中小型LNG动力船舶燃料系统配置

刘森林，陈雪峰，刘伟平

(上海佳豪船海工程研究设计有限公司，上海 201612)

0 引 言

液化天然气(Liquefied Natural Gas，LNG)主要组分为甲烷。LNG素有绿色能源之称，作为一种清洁能源在环境保护方面具有独特优势，可有效减少颗粒物、硫氧化物、氮氧化物和碳氧化合物等污染物排放，其显著的经济和社会效益已引发全球范围内的广泛关注和较大兴趣。以LNG为代表的新能源在环保方面的独特优势和效益已越来越显著，在船舶交通运输行业的应用和推广已呈潮涌之势[1]。LNG动力船舶不断涌现，其中中小型LNG动力船舶发展较为迅猛。LNG最低温度达-164 ℃，具有潜在的低温危害性，在气化为天然气(Natural Gas，NG)后具有易燃易爆的特性。LNG在中小型船舶上的应用应充分考虑上述特性，确保LNG在该类船舶上的应用安全可靠。中小型LNG动力船舶受主尺度及布置空间制约，燃料系统需要灵活配置。

1 燃料储存系统

LNG在船舶上通常以低温液态形式储存，LNG燃料舱型式非常重要。LNG燃料舱的主要型式为传统液货舱和C型液货舱。传统液货舱分为薄膜型和独立球型，对材料、施工工艺和船舶布置要求较高，需要设置次屏壁，适合大容积LNG储存，主要应用于LNG运输船。C型液货舱属于独立型压力容器范畴，为提高隔热效果、减少LNG气化，一般采用内外壁结构型式：内外壁夹层空间抽真空并填充隔热材质；内壁外侧缠绕多层绝热反射屏。绝热性能是C型液货舱质量的重要指标，直接关系液货舱的保压时间。

各类燃料舱主要性能特点如表1所示。C型LNG燃料舱技术成熟、价格适中，多以模块化型式供货，在中小型LNG动力船舶上应用较为广泛。建造的某型拖船配备C型LNG燃料舱2个，单个容积为30 m3。

表1 各类燃料舱主要性能特点

2 燃料供应系统

中小型LNG动力船舶的发动机通常为双燃料发动机或单一气体燃料发动机，对LNG均以气态形式加以利用，对燃料供应的压力、温度和供应量等指标具有严格要求。LNG以液态形式储存，因此需要处理为符合发动机要求的气源才可使用，燃料供应系统配置围绕该基本要求展开。

LNG在燃料舱中以气液两相形态储存。对于容量较小的LNG燃料舱，LNG通过增压蒸发器气化，返回LNG燃料舱增压，形成初始气垫，通常采用自增压方式实现燃料供应，即LNG通过燃料蒸发器加热气化，经加热器加热至合适温度供发动机使用；对于容量较大的LNG燃料舱，通常配备泵组将LNG由燃料舱泵出进行处理后供发动机使用。LNG供发动机使用，需要经气化、加热和调压等复杂的处理流程，需要设置燃料气化器、加热器及调压阀等实现上述功能。这些设备及阀件、附件通过管路连接，连接处为潜在泄漏点，因此其布置应考虑泄漏风险。自增压式燃料供应系统如图1所示。

图1 自增压式燃料供应系统

大型LNG动力船舶主尺度较大，空间裕量较大，燃料供应系统的加热器和阀件等通常均布置于专用舱室，该舱室的防火和通风等独立设置，避免对船舶安全区域带来影响。但中小型LNG动力船舶受主尺度及布置空间制约，较难设置类似的专用舱室。为此，在LNG燃料舱端部设置气密舱室(俗称“冷箱”)，在功能上替代上述的专用舱室，LNG燃料舱和冷箱可作为整体撬块以利于布置。若布置空间紧张，则可将冷箱改为分离式，即LNG燃料舱端部仅设置必要的根阀，在根阀外设置较小的冷箱，加热器、阀件和附件等设置于另一较大冷箱中，较大冷箱可根据实际情况灵活布置。燃料供应系统分离式冷箱如图2所示。

图2 燃料供应系统分离式冷箱

燃料供应管路通常采用双壁管。双壁管由内管和外管组成，内管主要用于气体输送。内管和外管间的夹壁空间分2种情况：(1)采用惰性气体加压，压力大于燃料供应管路压力，保证内管气体在发生泄漏时不会泄漏至外管外面；(2)采用负压抽吸式通风，通风换气次数不低于30次/h，在通风机前设置可燃气体探测装置，若燃料供应内管发生泄漏，则可燃气体探测装置发出报警，负压通风及时将泄漏气体抽出。燃料供应系统采用双壁管的结构型式提供双道物理屏障，通过惰性气体加压或负压通风措施进一步保证燃料供应安全。在LNG动力船舶的机舱和LNG燃料舱等处所可广泛采用。

燃料供应管路在进入发动机前，通常设置具有燃料过滤、压力调节、惰气吹扫等功能的阀件和附件。考虑阀件和附件的潜在泄漏风险，通常在大型船舶上设置专用舱室，布置用于上述阀件和附件，并将该舱室划分为1类危险区，其照明和通风须满足危险区的划分要求。对于空间和布置受限的中小型船舶，该舱室可缩减为一个密闭的气体阀件单元，以模块化型式布置于机舱。

3 燃料加热系统

LNG燃料经燃料蒸发器和加热器处理后，以气态形式供LNG发动机使用。LNG为-164 ℃，发动机使用的气态LNG燃料通常在0～60 ℃，如此大的温差仅靠一次加热是非常规设计，通过水-乙二醇溶液作为中间换热介质进行2级换热可有效解决这一问题。水-乙二醇溶液单元获得热源加热，通过水-乙二醇溶液循环泵循环，在燃料蒸发器和加热器中进行热交换。常规设计水-乙二醇溶液采用电加热，不仅显著增加电站容量，而且在使用方面并不经济。

LNG发动机通常采用中央冷却，淡水循环系统中的散热量通过淡水在中央冷却器进行热交换传递至海水；在海水冷却系统中，海水泵由海水总管吸水，在中央冷却器进行热交换，将淡水传递的热量排至舷外。冷却发动机后的淡水在进入中央冷却器前，串接水-乙二醇溶液单元加热，再经中央冷却器，这样充分利用发动机冷却水余热，可解决LNG气化及加热的热源问题。以某型拖船为例，其LNG加热需要近300 kW的电加热功率，在利用主机余热加热后，2台发电机组单容量可由300 kW降至150 kW，不仅减小和优化船舶发电机组配备，而且降低投资和使用成本。水-乙二醇溶液加热如图3所示。

图3 水-乙二醇溶液加热示例

4 燃料透气管路系统

规范[2]对LNG燃料透气管路系统的布置具有严苛的规定。大型船舶多采用独立式透气管桅，可布置于多处开敞区域。中小型LNG动力船舶受主尺度及布置空间制约，难以设计独立的透气管桅，但可将信号桅和透气管桅进行整合，即信号桅兼作透气管桅。该结构型式可将燃料透气管路系统中的气体由船舶的最高点释放出去，利于危险气体的扩散。透气管桅远离居住舱室和作业区域利于船舶整体安全。

中小型LNG动力船舶受主尺度及布置空间制约，危险区域的规划应充分考虑船型特点，满足船舶使用需求，最大限度减少危险区域对船舶的影响。以某型拖船为例，LNG燃料发动机所在的机舱设计为本质安全型机舱，LNG燃料舱处所设计为安全处所，2个处所内的机电设备无须防爆，可保证船员和设备的安全；在罗经甲板，信号桅兼作透气管桅，尽可能提高燃料透气管出口高度，以避免危险区域过大覆盖至桅杆上的电气设备，如航行信号灯等；航行无线电等设备的天线(如雷达天线)在不影响设备性能的前提下尽可能调整垂直与水平距离，保证电气设备的安全稳定运行；对于确实无法避开危险区域的航行信号灯，可采用防爆型。其信号桅兼作透气管桅的危险区域划分如图4所示。

图4 信号桅兼作透气管桅的危险区域划分

5 燃料监控系统和燃料安全系统

燃料监控系统和燃料安全系统一般对温度、压力、液位、可燃气体体积分数、火灾报警及通风状态等物理参量进行监控。受监控的设备与系统为：压缩机和加热器、燃料舱、加注站及加注管路、燃料舱处所、燃料舱接头处所和屏壁间处所、燃料准备间、位于燃料舱和机器处所之间的燃料供应管路、气体阀件单元处所、气体燃料发动机机器处所等。以某型拖船为例，其监控报警项约200个。

燃料监控系统和燃料安全系统的主控制站设置于连续有人值班的机舱集控室，在驾驶室或安全中心设置副控制站；在燃料加注站、CO2室、机舱入口和LNG燃料舱所在处所入口设置独立的应急切断按钮，以便在紧急情况下切断加注作业或燃料供应。

需要注意，燃料监控系统和燃料安全系统应为2套独立系统，包括电源及相关传感器应独立。例如，LNG燃料舱液位，在燃料监控系统中设置液位显示及高液位报警，在燃料安全系统中设置高高液位停止燃料加注作业，对应的液位传感器应为2套。对于固定式气体探测器，一般选用带自检功能，并配备备件以便及时更换，在气体探测器检测到自身故障时，燃料安全系统将其等同于探测到气体体积分数高，可不设置第2套探测器。

6 结 语

在当前形势下，以节能、减排和高效为特征的低碳经济已成为世界经济发展的重要趋势，LNG清洁能源在船舶上的推广和应用顺应低碳经济发展潮流，化挑战为机遇。LNG动力船舶的核心在于LNG应用于船舶的安全性和可靠性。所进行的研究可为中小型LNG动力船舶燃料系统配置提供参考。