浅谈双燃料主机LNG燃料系统

浅谈双燃料主机LNG燃料系统

李成义

                  江苏大津重工有限公司

摘要：双燃料主机是以液化天然气和燃油作为燃料的发动机，发动机可用天然气运行，也可以用燃油运行，运行中天然气和燃油可以平稳转换.当使用天然气运行时，它的热效率高，因而经济性好，特别是发动机的排气中所含的硫化物和氮化物都大大减少，这些优点使双燃料主机越来越多地在船上得到应用。双燃料船舶动力系统是一个很热门的话题，很多船厂和设计单位都在进行技术开发，很多船东对订造这样的船舶很感兴趣。本文仅结合12000多用途项目的前期设计主要探讨一下双燃料主机的液化天然气（LNG）燃料系统的设计和应用。

关键词：船舶  主机   燃料   LNG

第一章 绪论

1.1. 课题背景及意义

由于酸雨污染，大气层温室效应，土壤富营养化等一系列大气环境问题，为应映国际社会的强烈要求，国际海事组织最早于1997年引入防止船舶大气污染的规则，即MARPOL公约附则六。经过多年的修订，现在MARPOL公约附则六在硫氧化物，氮氧化物，二氧化碳的排放方面设置了一系列要求，而且是渐进的越来越严格的要求，特别是排放控制区域（ECA)对硫化物和氮氧化物的排放要求（如北海，波罗的海，地中海及美国海岸线等）。

减少大气污染物排放的方法有很多，比如，减少硫氧化物排放可以使用低硫油；减少氮氧化物排放用废气选择催化处理方法；当然还有其他方法。但是，与低硫船用燃油（MGO)相比,天然气具有价格优势；与废气选择催化发相比，减少了维护成本；所以就目前所掌握的技术手段来说，使用天然气（LNG）作为船舶动力装置的燃料是一种切实有效的减排措施。它可以几乎完全杜绝硫氧化物排放，可以减少约90%的氮氧化物的排放，并且可以减少差不多20-25%的二氧化碳排放；同时随着燃油的价格上涨，天然气热效率高，经济性好，使用LNG也可以为船东节省船舶营运费用.

LNG作为燃料在船上使用已经有超过40年的历史，但那都是在LNG运输船上使用，随着国际上对环保，防污染的要求越来越高以及燃油价格的不断上涨，除了LNG运输船外，其它船型的主机使用LNG燃料者日趋增多。

第二章 LNG燃料系统

   LNG燃料系统的主要组成是LNG燃料供应系统，同时还配有通风透气系统，惰性气体系统及检测报警系统等安全监控系统以保证整个系统运行安全.

图1-1  MAN B&W GI低速机气体燃料系统原理

2.1. LNG燃料供应系统

LNG燃料供应系统主要由LNG加注站，LNG储气罐，LNG蒸发器，LNG加热器，供气缓冲罐，水乙二醇单元，LNG供应管路，气体阀组等组成.

现在各LNG系统供应商已经开发出LNG燃料供应模块，从加注LNG燃料的法兰开始到供气主阀的整套设备及系统，可以用于集装箱船，多用途船等船舶.这个模块包括了LNG加注站，LNG储气罐，LNG燃料处理，阀及管路系统等.

2.1.1 低压LNG燃料供应系统

根据不同的机型和厂家，储气罐的类型，设计压力等，LNG燃料供应系统主要有以下几类：

（1）.低压LNG燃料供应系统一.

工作原理：

储罐采用双真空绝热罐，储罐的设计压力大约9-10Bar, 供气压力6Bar. 当没有燃气消耗时，储罐的压力可以至少维持15天不超压。采用增压蒸发器给储罐增压，利用储罐的自压使LNG液体流经LNG蒸发&加热器，经过气化加热后供给机舱内的燃气设备使用。气化、加热能力根据主机的耗气量自动调节。

特点：

a. 储罐绝热性能好，降低日蒸发率，延长储罐蓄压时间。

b. 无需LNG泵及燃气压缩机，系统操作简单，维护费用低。

c. LNG蒸发&加热器采用螺旋盘管结构，不会产生气阻。

d. 适用于货罐容积较小的双真空绝热压力储罐，储罐容积应不大于300立方。

（2）.低压LNG燃料供应系统二.

工作原理：

系统由外包绝热层的C型储罐，氮气循环系统，储罐内的加热盘管，燃气加热器，及控制系统等组成。氮气循环系统内的风机使氮气参与循环，流经储罐内的加热盘管使储罐内的LNG液体气化，使罐内的工作压力达到6Bar, 储罐内的蒸气直接经过蒸气管线流经燃气加热器后直接供给船上的气体燃气机使用。通过控制进入储罐加热盘管内的氮气的流量来控制储罐的压力及供气压力。通常，储罐设计压力不小于9bar ，以满足更长的蓄压时间。

特点：

a. LNG气化在储罐内产生，系统无需设置燃气缓冲罐。

b. 储罐上所有的接口布置在最高液面上，无需设置承滴盘。

c. 采用氮气作为加热介质使系统更安全可靠。

d. 氮气循环系统吸收的冷能可以得到有效利用，比如用于船上的空调系统和食物储存。

e. 由于储罐设计压力较高，适用于较小的燃料罐，储罐的容积应不大于800立方。

2.1.2. 高压LNG燃料供应系统.

     当主机采用的是MAN B&W的GI型双燃料低速柴油机，为了满足此型柴油机所要求的进机压力，需要设计高压LNG燃料供应系统.

工作原理：

高压燃气供气系统主要用于MANME-GI主机,压缩单元,LNG泵，LNG增压泵，LNG日用罐，高压蒸发&加热器等组成。可通过蒸发燃气压缩机对储罐内的蒸发气进行处理以提供6Bar燃气至船上燃气发电机或锅炉，当储罐蒸发速率大于发电机供气量时，这部分燃气可通过高压套管式换热器的预冷后回到LNG日用罐内进行冷却，我们称之为“自平衡式再液化”。LNG泵转移低温液体（-160℃）至LNG日用罐，保证日用罐内的压力维持在6Bar左右，温度-132℃以下。“自平衡式再液化”只有在主机处于工作状态下，且主机的耗气量大于储罐蒸发速率的6倍方可有效使用。增压泵连续运转以提供300公斤压力的液体至高压套管式换热器。

特点：

a. 自平衡式再液化节省的安装费用。

b. 高压套管式换热器易于加工制造。

c. 系统能耗低

2.1.3. LNG储罐

因为船型的不同，现场的布置要求以及船东对货物装载的要求不同，LNG储罐主要分为以下三种：

1. 双真空绝热罐

特点：

a. 绝热性能好。

b. 蓄压时间长

c. 储罐容积不宜过大

d. 制造费用高.

2.外包绝热层的压力储罐

特点：

a. 其绝热性能取决于绝缘层的厚度。

b. 与罐相连的所有开口位于储罐最高液面上，无需设置承滴盘

c. 蓄压时间取决于储罐的设计压力和工作压力

3. IMO“B”型舱

特点：

a. 罐舱形状不受约束。

b. 蓄压时间短。

c. 适合较大容积的储罐

对于双真空绝热罐和外包绝热层的压力储罐的安装，为了防止罐体的低位影响船体结构，导致船体结构脆化，储罐自带基座与船体基座螺栓连接时，之间需要安装环氧或层压木作为垫块隔冷.

2.1.4. LNG燃料供气系统的主要附件

1. LNG加注站

   考虑LNG的低温特性，加注站的所有材料应为不锈钢材质；为了防止加注LNG时有泄露，脆化碳钢材料，加注站要安装水雾系统，用以稀释泄露的LNG；同时为了保护船体外板，应安装水帘和不锈钢水盘；现在各厂家提供的加注站基本都为模块设计，厂家整体供货.

2. 供气阀组

   现在MAN和WARTSILA的双燃料柴油机所推荐的供应管路设计均有供气阀组，每台柴油机须配一套供气阀组.

   供气阀组包括气体压力控制阀，，串联的隔断阀，连锁气体阀（保证气体安全可靠运行），手动关闭阀，惰气接口，滤器（5μm），气体压力控制阀（根据柴油机负荷调整气体压力），通风阀，压力传感器及压力表，温度传感器和控制箱等.

   供气阀组要尽可能的靠近柴油机，供气阀组和柴油机之间的管路要尽可能短，各柴油机厂家均有具体要求（例如，WARTSILA的50DF双燃料柴油机要求长度不超过10m，MAN的51/60DF双燃料柴油机要求长度不超过20m）.

3. 水乙二醇系统

水乙二醇系统是为蒸发/加热器加热的中间系统，一般为有供应商集成供货。船厂负责热油或蒸汽或主机缸套水供应，为水乙二醇系统加热；

4. 蒸发器

   蒸发气有两种，增压蒸发器和气体蒸发器.

增压蒸发器用于保证LNG储罐的正常工作压力，当天然气在正常航行过程中消耗时，要通过增压蒸发器来维持LNG储罐的正常工作压力。

  气体蒸发器用于将LNG又液态蒸发为气态，并按照柴油机厂家的推荐调整天然气的温度.

5. 供应管路

按照现在的设计发展，现在的LNG燃料供应管路多采用双层管壁管（见下图）.双层管壁的夹层中可以充以惰性气体，且惰性气体的压力要始终大于气体燃料的压力，当惰性气体压力低时报警.

也可以采用气密导管，但导管内部要提供每小时换气不少于30次的机械通风.

2.2. LNG燃料安全及监控系统

LNG作为一种非常安全的能源，即可以减少对环境的破环，也为船东节省船舶营运费用，是可以大量使用的清洁能源，但是LNG作为低闪点的燃料，具有易燃易爆特性，所以仍有一定潜在的危险性.

现阶段船舶多采用以天然气和燃油为燃料的“本质安全型”机器处所。机器处所通过增强通风能力、加强可燃气体探测与报警，在其气体燃料管路上采用双层管等方式，有效防止燃料气体泄漏带来的危险。

目前国际海事组织也制定了正式的“国际气体燃料或其它低闪点燃料动力船舶安全规则（IGF Code”，同时还有“国际散装液化气体运输船规则（IGC Code）”，各船级社也制定了自己的规范用于加强检验气体燃料动力船舶.

2.2.1 通风系统

管壁的夹层要提供每小时换气不少于30次的机械通风，防爆风机与主机实现双燃料模式运行连锁，即当通风机开启一段时间以后，发动机才能采用LNG模式运行，当风机因故关停时，发动机能自动转换为燃油供应。

LNG储罐区域也要设计为连续通风，通风的出口要布置在开敞甲板以上6m；同时要求通风口直径3m内的电气设备为防爆型.

2.2.2 可燃气体探测系统

安装两套独立的本质安全型可燃气体探测装置，能对所有可能发生LNG泄露的区域（包含双层管壁的夹层）有效覆盖并能连续工作，当可燃气体浓度达到10%LEL（可能引起爆炸的最低气体浓度极限点）时，发出听觉和视觉报警，达到20%LEL时，切断通往机舱的气体燃料的供应，发动机自动转换为全部燃油供应。

双燃料柴油机的曲轴箱，滑油循环舱，高低温水膨胀水箱等也要设有便携式可燃可燃气体探测器接口和惰性气体接口。

2.2.3. 火灾探测及报警系统

增设防爆型的火灾探测及报警系统，探测系统动作时，可自动切断通往机舱的气体燃料的供应。

总之，LNG燃料的安全及监控设置可以按照供气系统生产厂家的推荐，但必须满足IGF code ，IGC code以及各船级社规范的要求.

结束语

液化天然气（LNG）作为船用燃料具有体积小、热值高，储量大、供应足，排放低、污染少，易运输、更安全，以及成本低且市场稳定的优势。面对环保以及竞争的压力，液化天LNG作为新兴的船用动力燃料日益受到航运业的关注和青睐。但是，LNG作为新兴船用动力燃料，在我国应用和推广依然面临很多挑战。针对LNG的应用特点和危险特性，文中提出了对船舶进行柴油/LNG双燃料动力系统设计的一些要素，但其科学性仍有待进一步的研究。怎样使LNG更好的作为一种船舶新型能源服务于社会，将是我们不断努力研究，探索的课题。

参考文献

［1］ 牛利民 李淑英. 船舶燃气轮机结构  哈尔滨工程大学出版社 2007 

［2］ 国际气体燃料或其它低闪点燃料动力船舶安全规则（IGF Code） 2014

［3］ 黄恒祥等. 船舶设计实用手册（第3版） 国防工业出版社  2013

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