基于VLCC船LNG燃料供给系统设计

李博洋，邱力强，田东方，于成龙

(1．青岛远洋船员职业学院机电系，山东青岛266071;2．中远集团研发/技术中心，北京100031;3．中国科学院海洋研究所，山东 青岛266068)

0 引言

当前国际石油价格忽高忽低，船舶燃油燃烧排放的SOx和NOX不能达到国际新公约有关限制排放区域的要求，而且每年都新增很多的限制排放区域，对船舶排放的要求越来越高。解决此问题有2个途径:一是采用船舶尾气处理装置，这种方法效率低，成本高;二是采用新能源 LNG，没有 SOx，而且NOX会下降很多，这种方法对于解决船舶排放较为理想，成本低，符合全球能源的发展趋势。但目前LNG作为船舶燃料主要应用在近海渡轮和小型内河船上，大型远洋商船很少使用，原因是燃料舱布置、供气管线的设计、蒸发气的处理、PBU的控制以及加注等技术难题需要不断解决或完善，针对上述问题下面进行探讨和研究。

1 母型船

本研究选取某公司1艘典型30万吨级油轮(VLCC)，选取航线为中东至国内。船舶主要参数如表1所示。

表1 VLCC船主要参数Tab.1 The main parameters of VLCC

选取船型和航线的主要依据是:1)船舶装卸货港相对比较固定即国内或中东国家的港口，并且中东、新加坡和国内都有LNG船装货站或接收站，未来更易解决LNG动力船燃料的加注;2)燃料消耗量大有利于提高经济性和减排效果;3)VLCC船解决LNG燃料舱的布置比其他船型更容易实现，甲板上有充足的空间;4)航线比较固定，船舶每年靠泊的港口也相对固定，避免了不定航线和其他类型船舶挂靠港口多、随意性强，可能解决不了LNG加注的问题。

2 燃料储罐的设计

2.1 加注方案和燃料消耗计算

考虑到未来中东港口、国内港口和必经之地新加坡港都能进行LNG加注，并且按照降速航行 (主机负荷的70%计算)实际情况，航线情况如图1，同时，考虑到VLCC船的安全性 (满载情况下一般不在新加坡加注燃料)和LNG价格等因素，最终确定续航力按照32天计算 (中东加注1次，空载在新加坡加注1次)，并将32天船舶柴油机所消耗的燃油量换算成同等热值的LNG数量，求出LNG的消耗数量为4 427.31 m3。

图1 航线Fig.1 Ship route

2.2 燃料储罐的设计

LNG燃料的储存如果布置甲板之下会对货舱的舱容产生一定的影响，并且在甲板之下密闭舱室往往通风不好，通常还需要加装许多特殊的装置以满足各种规范的要求［2］。为此，针对上述问题，用2个C型独立式全容储罐作为LNG燃料舱布置在船舶上层建筑前面的主甲板上，设计的3D效果图如图2所示。另外，因该船宽60 m，能达到IGF规则中的在敞开式甲板的布置要求［3］。

图2 LNG罐布置图与3D效果图Fig.2 LNG tank layout and 3D renderings

2.3 内压容器结构计算

选取LNG储罐内径尺寸为Φ11 000 mm×20 000 mm，封头采用标准椭圆封头，据压力容器的标准查得封头总深度Hi=2 800 mm，通过下式计算:

式中:Di为内罐内径;Hi为封头总深度。由椭圆体计算公式，求出封头体积:

式中:a，b为罐内径的一半;a，b，c分别为椭圆各轴长的一半;c为椭圆封头的深度Hi－hi。

由椭圆体体积计算公式和圆柱体计算公式得出罐的体积V=2 257.38 m3。

查相关规范得，9Ni钢在低于20℃时的许用应力为252 MPa，由内圆筒壁厚计算模型:

式中:φ为焊接接头系数;P为内圆筒设计压力;［σ］为9Ni钢的许用应力。

求出LNG罐内壁厚度 δ=14.56 mm，取值15 mm。同样可得内压椭圆封头的壁厚δ1=14.57 mm，取值15 mm。

经过上述计算后 (按照最大装载率考虑)［4－7］，设计储罐的参数如表2所示。

3 燃料供给系统的设计

3.1 系统设计

为VLCC船设计的LNG动力供气系统如图3所示。储罐内的LNG燃料驳出后，一路通过高压泵增压至30.0 MPa，再经过换热器 (乙二醇溶液)加热气化至40℃变为气态天然气送至主机 (ME－GI)，其中乙二醇溶液采用船舶主柴油机的缸套冷却水或船舶蒸汽加热［8］;另外一路由低压汽化器加热后直接送至发电柴油机 (DF－GE)，由于发电柴油机相对主机负荷较小，因此该路的LNG消耗量较小。此外，LNG在经高压气化器时释放出大量冷能，可以考虑利用其LNG冷能，在高压气化器之前加设冷能利用装置［9］。

系统中高压泵、高压气化器、低压气化器、PBU、再液化装置及2个LNG罐的主要管线布置在甲板上的供气室内 (见图2)，图4为甲板上供气示意图。

图4 甲板上供气示意图Fig.4 The LNG gas supply system in deck

3.2 BOG的处理措施

在实际船舶运营中，船舶机动航行、锚泊或者船舶大、小航修等情况下，由于LNG储罐向外供应少量LNG消耗或者不消耗，此时储罐内的LNG不断从外界吸热，产生BOG(蒸发气)，导致储罐的压力上升，压力超过安全阀起跳压力，安全阀打开，LNG逸出，造成燃料浪费和大气污染。针对这种情况有2种处理措施:1)在船舶机动航行或锚泊BOG产生量不太大时，可以通过VLCC船固有的辅锅炉进行燃烧，从而无需为解决BOG问题设立专门的燃烧系统，大大减低了系统的改造成本;2)在船舶停泊时间较少或长时间修船，机舱的锅炉停用时，可以通过小型再液化装置对BOG进行再液化处理，同时也保证了无论船舶在何种情况，都不会出现将LNG储罐内BOG排放至大气的状况，避免经济损失和甲烷带来的“温室效应”。

3.3 压力再建装置 (PBU)

PBU用于维持LNG储罐内有一定的正压，保证将储罐内的 LNG液体排出来［10］。如果机舱内主、副机的LNG燃料持续消耗量较大，此时储罐内仅靠自然吸热从外界获得热量产生的气态天然气的体积比排出去LNG的液体的体积小，就会引起LNG储罐的压力持续下降。当压力太低，甚至负压时，LNG液体排不出来，供气失败。当储罐内部的压力接近设定压力值下限时，压力信号会输送到控制阀，PBU就会通过控制加热汽化或者旁通供气系统中部分气体LNG流回储罐，以保持储罐内合适的压力。

4 安全措施

LNG动力船供气系统中的天然气燃料是易燃易爆的气体，在实际生产中一旦发生泄漏，将会对供气管线周围的处所产生潜在的火灾或爆炸风险，因此，LNG的泄漏风险的防护是非常重要的。机舱外的管线发生轻微泄漏可以自然排放到大气中，机舱内和供气室的泄漏则较危险，需采用通风系统强制排放。

4.1 供气管的通风

船舶主机的供气喷射阀位于气缸头上，且为高压供气系统，喷射阀和供气管全部采用双壁管结构。用于通风空气的进口由主机扫气双壁管出机舱处引出，其排风机应设在供气管进入机舱之前的供气管上，双壁管内的空气流向和燃气流向相反。风机进气口安装在甲板上，且位置要保证安全区域的新风能被吸入，排出口的位置及高度符合中国船级社《天然气燃料动力船舶规范》的要求 (见图5)。根据CCS相关规范:通风机应为防爆型，而且电机不能安装在风道中，该空间的通风次数应至少大于30次/h。此外可在双壁管中间加上几个传感器，用于泄漏测量及报警。

图5 主机供气管路通风Fig.5 Ventilation of supply pipe for main engine

发电柴油机供气管路通风系统也类似，但是在每台柴油机新风入口应加一只风量调节阀，便于调节进入每台发动机供气管通风空间的空气量。

4.2 供气室通风系统

供气室属于甲板上密闭舱室，内有各种LNG相关处理设备和一些阀件，容易发生泄漏，且伴有人员出入，所以供气室需有一个独立的排风装置，将室内设备泄漏的气体及时排出。风机进气口安装在甲板上，且位置要保证安全区域的新风能从外界吸入，排出口的位置及高度符合中国船级社《天然气燃料动力船舶规范》的要求，换气次数为30次/h。此外，内部装有气体泄漏探测器，用于检测报警。

4.3 加注站的防护

本船舶燃料加注站的设计属于开放式，这样气体的泄漏通风条件较好［11］。不过在加注过程中，如果发生液体的泄漏，低温液体碰到船体，就会造成船体钢板脆性裂纹或断裂，导致船体破损的大事故，为了避免发生此现象，在加注接头的下方设有耐低温不锈钢制成的承接盘。与此同时，在LNG加注过程中，应对储气罐压力和液位进行一定监测，设有自动切断装置和高液位报警。此外，加注站加注接管靠近加注船或通岸接头处应串联一个远控截止阀和一个手动截止阀，以备紧急之用。

5 结语

1)对LNG动力船研究提出了VLCC作为母型船其船型和航线的依据，计算出燃料消耗量和LNG的换算，根据航线和LNG价格确定了加注港和续航时间，确定储罐的容量后并对其进行选型和结构尺寸计算。

2)对LNG动力船的燃料供给系统进行了优化设计，针对储罐内BOG导致的罐内压力过高提出了解决方案，从而确保了船舶的经济性并减少了温室效应的排放;还阐述了采用PBU的原因和装置的控制原理。

3)针对LNG泄漏可能导致潜在风险的发生，对供气管、供气室及加注站等方面设计进行了安全方面的考虑，通过对供气管道和通风室内风机的合理布置、承接盘的合理选材及加注过程中的严格监控确保船舶供气系统的安全性。

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