超大型双燃料集装箱船燃气供给系统应用研究

徐岸南，田大冰，宋丽君

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引 言

当前人们对环境的重视程度日益提高，国际海事组织（International Maritime Organization, IMO）提出的Tier Ⅲ氮排放标准已于2016年1月1日在部分排放控制区域生效，提出排放物中硫的含量小于0.5%的要求将于2020年开始执行。使用天然气作为燃料可有效降低SOx、NOx、CO2和颗粒物的排放。大多数液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）中硫的含量都是少于30mg/m3（气态）的，换算成质量分数是0.004%，仅为硫氧化物排放控制区（SECA）排放要求的 1/25。同时，采用天然气作为燃料可使 NOx排放量减少20%～80%，CO2排放减少20%～30%，更易满足Tier Ⅲ排放标准的要求[1]。

在船上储存天然气最有效的方法是将其液化。天然气的主要成分为甲烷，通过将其液化，可使其体积缩小为原体积的 1/600，便于减小舱容，提高运输效率。另外，传统重油的热值为 38～40MJ/kg，密度为980～1010kg/m3；LNG 的热值约为 50MJ/kg，比重油的热值高，但其密度较小，为 425～470kg/m3，通常LNG燃料舱会占用更大的空间[2]。因此，在达到同等续航能力的条件下，LNG燃料舱会比传统重油燃料舱大很多，通常约为重油燃料舱的1.8倍。

超大型集装箱船所需LNG燃料舱的舱容通常在10000m3以上，传统C型舱因空间利用率较低已不适用，可采用薄膜型或棱形B型舱作为LNG燃料舱。当前薄膜型舱在LNG运输船上的应用已较为成熟，且薄膜型舱比棱形B型舱成本低。目前，常见的设计方案是将薄膜型LNG燃料舱布置在机舱前部或上层建筑下方。

1 双燃料用户

超大型双燃料集装箱船一般采用双燃料低速机作为推进主机，采用双燃料中速机作为主电站柴油机，同时配备双燃料锅炉或气体焚烧装置（GCU）处理应急情况下的自然蒸发气体（Boil Off Gas, BOG）。

双燃料低速机一般采用WinGD公司的XDF系列机型或MAN公司的ME-GI系列机型，双燃料发电机组一般采用2500～5000kW的四冲程中速机。四冲程发电机多采用奥托循环，采用电火塞或引燃油点燃。二冲程低速机方案分为2种：

1) 以WinGD公司为代表的低压系统，其特点是供气压力低（约为1.6MPa），供气系统方案简单，同时在气体模式下已满足IMO Tier Ⅲ排放标准的要求，主要缺点是在燃油模式下油耗高；

2) 以MAN公司为代表的高压系统，其特点是供气压力高（约为30MPa），供气系统较复杂，延续了常规燃料机的高效率[3]，在燃油模式和燃气模式下的能耗基本上与常规燃料机相同，但其成本较高，同时因为在燃气模式下不满足 IMO Tier Ⅲ排放标准的要求，需增加选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction,SCR）系统或废气再循环（Exhaust Gas Re-circulation, EGR）系统以达到IMO Tier III排放标准的要求。

在正常工作情况下，双燃料锅炉或GCU的供气压力一般与双燃料发电机的压力类似。同时，考虑到应急情况下压缩机可能无法正常工作，双燃料锅炉或GCU也具有在近似大气压力下处理多余BOG的功能（free flow功能）。

近几年双燃料主机方案已大致成熟，双燃料主机及发电机种类见表1。

表1 双燃料主机及发电机种类

2 燃气供给系统

LNG运输船在营运过程中必然会产生自然BOG，将这部分BOG送至双燃料发电机作为燃料，不仅能解决LNG货舱压力和BOG处理的问题，而且能解决废气中NOx和SOx排放的问题[4]。当前LNG运输船的舱容一般为14万～22万m3，即使采用最先进的绝缘围护系统，每天产生的自然BOG也很多，这些自然BOG的量基本上接近LNG运输船全速航行时消耗的燃料量。LNG运输船通常需配备较小的LNG燃料泵和再液化装置，其中：LNG燃料泵用来补充LNG运输船高速航行时自然BOG的不足量；再液化装置用来将船舶低速航行工况下产生的多余自然BOG再液化，减少LNG货物的损失。

超大型集装箱船的燃气供给系统与LNG 运输船不同。对于超大型集装箱船而言，若考虑往返航次的燃料消耗量，通常需18000～20000m3的舱容。LNG自然BOG的产生量较少，因此船舶航行时采用的LNG燃料主要来自强制BOG。同时，为降低LNG燃气供给系统的成本，不倾向于在大型集装箱船上配备价格较高的再液化装置和迷宫式高压BOG压缩机。大型双燃料集装箱船的LNG燃气供给系统设计要优化BOG处理，一方面要求保证整个系统的安全性（通常采用的方案是使用GCU或双燃料锅炉处理应急情况下无法消耗的BOG）；另一方面要求减少整个系统无法使用的BOG，以提高整船的经济性。典型的超大型集装箱船LNG 燃气供给系统方案见图1。

图1 典型的超大型集装箱船LNG燃气供给系统方案

图1中的方案a仅适用于XDF的1.6MPa供气系统，对于ME-GI机型而言，需考虑采用方案b，这是因为将BOG压缩到30MPa通常需采用迷宫密封的活塞压缩机，成本较高，且大型集装箱船上的BOG量有限，可由发电机等低压用户消耗掉，或通过再冷凝装置液化一部分。

3 船舶航行过程中的自然BOG消耗

对于超大型集装箱船而言，LNG燃料舱自然蒸发的天然气不能满足双燃料主机和发电机的需求。因此，LNG燃料大部分是通过LNG燃气泵将LNG增压之后经过LNG 蒸发器压气化（强制蒸发气）送到气体用户的，同时自然BOG可通过压缩机送到气体用户。某超大型集装箱船的天然气消耗量见表2，基于纯甲烷进行估算，密度取425kg/m3，低热值取50000kJ/kg。

表2 某超大型集装箱船的天然气消耗量

为达到燃油同等里程，LNG燃料舱约需2倍的舱容。对于超大型集装箱船而言，通常需18000～20000m3的舱容。绝缘层厚度通常为 270～400mm，日蒸发率为 0.2%～0.3%。对于某超大型集装箱船而言，燃料舱容积为18600m3，绝缘层厚度为270mm，日蒸发率为0.26%，计算燃料舱自然BOG量约为840kg/h， 基于气耗150g/(kW·h)、电机效率96%估算的电功率，相当于5380kW。

由表2可知，在冷箱负荷较小的情况下，LNG燃料舱自然蒸发的天然气量通常会大于发电机的天然气消耗量，因此需考虑将自然BOG提供给主机使用，下面比较3种BOG处理方式：

1) BOG压缩机采用1.6MPa级别的中压压缩机，BOG可供主机、发电机和锅炉使用，该方案不适用于MAN ME-GI机型；

2) BOG压缩机采用0.6MPa级别的低压压缩机，BOG仅供发电机和双燃料锅炉（应急情况和加热蒸气不够）使用；

3) BOG压缩机采用0.6MPa级别的低压压缩机，通过再冷凝器，部分或全部BOG可供主机使用。

在上述3种处理方式中，前2种处理方式分别对应图1中的方案a和方案b，第3种处理方式中的再冷凝器方案（方案c）见图2，其原理是利用高压LNG冷却0.6MPa左右的BOG，各压力下LNG的沸点见表3。

图2 配LNG再冷凝器的燃气系统

表3 各压力下LNG的沸点

根据上述数值和各状态下的比焓和汽化潜热，可估算再冷凝器的再液化能力。根据厂家的估算，再冷凝量约为20%的主机（对于ME-GI主机而言）气体消耗量。由上述计算所得BOG消耗量可知，在NCR状态下再冷凝器可将100%的BOG再液化，若考虑在航行状态下有370kg/h的耗电量，则主机只需气体消耗2350kg/h（主机功率约为16810kW）即可将剩余的BOG汽化，以便供主机使用。另外，再冷凝器的成本比直接再液化装置低，当LNG泵始终对外供气时，可确保BOG再冷凝器的冷源[4]。

可根据超大型集装箱船的实际运行情况估算各方案对BOG的有效处理能力。表4为某大型集装箱船实际运行过程中各工况持续时间占总运行时间的百分比，分别对应各种吃水和航速。考虑到低速工况持续时间占整体运行时间的比例很小，可将其忽略不计。

表4 某大型集装箱船实际运行过程中各工况持续时间占总运行时间的百分比

根据表4和实际大型集装箱的航速、吃水和功率曲线，可估算集装箱船在各运行工况下的功率（见表5）。

表5 集装箱船各运行工况下的功率估算

冷箱负荷通常与船舶实际运营有关，同时与市场经济情况相关。若不考虑冷箱负荷，可估算BOG无法完全消耗的百分比，同时大型集装箱船可装载一定数量的冷箱，因此各方案的BOG处理能力可以装载多少冷箱量来表征，计算结果见表6。

表6 某大型集装箱船航行过程中BOG消耗情况

从表6中可看出，在航行工况下：方案a产生的BOG几乎都能被主机和发电机及时消耗；方案b需依赖发电机负荷（额外的冷箱）消耗多余的BOG；方案c在极少数工况下无法消耗掉多余的BOG，这部分BOG可通过压力升高的方式存储在LNG燃料中，在高负荷时可通过主机消耗掉，该方案适用于ME-GI主机。

XDF主机通常会采用方案a，而ME-GI主机倾向于方案c，通过比较方案a与方案c可发现，当前XDF主机相对于ME-GI主机在大型集装箱船上有一定的优势，包括：BOG控制灵活，燃料舱压力小、温度低；系统简单，系统控制相应简单；成本低。

若在很多工况下BOG都无法使用，可能需考虑通过增大薄膜型燃料舱的绝缘厚度来降低BOG产生量。

4 船舶在码头和加注状态下的自然BOG消耗

船舶在航行过程中产生的BOG通常会被主机和发电机消耗掉，而在码头和加注状态下的BOG通常比较难消耗。图3为加注LNG时自然BOG状态。

图3 加注LNG时自然BOG状态

根据估算，加注船与集装箱船之间的压差控制在14kPa，加注时产生的BOG大多数通过活塞效应回到加注船，少量多余的BOG可通过集装箱船或加注船消耗掉。

通常，导致 LNG燃料舱压力不断升高的阶段出现在刚加注完成时，此时：LNG消耗量比较少；低速操纵时间比较长，约8h；加注过程中带入的热量造成BOG量增加。

图4为无BOG消耗时LNG燃料舱压力时程曲线，显示加注完之后舱压有足够的余量留给加注完的操纵时间。若舱压由于气体的原因（如管内阻力过大、加注速率过快和外界热量过大等）造成BOG大量产生，应将过量的BOG送入双燃料锅炉，以保持燃料舱在正常压力操作范围内。此外，可通过增大薄膜型燃料舱绝缘层的厚度来降低总体BOG产量，这通常会增加较多的成本。

图4 无BOG消耗时LNG燃料舱压力时程曲线

5 结 语

通过对某大型集装箱船航行过程中自然BOG的消耗量分析可知：XDF的低压系统相对于ME-GI高压系统在自然BOG控制上有一定的优势，这种优势可使整个系统的成本降低；同时，LNG燃料舱的压力可控制在较小的范围内以保证LNG液体温度较低。ME-GI系统需考虑使用再冷凝器，以便合理地处理BOG。

船舶在加注LNG时的自然BOG消耗一般通过控制LNG燃料舱压力来完成，若多余的BOG无法消耗，既可通过双燃料锅炉或GCU来降低总的自然BOG量，也可考虑通过增加LNG燃料舱绝缘层的厚度来降低总的自然BOG量。