雙燃料蘇伊士型油船燃氣系統設計

譚增檢

（廣州燃氣集團有限公司，廣東廣州 510623）

0 引 言

國際海事組織（International Maritime Organization，IMO）的海上環境保護委員會（Marine Environment Protection Committee，MEPC）第70 屆會議決定將2020 年1 月1 日作為船舶全球0.5% m／m（質量百分比）燃油硫含量標準的實施時間［1］。液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）是一種無色、無味、無毒的低溫液體燃料，相比傳統的柴油燃料，具有低價格、高熱值和低污染等優點，現已得到廣泛應用［2］。為此，采用LNG作為燃料成為船東考慮的主要燃油替代方案之一，近幾年采用LNG雙燃料動力的新造船越來越多。

某雙燃料原油船是蘇伊士型油船，總長約274.0 m，型寬48.0 m，型深23.7 m，服務航速14.2 kn，為全球首艘采用LNG雙燃料動力的蘇伊士型油船，其主機、發電機及鍋爐均采用雙燃料，入級美國船級社（American Bureau of Shipping，ABS），掛旗國為利比里亞，其中主機為MAN ME-GI 機型的高壓供氣系統，發電機及鍋爐為低壓供氣系統。

下面就該船的燃氣系統設計及其布置作基本介紹。

1 燃氣系統基本介紹

1.1 原 理

LNG燃氣系統主要包括燃料加注系統、燃料圍護系統、燃料處理系統和蒸發氣（Boil Off Gas，BOG）處理系統，主要功能是通過船上的加注站將LNG燃料加注到儲存艙中，經燃料供應系統將LNG加熱氣化并在預定范圍內調整其溫度和壓力，為船舶燃氣用戶提供所需的燃氣量［3］。本文所述船舶的燃氣系統的基本原理見圖1。為保證燃氣系統的正常運行，還需配置輔助及控制安全系統，主要包括乙二醇／水循環加熱系統、燃氣透氣及泄放系統、控制空氣系統、可燃氣體探測系統、氮氣系統、燃氣控制／監測及安全系統、船岸通信及應急切斷系統、火災報警系統、干粉滅火系統、CO2滅火系統和水噴淋系統等。

圖1 158 000載重噸雙燃料原油船燃氣供應系統基本原理圖

下面主要介紹燃料圍護系統、燃料加注系統和燃料供應系統的設計與布置。

1.2 燃料圍護系統的設計和布置

該船的燃料圍護系統主要包含2 個IMO C型LNG儲存罐，為單壁單圓筒形，帶球形封頭，外部敷設絕熱材料和相關機械保護封皮。每個儲存罐都裝有2 臺潛液式燃料輸送泵，用于駁運LNG 至高壓增壓泵組和高壓／低壓蒸發器，同時還可用于在2 個儲存罐之間駁運LNG，LNG燃料輸送泵由恒轉速電機驅動，以最小流量通過艙內噴淋管回注LNG燃料儲存罐。具體設計參數見表1。

表1 LNG燃料儲存罐設計基本參數

基于主機CSR（Continous Service Rating）功率下的燃料消耗，船舶在設計吃水為17.15 m，服務航速為14.2 kn的情況下航行時，其LNG燃料儲存罐容積應滿足續航力約為17 000 n mile。

LNG燃料儲存罐布置在露天上甲板的貨油艙區域，左右舷各1 個，位于上層建筑（以下簡稱“上建”）前壁與貨油集管區之間，距離上建前壁約19 m，2 個儲存艙之間的距離約為18 m，左右舷的儲存罐舷側外壁（不含絕緣）距離舷側外板約4.6 m，LNG 燃料儲存罐的布置位置需滿足《使用氣體或其它低閃點燃料船舶國際安全規則》（International Code of Safety for Ships Using Gases or Other Low-Flashpoint fuels，IGF Code）的要求。

每個LNG燃料儲存罐設置1 個氣室，用來布置燃料輸送泵管路、通道人孔及梯道、內外部接管和儀器儀表等?？紤]到艉傾，在應急情況下儲存罐內的燃料盡可能地排空，氣室及燃料輸送泵吸井宜布置在燃料艙靠艉部的一端。在氣室操作平臺處設置1 臺0.5 t重的小吊，用來檢修燃料輸送泵或其他零部件。

每個LNG燃料儲存罐通過2 個鞍座安裝在甲板上，其中一個鞍座為固定式，另外一個為滑動式，通?？拷鼩馐乙粋鹊陌白鶠楣潭ㄊ?，見圖2。

圖2 燃料儲存罐總布置圖

LNG 燃料儲存罐的支撐、絕熱材料及內部管系和設備均根據廠家推薦選取。

1.3 燃料加注系統的設計和布置

LNG加注系統的設計和布置應滿足國際氣體燃料動力船協會關于氣體燃料加注站技術指南（SGMF TGN 06-04）的要求，本文所述船舶在露天上甲板左、右舷燃料儲存罐的前端各設置1 個LNG燃料加注站（見圖3），每個加注站內均設1個8 in（1 in ＝0.025 4 m）的液體燃料加注接頭和1 個6 in的蒸發氣回氣接頭，設計壓力為1 MPa，加注速率為800 m3／h，另外配備1 臺便攜式小吊用來吊運加注用快速接頭或其他配件。

圖3 LNG加注站立體圖

LNG管既用于充裝LNG，又用于排出LNG；蒸發氣管路用于蒸發氣與岸上之間的傳輸。

加注站的零部件主要包括液化天然氣連接接頭及盲板法蘭（8 in）、蒸發氣回氣接頭及盲板法蘭（6 in）、用于蒸發氣回氣管的可手動和遙控操作的應急切斷閥、用于LNG 管的手動隔離閥和電動液壓應急切斷閥、集液盤和溫度傳感器、船岸通信線路、液化天然氣加注管路濾器（篩網規格0.84 mm）、氮氣吹掃接頭、溫度及壓力表等。

根據IGF Code的要求，在加注站區域應設置一套固定安裝的化學干粉滅火系統，其滅火能力應確保至少能以3.5 kg／s的速率釋放45 s，另外還應至少設置1 具容量不少于5 kg的手提式干粉滅火器［4］。

在加注LNG燃料過程中，為防止LNG泄漏之后與船體結構直接接觸導致其受損，配置水幕系統保護該區域。

1.4 燃氣供應系統的設計與布置

1.4.1 燃氣供應系統

燃氣供應系統包括以下2 部分：1）LNG燃料處理系統。通過燃料儲存罐上的燃料輸送泵將LNG 輸送給高壓和低壓氣化蒸發器，LNG先被水乙二醇加熱氣化成低溫天然氣，再由氣液分離器分離出未氣化的液體之后，隨后通過加熱器，利用水乙二醇加熱到用戶所需的溫度，經緩沖罐進入氣體閥件單元（Gas Valve Unit，GVU）供燃氣用戶使用。

2）BOG處理系統。燃料儲存罐內的LNG會因壓力發生變化而產生BOG，通過壓縮機對這部分氣體進行壓縮，形成高溫高壓的氣體，并經過后冷卻器與低溫水乙二醇換熱，到達用戶所需的溫度，隨后經緩沖罐進入GVU供燃氣用戶使用。

為滿足上述功能，燃氣供應系統的主要設備有LNG高壓增壓泵、高壓／低壓蒸發器、BOG預熱器、水乙二醇加熱器／冷卻器、高壓／低壓燃氣緩沖罐、水乙二醇熱水／冷水膨脹柜、水乙二醇循環泵和BOG壓縮機等。

1.4.2 燃料處理間的布置

本文所述船舶將上述燃氣供應系統的主要設備設計成若干個撬塊單元，包括BOG 壓縮機單元、燃料氣化及加熱單元、LNG高壓增壓泵組單元和水乙二醇系統單元等，并將其布置在一個專用艙室（俗稱燃料處理間）內，根據各撬塊單元的外形尺寸和檢修空間確定燃料處理間的尺寸為17.8 m×11.2 m×4.5 m，見圖4。

圖4 燃氣處理間布置圖

該船的燃料處理間布置在露天上甲板，位于左右舷2 個燃料儲存艙之間，為A類機器處所，其面向燃料艙的艙壁采用“A-60”級防火分隔。

根據IGF Code的要求：燃料處理間應設置有效的負壓機械通風系統，通風能力應至少為每小時換氣30次；風機的數量和功率應滿足從主配電板或應急配電板由獨立線路供電的1 臺風機失效，或從主配電板或應急配電板由公用線路供電的1 組風機失效時，通風能力不應下降超過50%［4］。

因此，結合對通風量的計算，為燃料處理間配備2 臺風量為28 000 m3／h、靜壓為400 Pa 的防爆軸流風機，將其布置在房間頂部。

另外，燃氣處理間面向燃料儲存罐的外圍壁還應設置水噴淋系統，房間內應配備CO2滅火系統，其容量均應根據房間的尺寸計算。

2 燃氣系統主要設備的綜合布置

根據前面的介紹，與燃氣系統有關的設備主要包括LNG加注站撬塊、LNG燃料儲存罐及氣室、燃料處理間的設備（如BOG壓縮機單元、燃料氣化及加熱單元、LNG高壓增壓泵組單元和水乙二醇系統單元等）、用戶設備（如主機、發電機及鍋爐等）和輔助系統設備（如氮氣系統設備、水噴淋系統設備、CO2滅火系統設備和干粉滅火系統設備等）。

本文所述船舶為原油船，其上建居住區及煙囪圍島布置在艉部，貨艙區露天甲板從上建貫穿至艏部，因此加注站、LNG燃料儲存罐和燃料處理間均布置在貨艙區的露天上甲板，其中，加注站撬塊的外形尺寸為3.6 m×4.8 m×3.7 m，LNG燃料儲存罐的外形尺寸為36.8 m ×10.8 m ×10.8 m，燃料處理間的尺寸為17.8 m×11.2 m×4.5 m，外形尺寸較大，且油船貨艙區上甲板貨油及船舶系統管束眾多，舾裝件及設備布置錯綜復雜，再加上燃氣系統有諸多管束及設備等，合理地對這些設施進行綜合布置顯得尤為重要。

結合相關規則、規范的要求，綜合布置的思路如下：

1）LNG燃料儲存罐及氣室的布置。根據IGF Code的要求，當燃料儲存罐位于開敞上甲板時，若面向燃料儲存罐的上建等的限界面與燃料儲存罐之間的距離小于10 m，則需在其限界面設置水噴淋系統。為節約成本，減少不必要的水噴淋系統，燃料儲存罐宜盡可能地遠離上建居住區，即盡可能地往船首方向布置，但因燃料儲存罐外形尺寸較大，還要考慮駕駛室巴拿馬視線盲區的要求。氣室的布置應考慮燃料輸送泵吸井盡可能地位于氣室正下方，且最好布置在燃料艙尾端，當船舶艉傾時，在應急情況下燃料儲存罐內的燃料能盡可能地被排空。

2）加注站布置。根據SGMF-TGN 06-04 的推薦，加注站應盡量布置在船體結構平行中體范圍內，左舷液相管接頭布置在尾端，氣相管接頭布置在首端，右舷反之［5］。由于加注站與燃料儲存罐之間的管路為低溫雙壁管，且需包覆絕緣材料，因此為節約建造成本，此段管路應盡量短，即加注站應盡量布置在燃料儲存罐附近。

3）燃料處理間的布置。該房間主要布置燃料處理設備，LNG從燃料儲存罐輸出之后先經過燃料處理設備處理，再供給機艙的主機、發電機及鍋爐等使用，因此該房間應盡量靠近燃料儲存罐的氣室，并盡量靠近機艙區域，縮短液相和氣相管路，減小供氣管路的壓力和溫度的波動。本文所述船舶的燃料處理間布置在左右舷2 個燃料儲存罐之間，靠機艙側，且房間架空，上甲板縱向管束布置在房間下方，燃氣系統的高低壓透氣桅布置在房間頂部靠艏端。

結合上述思路，本文所述船舶的LNG加注站、燃料儲存罐及氣室和燃料處理間的綜合布置方案見圖5 和圖6。

圖5 系統設備綜合布置側視圖

圖6 系統設備綜合布置俯視圖

3 結 語

目前我國在油船上應用LNG燃料還處于起步階段，已完成設計和建造的LNG雙燃料動力油船較少，尤其是蘇伊士型油船尚屬空白，通過本文的介紹，可對LNG雙燃料動力油船燃氣系統的原理有基本的認識，并掌握燃氣系統主要設備綜合布置的注意事項及要領。本文所述燃氣系統設計和設備布置滿足規范的要求，整體結構布局緊湊合理，有利于降低建造成本，可供后續同類型船舶的燃氣系統設計和布置參考。