基于某集裝箱船改造的甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號：U664.12

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Design of Methanol Fuel Supply System Based on Container Ships Retrofit

YUAN Shan， HE Shouan， LIANG Zhanxin， LUO Donghao，F(xiàn)U Qinling（，，511400，China）

Abstract： This paper focuses on the methanol fuel supply system design for a container ship retrofit. Considering therequirement to shorten the renovation period，a modular design schemefor the methanol fuel supply system is proposed.The paper elaborates on the system compositionand functionality，which canserve as areference for similar ship retrofits.

Key words：methanol; retrofit; container ship； fuel supply system

1 引言

近年來，由于能源危機(jī)以及環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)峻，國際海事組織減排目標(biāo)正式啟動。海運(yùn)行業(yè)作為全球貿(mào)易的主要運(yùn)輸方式，占國際貿(mào)易總量的80～90% ，每年排放約10億噸溫室氣體，占全球總排放的 3%^[1] 。傳統(tǒng)船舶使用的化石燃料硫含量高，導(dǎo)致溫室氣體和硫化物的排放問題突出，航運(yùn)業(yè)面臨巨大的碳減排壓力。為此，隨著國際海事組織減排目標(biāo)正式實施，各國紛紛出臺政策推動船舶行業(yè)綠色發(fā)展，我國也提出了以清潔能源為核心，結(jié)合動力技術(shù)和能效技術(shù)的綜合減排路徑。甲醇作為一種清潔燃料，具有易溶于水、可生物降解、不含硫、能有效減少 CO₂ 排放的優(yōu)點，且常溫下為液態(tài)，便于儲存和運(yùn)輸，只需對現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行低成本改造即可廣泛應(yīng)用。因此，甲醇作為船舶低碳燃料在航運(yùn)業(yè)中迅速發(fā)展。

本文基于某集裝箱甲醇替代燃料改造項目，分析了甲醇燃料供給系統(tǒng)的改裝設(shè)計方案。

2 改造方案

2.1改裝船概況

本集裝箱船改造項目，原船長 368m 、型寬 51m 設(shè)計航速 22.5kn 。原燃料系統(tǒng)以傳統(tǒng)化石燃料為主，配備常規(guī)燃油艙、燃油供應(yīng)及輸送設(shè)備。此次改造旨在將甲醇作為替代燃料，提升船舶環(huán)保性能。改造目標(biāo)是在滿足船舶動力需求的同時，顯著降低溫室氣體和硫化物排放，符合國際海事組織減排標(biāo)準(zhǔn)。

改造范圍涵蓋甲醇燃料艙、加注系統(tǒng)、駁運(yùn)及供給系統(tǒng)、惰氣系統(tǒng)等多個甲醇燃料供應(yīng)相關(guān)系統(tǒng)。占用250個貨艙箱位改造成甲醇艙，獲取 10000m³ 艙容;重新規(guī)劃燃料加注、輸送、監(jiān)測及安全保障等系統(tǒng)，確保甲醇燃料在存儲、加注、使用過程中的安全與高效。

2.2甲醇供應(yīng)系統(tǒng)改造方案

為縮短改造周期，采用模塊化的設(shè)計理念，將整個甲醇改造分成多個單元模塊（如甲醇艙、透氣槍模塊、燃料準(zhǔn)備間模塊、日用柜模塊等），每個單元模塊均可在船舶進(jìn)廠改造前完成預(yù)制。具體改造項目如表1所示。

3集裝箱船甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)

本船在原始設(shè)計和建造時已經(jīng)為船舶替代燃料的改造做必要的預(yù)留工作，包括燃料艙區(qū)域的預(yù)留，燃料準(zhǔn)備間位置的預(yù)留和通風(fēng)、管系等必要的預(yù)留。改造后的甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)主要包括甲醇燃料供應(yīng)單元、燃料艙監(jiān)測系統(tǒng)、惰氣系統(tǒng)以及甲醇發(fā)動機(jī)，其布置如圖1所示。系統(tǒng)將甲醇燃料艙的甲醇供應(yīng)到日用艙，日用艙中的甲醇燃料經(jīng)過增壓過濾處理后，通過主機(jī)燃料閥組供給到主機(jī)，確保主機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。在集裝箱船甲醇供應(yīng)系統(tǒng)改造中，為了減小施工技術(shù)難度，縮短船臺周期，各單元應(yīng)放置于臨近的區(qū)域并靠近機(jī)艙以簡化管系布置。

注：A為甲醇燃料艙；B為甲醇日用艙amp;燃料準(zhǔn)燃油艙備間；C為燃油艙；D為機(jī)艙；E為通風(fēng)系統(tǒng)。

甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)子系統(tǒng)與外部設(shè)備交互關(guān)系如圖2所示。

4甲醇燃料艙及監(jiān)測系統(tǒng)

4.1甲醇燃料艙

集裝箱船的甲醇燃料艙有多種配置方案：1）將集裝箱船原燃料艙改為甲醇艙；2）除方案1）將原燃料艙改為甲醇艙外，還將部分壓載艙改為甲醇艙；3）原船燃料艙室不變，將部分集裝箱位改為甲醇艙；4）通過增加船長增加甲醇艙。顯然，方案1）會大大降低船舶航程，方案2）需增加深井泵，提高了成本，方案3）減少了載貨量，方案4）改造費(fèi)用巨大，綜合考慮，方案3）經(jīng)濟(jì)性較好，改造的部分燃料艙如圖3所示。

由圖3可知，沿船寬方向分割3個艙，設(shè)置3臺液壓潛液泵，實現(xiàn)儲艙分隔。同時，在艙底設(shè)置互聯(lián)管路，確保實現(xiàn)液壓潛泵的備用功能。在燃料艙改造中，為了確保在燃料艙結(jié)構(gòu)失效的情況下，易燃和有毒的甲醇不會在其他空間擴(kuò)散，燃料艙周圍均設(shè)置隔離空艙且對燃料艙及周圍區(qū)域做防火絕緣處理。

4.2甲醇燃料艙監(jiān)測系統(tǒng)

甲醇燃料艙的監(jiān)測系統(tǒng)是確保燃料存儲與使用安全的關(guān)鍵組成部分，該系統(tǒng)通過集成多種傳感器，實時監(jiān)測燃料艙內(nèi)的壓力、溫度、液位、甲醇濃度等關(guān)鍵參數(shù)。傳感器網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至中央控制單元，對系統(tǒng)報警值進(jìn)行設(shè)定，能夠及時識別潛在風(fēng)險，如泄露或壓力異常，并出發(fā)預(yù)警機(jī)制。甲醇燃料艙監(jiān)測系統(tǒng)的主控單元，考慮安裝在集裝箱船的駕駛室和集控室，方便值班人員進(jìn)行監(jiān)測和操作。

5甲醇燃料加注系統(tǒng)

圖4為甲醇燃料加注模塊，甲醇燃料艙的加注接頭的閥門VL應(yīng)當(dāng)具有手動截止與遙控截止功能，保證緊急情況下無論人員是否在場均可對燃料加注進(jìn)行控制。在燃料加注管路上應(yīng)串接有第二過濾器，以過濾掉來自加注燃料的雜質(zhì)，提高燃料純凈度。另外，燃料艙設(shè)置兩套液位報警，互為備用，以防在一套發(fā)生故障時產(chǎn)生燃料加注溢出事故。加注管的氮?dú)庾⑷胱饔檬窃谌剂霞幼⑶昂髮幼⒐苈愤M(jìn)行惰化處理。

6 甲醇燃料供應(yīng)單元

甲醇燃料供應(yīng)單元的主要作用是將燃料艙內(nèi)的甲醇經(jīng)過增壓加熱、多級過濾等處理后輸送至甲醇發(fā)動機(jī)中燃燒使用。不過，由于甲醇供應(yīng)單元的內(nèi)部處理模塊較多，會導(dǎo)致甲醇供應(yīng)過程中安全風(fēng)險大大增加，因此其在安全保障上也需采取一系列安全防護(hù)措施。

圖5為甲醇燃料供給單元系統(tǒng)圖，其主要包括甲醇燃料艙、甲醇駁運(yùn)泵及主閥、燃料閥組單元、甲醇發(fā)動機(jī)及甲醇回收單元，每個模塊由甲醇燃料供給管路依次連接，最后的甲醇回收單元又回接到甲醇燃料艙。從燃料準(zhǔn)備間至機(jī)艙主機(jī)之間的管路采用雙壁管，設(shè)置抽風(fēng)機(jī)對雙壁管環(huán)形空間進(jìn)行持續(xù)機(jī)械通風(fēng)，在雙壁管的環(huán)形空間設(shè)置氣體探測器，當(dāng)有甲醇泄露時能及時檢測并發(fā)出報警信號

在甲醇燃料供給單元中，甲醇駁運(yùn)泵與甲醇燃料艙相連，由泵將甲醇燃料艙中的甲醇抽出，通過燃料主閥輸送至燃料閥組單元。甲醇駁運(yùn)泵與主閥之間還設(shè)有回流支路，其通斷由壓力控制閥控制，另一端連接到甲醇燃料艙，對應(yīng)安裝的第一壓力變送器S則位于泵與壓力控制閥之間的管路上。當(dāng)由泵輸送甲醇燃料在管道內(nèi)壓力過大時，壓力變送器控制壓力控制閥打開，通過回流支路將燃料自動回流至甲醇艙中，以維持管道內(nèi)甲醇輸送壓力始終在閾值之下。

燃料閥組單元一般情況下安裝在燃料準(zhǔn)備間，閥組單元的控制部分和甲醇發(fā)動機(jī)一起布置于機(jī)艙內(nèi)，閥組單元的組成部分包括手動閥VS、第二壓力變送器S2、第一過濾器F1、供液主閥VM1、第三壓力變送器S3、第一流量計L1、調(diào)壓閥VP和第四壓力變送器S4，其間通過甲醇輸送管路依次連接，一起集成在密閉容器之中，為甲醇發(fā)動機(jī)提供合適壓力和流量的甲醇燃料。

圖6為閥組單元示意圖，手動閥VS用于隔離閥組單元與前路甲醇供給管路的聯(lián)系，當(dāng)閥組單元機(jī)后路的甲醇發(fā)動機(jī)單元需要維護(hù)和檢修時，手動關(guān)閉閥VS可保證檢修安全；供液主閥VM1是閥組單元的核心閥，用于控制甲醇燃料的供液和停止。第一流量計L1用于監(jiān)測整個甲醇燃料供給系統(tǒng)的甲醇燃料供給量，壓力控制閥VP用于調(diào)節(jié)供給甲醇發(fā)動機(jī)的燃料供給壓力，其開合由第四壓力變送器控制，當(dāng)閥組單元管路出口壓力值超過設(shè)定值，則壓力控制閥VP減小開度，增加管路阻力，限制甲醇流量，從而降低下游壓力。同時，回流支路的壓力控制閥可能同步開啟，將多余甲醇回流至甲醇艙，進(jìn)一步穩(wěn)定壓力。當(dāng)出口壓力低于設(shè)定閥值時，壓力控制閥VP增大開度，減少管路阻力，允許更多甲醇通過。此時，甲醇駁運(yùn)泵需提供足夠的揚(yáng)程（壓力）以滿足流量增加的需求。在閥組單元密閉容器底部設(shè)置有液位開關(guān)，當(dāng)液位開關(guān)檢測到管路有燃料泄露時，系統(tǒng)立即緊急停止。

甲醇回收單元包括回液主閥VR、第二流量計L2、熱交換器TH和溫度變送器T，通過管路依次相連，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。

甲醇發(fā)動機(jī)通過前端回液管路與回液主閥VR相連，溫度變送器T通過后端回液管路與甲醇燃料艙相連。回液主閥用于控制燃料回收管路的開合，當(dāng)需要對回收管路單元進(jìn)行檢修維護(hù)時，可關(guān)閉主閥以保證安全。第二流量計L2用于監(jiān)測燃料回收量，且通過第一流量計和回液流量計的差值可以精確計算甲醇發(fā)動機(jī)得燃料消耗量。在甲醇回收單元中設(shè)置有熱交換器，其主要作用是將從發(fā)動機(jī)回收的高溫甲醇燃料進(jìn)行冷卻處理，保證甲醇艙內(nèi)的燃料溫度正常，熱交換器有進(jìn)出兩個接口，用于冷卻液的循環(huán)作用。經(jīng)過熱交換器處理的甲醇燃料經(jīng)過溫度變送器T檢測，若溫度正常，則將燃料回收至甲醇艙，若燃料溫度異，則發(fā)出報警，緊急停止甲醇回收單元繼續(xù)工作。

通過設(shè)置泄放閥組和管路氮?dú)廨斎虢宇^，當(dāng)供應(yīng)系統(tǒng)停機(jī)或緊急跳閘時，可以將甲醇供應(yīng)單元內(nèi)殘留的甲醇燃料排出，防止將殘留的甲醇燃料反方向吹回至甲醇艙后因壓力升高導(dǎo)致危險事故發(fā)生的問題，保證了供應(yīng)系統(tǒng)的安全性。經(jīng)過集液盤收集排出的殘留甲醇可進(jìn)行回收后處理，這也減少甲醇燃料的浪費(fèi)。

7惰氣系統(tǒng)

船舶惰氣系統(tǒng)主要作用是為了給全船提供惰化所需的壓縮氮?dú)猓⑦M(jìn)行監(jiān)測調(diào)節(jié)。

甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)中設(shè)置有兩套惰化系統(tǒng)，由氮?dú)馄刻峁嚎s氮?dú)猓謩e接到甲醇燃料艙以及管路的惰化氣體輸人接頭，向燃料艙或管路內(nèi)充氮。在功能實現(xiàn)上，兩套系統(tǒng)有所區(qū)分，管路充氮系統(tǒng)主要為手動控制，在加注作業(yè)前后人為操作，而燃料艙充氮主要為自動控制，燃料艙內(nèi)設(shè)置有氧氣傳感器，燃料艙內(nèi)的氧氣濃度決定著燃料艙充氮系統(tǒng)工作與否。當(dāng)燃料艙內(nèi)氧氣濃度超過設(shè)定值時，為了保證燃料安全，自動打開氮?dú)馄恐寥剂吓摰某涞姶砰y，自動補(bǔ)充氮?dú)猓♂屓剂吓搩?nèi)氧氣濃度。當(dāng)氧氣濃度降低到設(shè)定氧氣濃度閾值之下，則電磁閥關(guān)閉，停正充氮。圖8為甲醇燃料惰氣系統(tǒng)圖。

8 電氣控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)

電氣控制、監(jiān)測和安全系統(tǒng)是確保甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的核心部分。系統(tǒng)不僅需要滿足甲醇燃料的要求，還需與原船的電氣系統(tǒng)無縫集成，確保整體運(yùn)行的協(xié)調(diào)性和安全性。

8.1控制系統(tǒng)

甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要包括主控單元、遠(yuǎn)程控制、自動化控制邏輯。主控制單元安裝在集控室，負(fù)責(zé)整個甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)的集中控制和監(jiān)控，通過冗余通信網(wǎng)絡(luò)與各子系統(tǒng)（如燃料閥組單元、惰氣系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)等）進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)實時控制和狀態(tài)反饋。遠(yuǎn)程控制站便于駕駛室和機(jī)艙值班人員對甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作和監(jiān)控。控制系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的邏輯自動調(diào)節(jié)甲醇燃料的供應(yīng)壓力、流量和溫度。

甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)的人機(jī)界面（HMI）安裝在集控室和駕駛室，為操作人員提供直觀的系統(tǒng)狀態(tài)顯示和操作功能。HMI界面實時顯示液位、壓力、溫度、氧氣濃度等關(guān)鍵參數(shù)，并提供歷史數(shù)據(jù)查詢、報警記錄和操作日志功能，便于故障排查和系統(tǒng)維護(hù)。

8.2監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)用于實時監(jiān)控甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在甲醇供應(yīng)流程中布置傳感器進(jìn)行實時監(jiān)測。關(guān)鍵傳感器（如液位計、氧氣分析儀）應(yīng)采用雙冗余配置，確保可靠性。傳感器網(wǎng)絡(luò)布置如表2所示。

8.3安全系統(tǒng)

甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)的安全系統(tǒng)旨在預(yù)防和應(yīng)對甲醇泄漏、火災(zāi)等緊急情況，主要包含氣體探測系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、緊急切斷系統(tǒng)（ESD）、惰氣系統(tǒng)聯(lián)動。

在甲醇艙、燃料準(zhǔn)備間、機(jī)艙等危險區(qū)域安裝可燃?xì)怏w探測器（如甲醇蒸氣探測器），實時監(jiān)測空氣中甲醇蒸氣濃度，當(dāng)濃度超標(biāo)時，系統(tǒng)觸發(fā)聲光報警并啟動應(yīng)急通風(fēng)系統(tǒng)。在甲醇艙和燃料準(zhǔn)備間周圍設(shè)置水霧噴淋系統(tǒng)和干粉滅火裝置，當(dāng)火災(zāi)探測器檢測到火情時，系統(tǒng)自動啟動滅火裝置，同時向集控室和駕駛室發(fā)送報警信號。在甲醇艙、燃料準(zhǔn)備間和機(jī)艙的關(guān)鍵位置設(shè)置緊急切斷閥，當(dāng)系統(tǒng)檢測到泄漏、火災(zāi)或其他緊急情況時，ESD系統(tǒng)自動關(guān)閉所有切斷閥，停止甲醇供應(yīng)。惰氣系統(tǒng)與控制系統(tǒng)聯(lián)動，當(dāng)氧氣濃度超標(biāo)或系統(tǒng)檢測到潛在危險時，自動啟動惰氣裝置，向甲醇艙和管路充入氮?dú)猓_保系統(tǒng)處于惰性狀態(tài)。

8.4電氣系統(tǒng)集成

甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備（如主控制單元、風(fēng)機(jī)、泵等）采用雙路供電設(shè)計，分別接入主配電板和應(yīng)急配電板，確保在主電源故障時系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行。甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)與原船的AMS系統(tǒng)、閥控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等通過冗余通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信號交互，確保數(shù)據(jù)實時傳輸和系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)行。甲醇供應(yīng)系統(tǒng)框架圖如圖9所示。

在危險區(qū)域（如甲醇燃料艙、燃料準(zhǔn)備間）的電氣設(shè)備采用防爆設(shè)計，并確保所有設(shè)備可靠接地，防止靜電或電火花引發(fā)危險。

聲光報警器燃料準(zhǔn)備間燃?xì)馓綔y、報警 閥控箱1號 風(fēng)機(jī)、泵組合啟動屏1號機(jī)艙 液位探測、報警 閔控箱2號 風(fēng)機(jī)、泵組合啟動屏2號火警探測

9 結(jié)語

本文緊扣集裝箱船甲醇燃料供應(yīng)系統(tǒng)改造的需求，通過將甲醇燃料艙、加注系統(tǒng)、供應(yīng)單元進(jìn)行模塊化集成設(shè)計，在滿足船東對貨運(yùn)能力需求的情況下盡可能降低裝箱損失，實現(xiàn)了燃料系統(tǒng)的高效布局與空間優(yōu)化。在安全防護(hù)方面，引入雙壁管通風(fēng)監(jiān)測、多在安全防護(hù)方面，引入雙壁管通風(fēng)監(jiān)測、多級壓力智能調(diào)節(jié)以及惰氣濃度自適應(yīng)控制技術(shù)，有效降低了甲醇泄漏、壓力異常等風(fēng)險；同時，利用冗余傳感器網(wǎng)絡(luò)與自動化控制系統(tǒng)，確保關(guān)鍵參數(shù)的實時精準(zhǔn)監(jiān)測與動態(tài)響應(yīng)。該方案不僅驗證了甲醇燃料在船舶動力系統(tǒng)中的工程適用性，更為航運(yùn)業(yè)應(yīng)對低碳轉(zhuǎn)型壓力提供了可行的技術(shù)路徑。

參考文獻(xiàn)

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