。圖5 為高壓燃氣供氣系統(tǒng)總覽圖。

圖5 高壓燃氣供氣系統(tǒng)總覽圖

由于主機供氣壓力高（30 MPa），為保證連續(xù)穩(wěn)定的供氣，對主要設(shè)備從以下幾個方面加以考慮：

（1）LNG 輸送泵

在布置方面，高壓泵所處的燃料準備間和燃料艙有一定距離，并且當船舶在航行中出現(xiàn)搖晃等現(xiàn)象時，可能導(dǎo)致高壓泵進口端壓力不足，從而使高壓泵發(fā)生汽蝕，進而影響供氣壓力。因此，為了確保輸送泵能將LNG 穩(wěn)定地輸送至高壓泵進口，LNG 輸送泵最大揚程應(yīng)保證輸送的LNG 在克服系統(tǒng)壓損后，仍能在輸出端達到高壓泵要求的壓力。[5]

（2）高壓泵

ME-GI 雙燃料主機最大燃氣供氣壓力為30 MPa，為維持壓力穩(wěn)定，高壓泵需連續(xù)不斷地運行。高壓泵設(shè)計方案有2 種：一種是采用變頻電機驅(qū)動的高壓泵，另一種是采用液壓油驅(qū)動的高壓泵，該船采用的是液壓油驅(qū)動的高壓泵。液壓油驅(qū)動在技術(shù)上已經(jīng)非常成熟，且成本較低，故廣泛使用于船舶中。該方案輸出的LNG 壓力和流量穩(wěn)定、設(shè)備故障少，但缺乏流量調(diào)節(jié)功能，故需要布置單獨的回流管路。如果主機負荷下降，多余的LNG 則通過回流管路重新回到大艙。

（3）高壓氣化器

經(jīng)過高壓壓縮后的LNG 需進一步氣化并轉(zhuǎn)化為高壓氣體，然后輸送至主機使用。高壓氣化器既要保證足夠的 LNG 氣化量供給發(fā)動機，又要確保氣化后的燃氣溫度可滿足發(fā)動機的要求，同時還要考慮換熱器在高壓、低溫狀態(tài)下的可靠性和使用壽命。加熱介質(zhì)采用乙二醇水，優(yōu)點在于其冰點低于-20 ℃，可以有效改善LNG 氣化器的結(jié)冰情況。

對于改裝項目，單元模塊化布置是首選，可以節(jié)約改造周期；采用MAN-ES 的高壓泵及氣化器合成體，出口溫度可以精確控制在45±5 ℃、出口壓力控制在20～ 33 MPa，較好地滿足了主機對供氣的要求。圖6 為高壓泵及氣化器單元主要部件圖。

圖6 高壓泵及氣化器單元主要部件圖

對燃氣泵、高壓泵、氣化器單元及主燃氣閥組選型、布置和功能實現(xiàn)進行研究，綜合統(tǒng)籌考慮設(shè)計布置，使系統(tǒng)功能得以保障。

3.3 低壓燃氣供氣系統(tǒng)

低壓燃氣供氣系統(tǒng)主要是提供燃氣給發(fā)電機與鍋爐，實現(xiàn)滿足用戶需求的供氣壓力和溫度。在發(fā)電機、鍋爐負荷較低時，可以單獨通過BOG 壓縮機進行供氣；當多臺發(fā)電機同時工作或發(fā)電機負荷較高，需通過LNG 輸送泵進行供氣，兩者也可以同時并聯(lián)進行供氣。

3.3.1 壓縮機供氣模式

相較于LNG 運輸船，雙燃料船的BOG 量較少，因此LNG 運輸船常用的離心式壓縮不一定適用于雙燃料船，而小排量、結(jié)構(gòu)簡單且運行穩(wěn)定的壓縮機才是雙燃料船的首選。常用壓縮機形式有螺桿式、活塞式、離心式和旋轉(zhuǎn)式等，本文將以變頻控制的旋轉(zhuǎn)式壓縮機為例。

旋轉(zhuǎn)式壓縮機屬于容積式壓縮機的一種，直接帶動葉輪旋轉(zhuǎn)。葉輪上的葉片外徑逐漸減小，相應(yīng)的氣腔也變小，從而實現(xiàn)對氣體的壓縮，如圖7所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)式壓縮機吸氣排氣過程

BOG 在旋轉(zhuǎn)式壓縮機中的氣體路徑為：氣體進入吸氣管道，首先經(jīng)6 μm 過濾精度的濾器將BOG中雜質(zhì)過濾；而后經(jīng)由帶有集成止回閥的進氣控制器進入壓縮腔內(nèi)；在壓縮腔內(nèi)，轉(zhuǎn)子帶動葉輪進行旋轉(zhuǎn)運動，使腔內(nèi)空氣體積減小，對氣體進行壓縮；再經(jīng)出口將氣流運送到壓縮機下一級或排出。

BOG 在壓縮過程中，約1%進口流量的冷卻油被注入到封閉室中，這部分油-氣混合物經(jīng)壓縮得到靜壓能后，進入到冷卻油預(yù)分離器中，這一步驟可以實現(xiàn)將99%的冷卻油從壓縮氣體中分離[6]。經(jīng)安裝在冷卻油分離器中的氣體脫油元件，冷卻油的含量可以進一步降低至0.01～ 0.1 mg/m3。

對于分離出的冷卻油，首先從分離器進入到油冷卻器，然后經(jīng)冷卻器冷卻并通過過濾器和噴嘴再次進入到壓縮機中，進行下一次冷卻及潤滑，以實現(xiàn)冷卻油的循環(huán)使用，如圖8 所示。

圖8 旋轉(zhuǎn)式BOG 壓縮機工作流程

旋轉(zhuǎn)式壓縮機具有如下優(yōu)點：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，單級壓縮，無級間冷卻器；

（2）無固定壓縮比，排氣壓力不受進口壓力 影響；

（3）近似等溫壓縮，排氣溫度低；

（4）壓縮后的氣體無脈動，軸承無軸向力，振動小；

（5）由于依靠葉片離心力甩出，故與腔室形成氣體密閉壓縮空間，轉(zhuǎn)子不易磨損且對中要求低并具有自對中能力，因此操作和維修保養(yǎng)方便、壓縮機頭具有超長的使用壽命，維護費用低[7]；

（6）零部件少、機體體積小、質(zhì)量輕、便于安裝且節(jié)省安裝空間。

其缺點在于：

（1）轉(zhuǎn)子在進行旋轉(zhuǎn)運動的過程中，易出現(xiàn)抱軸和卡缸的情況；

（2）機殼由于潤滑油需從排氣中分離而來，要具備耐高壓的特性，這便會導(dǎo)致壓縮機和電機產(chǎn)生過熱現(xiàn)象。

綜合考量上述情況，對于改裝項目來說，在選擇上傾向于旋轉(zhuǎn)式壓縮機。

3.3.2 LNG 輸送泵供氣模式

BOG 壓縮機吸入端的最小進氣壓力要求為 0.02 MPa 左右，設(shè)計排量為398 kg/h。當燃料艙艙壓低于0.02 MPa，BOG壓縮機將無法自動停機。此外，當船上冷箱數(shù)量較多時，發(fā)電機要求多臺并聯(lián)運行，此時BOG 壓縮機設(shè)計排量將無法滿足要求，便需要開啟LNG 輸送泵進行輔助供氣或者單獨供氣。

當采用輔助供氣時，LNG 輸送泵需與BOG 壓縮機協(xié)調(diào)工作，避免蒸發(fā)氣的出口壓力偏差過大。當主機同時也處于燃氣模式狀態(tài)時，LNG 輸送泵還需滿足泵氣化單元（pump vaporizer unit,PVU）的供液壓力要求，這對LNG 輸送泵的運行狀態(tài)提出了很高的要求，具體如下：

（1）LNG 輸送泵供氣時

LNG 輸送泵設(shè)計排出壓力為0.85 MPa，發(fā)電機要求的供氣壓力為0.6～ 0.8 MPa，高壓燃氣泵及氣化器組對供液最低壓力要求為0.45 MPa，對最高壓力沒有要求。因此僅當LNG 輸送泵工作時，LNG 泵輸出壓力設(shè)定在0.7 MPa，經(jīng)氣化后可以直接供發(fā)電機使用。在LNG 輸送泵總管路上設(shè)置有流量計，當輸出流量過大時，可以同時通過回流閥和LNG 輸送泵變頻器進行控制，優(yōu)先通過變頻器進行控制。低壓燃氣系統(tǒng)如圖9 所示。

（2）BOG 壓縮機和LNG 輸送泵同時供氣

當BOG 壓縮機和LNG 輸送泵同時供氣時，BOG 壓縮機的出口壓力與LNG 輸送泵的排出壓力應(yīng)控制在合理范圍，避免壓縮機出現(xiàn)無效工作等其他情況。BOG 壓縮機和燃氣泵的出口壓力，統(tǒng)一通過燃氣緩沖罐上的壓力設(shè)定值進行調(diào)整。由同一參數(shù)統(tǒng)一控制2 個出口，可以很好地解決2 臺設(shè)備出口壓力不一致的問題。

4 結(jié)語

本文通過對15 000 標準箱集裝箱動力系統(tǒng)改裝設(shè)計研究，以LNG 燃料艙、主機、發(fā)電機及鍋爐、供氣系統(tǒng)、加注系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等為主要研究對象，依據(jù)實際船舶的布置，得出對LNG動力系統(tǒng)加裝或改裝是可行的。雖然不同船型設(shè)計方案略有差別，但主要方案和設(shè)計思路比較接近。

采用天然氣為燃料可以使NOX排放量減少20%～ 80%、CO2排放量減少20%～ 30%，更易滿足排放要求及新船能效設(shè)計指數(shù)（energy efficiency design index,EEDI）三階段標準的要求[8]。希望本文的研究，能為船舶新燃料改裝及采用新燃料動力系統(tǒng)的船舶設(shè)計工作提供一些參考借鑒。