LNG動(dòng)力技術(shù)在多用途船上的應(yīng)用與研究

楊海建,范 祥,馬小勇,朱天宇

(南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司,江蘇 南通 226005)

0 引言

在全球日益關(guān)注綠色環(huán)保的大環(huán)境下,國(guó)際海事組織(International Maritime Organization,IMO)對(duì)船舶排放要求越來(lái)越高[1]。液化天然氣(Liquefied Natural Gas, LNG)燃燒后具有碳排放低、不會(huì)產(chǎn)生碳煙顆粒、不含硫氧化物等特點(diǎn),因此LNG燃料成為實(shí)現(xiàn)碳中和、碳達(dá)峰很好的過(guò)渡燃料。據(jù)統(tǒng)計(jì),相比常規(guī)燃油,采用LNG燃料可以減少約25% 的二氧化碳(CO2)排放量、20%～30%(高壓主機(jī))或85%(低壓主機(jī))氮氧化合物(NOx)排放量、95%的硫化物(SOx)和90%顆粒物排放[2]。因此,基于對(duì)未來(lái)排放法規(guī)和油氣價(jià)格發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)期,LNG作為船用燃料的優(yōu)越性將越來(lái)越顯著,LNG雙燃料船也會(huì)具有十分廣闊的市場(chǎng)前景和發(fā)展空間[3]。

隨著船用燃料供應(yīng)系統(tǒng)(Fuel Gas Supply System, FGSS)技術(shù)的迅速發(fā)展,FGSS的設(shè)備投資成本逐漸下降,以LNG作為燃料的多用途船也越來(lái)越受到青睞。

本文以LNG雙燃料28 000 t多用途船為開(kāi)發(fā)對(duì)象,研究雙燃料設(shè)備選型、LNG燃料艙的設(shè)計(jì)布置、LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù),分析LNG動(dòng)力船使用LNG燃料的經(jīng)濟(jì)性,形成完整的LNG燃料應(yīng)用設(shè)計(jì)流程。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某LNG雙燃料28 000 t多用途船(Genenal Cargo Ship,GCS)的發(fā)電機(jī)和鍋爐均采用雙燃料形式,LNG燃料艙采用了IMO C型獨(dú)立燃料艙,布置在艉部甲板開(kāi)敞處。其主要參數(shù)如下:總長(zhǎng)179.5 m,型寬28.0 m,型深14.8 m,吃水9.2 m,LNG燃料艙容積500 m3。

2 雙燃料設(shè)備選型

2.1 雙燃料主機(jī)

目前市場(chǎng)主流的雙燃料主機(jī)分為曼恩的ME-GI機(jī)和溫特圖爾的X-DF機(jī),這2款主機(jī)的對(duì)比情況見(jiàn)表1。

表1 雙燃料主機(jī)對(duì)比表

綜合考慮主機(jī)的市場(chǎng)占有率、燃料消耗率、甲烷逃逸和船廠的工作量等因素,本項(xiàng)目主機(jī)采用曼恩ME-GI主機(jī)。該主機(jī)在燃料模式下工作壓力為20～30 MPa,溫度為(45±10) ℃,詳細(xì)參數(shù)如下:

主機(jī)曼恩6S50ME-C8.2-GI-Tier II,最大連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率(SMCR)9 300 kW×122 r/min,正常連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率(NCR)6 510 kW×108.3 r/min,基于輕油低熱值(LCV)42 700 kJ/kg時(shí)設(shè)計(jì)燃料消耗25.8 t/d,基于LNG(純甲烷)的 LCV 50 000 kJ/kg時(shí)設(shè)計(jì)燃料消耗20.7 t/d。

2.2 雙燃料發(fā)電機(jī)

本項(xiàng)目配備3臺(tái)瓦錫蘭低壓雙燃料四沖程發(fā)電機(jī)。其主要特征是采用奧托循環(huán)模式、低壓燃料系統(tǒng),燃料模式下可以直接滿足NOxTier III的排放要求。詳細(xì)參數(shù)如下:

機(jī)型瓦錫蘭W6L20DF,最大連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)功率(MCR)1 110 kW,設(shè)計(jì)燃料消耗3.9 t/d。

2.3 雙燃料鍋爐

本項(xiàng)目配備1臺(tái)阿法拉伐歐寶的雙燃料鍋爐。該鍋爐除了常規(guī)燃油模式和LNG燃料模式之外,還具有燃燒LNG和氮?dú)獾幕旌蠚獾幕旌夏Ｊ?。該功能主要用于LNG燃料加注過(guò)程中,為了維持LNG燃料艙內(nèi)的壓力時(shí)處理回氣(采用LNG槽罐車加注,不具有回收氣的功能)。

3 LNG燃料艙的設(shè)計(jì)與布置

3.1 LNG燃料艙的選型

薄膜型和球艙型(MOSS型)被廣泛應(yīng)用于大型LNG運(yùn)輸船。LNG動(dòng)力船不同于LNG運(yùn)輸船,一般采用非船體結(jié)構(gòu)的液貨艙,如A、B、C型艙,建造工藝簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟,成本低。A、B、C型液貨艙及薄膜型液貨艙對(duì)比見(jiàn)表2[4]。

表2 LNG燃料艙對(duì)比

本項(xiàng)目采用C型獨(dú)立LNG燃料艙。C罐相比其他形式的燃料艙有著更高的耐壓能力,建造門(mén)檻低,無(wú)需次屏蔽且具有自承壓功能[5]。雖然其空間利用率相對(duì)低會(huì)占有較大的布置空間,質(zhì)量重會(huì)影響船舶的載重噸,但是考慮GCS船型的特點(diǎn),LNG燃料艙布置在開(kāi)敞甲板上,不會(huì)影響船舶的載貨量。LNG燃料艙連接處所(TCS)布置在LNG燃料艙的頂部,內(nèi)置與LNG燃料艙連接的相關(guān)閥門(mén)、傳感器和報(bào)警裝置等。LNG燃料艙材料采用單層9%鎳鋼,并且外加聚氨酯(PU)保溫層,蒸發(fā)天然氣(Boil Off Gas,BOG)蒸發(fā)率控制在1.0%/d之內(nèi)。

3.2 LNG燃料艙艙容決定

(1)最大裝載極限

根據(jù)《使用氣體或其他低閃點(diǎn)燃料船舶國(guó)際安全規(guī)則》(IGF Code)要求,LNG燃料艙的裝載極限,不應(yīng)超過(guò)下列計(jì)算值:

式中:LL為裝載限制,%;FL為充裝限制,取98%;ρR為在基準(zhǔn)溫度下燃料的相對(duì)密度,kg/m3;ρL為在裝載溫度下燃料的相對(duì)密度,kg/m3。

本文以FLUXYS公司的數(shù)據(jù)為計(jì)算基礎(chǔ),在基準(zhǔn)溫度(-153 ℃)下,ρR取0.407 kg/m3,ρL取0.440 kg/m3。

經(jīng)計(jì)算,LL=91%。

(2)最小剩余限制

LNG燃料艙的最小剩余限制通常需要考慮以下因素:

①考慮到LNG燃料艙需要始終維持冷態(tài)狀態(tài),并保留一定的LNG殘余量;

②需要考慮LNG燃料艙內(nèi)的潛液式離心泵吸口位置,以確保船舶在惡劣海況下,不被吸空;

③需要滿足廠家對(duì)離心泵的必需汽蝕余量(Net Positive Suction Head,NPSH)的要求。

綜合這3方面的因素,經(jīng)計(jì)算最小裝載為5%。

因此,考慮船舶的續(xù)航能力、雙燃料設(shè)備的燃料消耗量、LNG燃料艙的最大裝載極限/最小剩余極限和設(shè)計(jì)冗余等因素,艙容約為500 m3。

3.3 LNG燃料艙的布置

LNG燃料艙與其燃料供應(yīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)船舶的安全性和防火的要求較高。充分研討船舶的穩(wěn)定性后,通過(guò)多種布置方案對(duì)比,最終將LNG燃料艙布置在艉部(機(jī)艙上方)的開(kāi)敞甲板上,見(jiàn)圖1。該布置方案可以很好地解決防火、安全、LNG燃料艙支撐鞍座等技術(shù)難題。

4 LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)

4.1 燃料供應(yīng)系統(tǒng)組成和工作原理

LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)由LNG加注系統(tǒng)、LNG燃料低溫存儲(chǔ)系統(tǒng)、燃料處理系統(tǒng)和相應(yīng)的輔助系統(tǒng)組成,見(jiàn)圖2。本船采用曼恩的ME-GI高壓雙燃料主機(jī),其進(jìn)氣壓力為30 MPa,和雙燃料發(fā)電機(jī)、鍋爐所需的0.6 MPa進(jìn)氣壓力相距很大,故采用高壓燃料供應(yīng)系統(tǒng)和低壓燃料供應(yīng)系統(tǒng)相結(jié)合。

圖2 供應(yīng)系統(tǒng)方案示意圖

船舶航行過(guò)程中,C型燃料艙內(nèi)潛液式泵(出口壓力設(shè)定為0.7 MPa)將抽出LNG通過(guò)加熱加壓過(guò)程轉(zhuǎn)化成30 MPa的強(qiáng)制蒸發(fā)天然氣(Forced Boil Off Gas,FBOG)供主機(jī)使用。同時(shí),船舶航行過(guò)程中自然產(chǎn)生的蒸發(fā)天然氣(Natural Boil Off Gas, NBOG)會(huì)被利用起來(lái),通過(guò)加溫加壓后供給發(fā)電機(jī)和鍋爐作為燃料。若NBOG不夠,強(qiáng)制蒸發(fā)天然氣回路也會(huì)補(bǔ)充NBOG供給發(fā)電機(jī)和鍋爐使用。

4.2 LNG加注系統(tǒng)

考慮多種加注方式以滿足船舶所有人的運(yùn)營(yíng)需求,加注過(guò)程主要分初始加注和正常營(yíng)運(yùn)過(guò)程中加注2個(gè)過(guò)程。該船不僅可以采用常規(guī)的岸基加注,還進(jìn)一步開(kāi)發(fā)船對(duì)船的LNG燃料加注裝置,實(shí)現(xiàn)了加注船加注[6]。

兩舷各配置了1個(gè)液相管和氣相管接口法蘭,并提供了氮?dú)獯祾吖?。在燃料加注過(guò)程中,加注站綜合考慮了LNG泄漏和火災(zāi)等問(wèn)題。為防止接口法蘭連接處泄露,在底部設(shè)置耐低溫的不銹鋼集液盤(pán),同時(shí)設(shè)置了舷外水簾保護(hù);船岸連接系統(tǒng)可以保證加注過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)立即觸發(fā)應(yīng)急安全系統(tǒng);氣體報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)整個(gè)加注過(guò)程是否有氣體泄露。在防火方面,直接面向加注站的壁面設(shè)置有A-60級(jí)防火材和水噴淋噴頭。

4.3 燃料處理系統(tǒng)

LNG動(dòng)力船燃料處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足IGF 規(guī)則、勞氏船級(jí)社、SOLAS公約及船旗國(guó)主管當(dāng)局的法規(guī)等。

燃料處理系統(tǒng)的功能是將LNG處理成合適溫度和壓力的天然氣,以滿足雙燃料設(shè)備的進(jìn)口要求。其基本組成如下:

(1)LNG燃料低壓泵。根據(jù)主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐的最大使用量,LNG燃料低壓泵選擇離心式潛液泵,并采用變頻控制。

(2)LNG燃料高壓泵。LNG動(dòng)力船ME-GI主機(jī)需要20～30 MPa的供應(yīng)壓力,因此單純依靠LNG燃料低壓泵無(wú)法滿足壓力要求,需要配備高壓泵。高壓泵采用變頻控制,根據(jù)主機(jī)不同的負(fù)荷,實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)高壓泵的轉(zhuǎn)速,從而為主機(jī)提供滿足主機(jī)進(jìn)口壓力和流量的要求。

(3)蒸發(fā)器和加熱器。蒸發(fā)器作為FBOG的熱交換器,主要功能為將液態(tài)LNG向氣態(tài)天然氣的轉(zhuǎn)換,為主機(jī)、發(fā)電機(jī)和鍋爐提供FBOG。加熱器的功能為通過(guò)加熱介質(zhì)乙二醇水溶液的溫度控制,達(dá)到控制FBOG的溫度。

(4)BOG壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)主要是壓縮NBOG,為發(fā)電機(jī)和鍋爐提供燃料,同時(shí)在LNG燃料艙維護(hù)保養(yǎng)時(shí),能提供暖艙熱源。BOG壓縮機(jī)采用的是常溫?zé)o油式螺桿空壓機(jī),因此,在BOG壓縮機(jī)進(jìn)口設(shè)置NBOG預(yù)加熱器,出口設(shè)置冷卻器。

(5)閥組單元。主機(jī)的閥組單元不含調(diào)壓功能,其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)供應(yīng)系統(tǒng)的供應(yīng)和切斷,以及氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)的控制。主機(jī)閥單元采用的非環(huán)形封閉形式,需要布置在危險(xiǎn)區(qū)劃。發(fā)電機(jī)和鍋爐的閥組單元可以進(jìn)行調(diào)壓,其采用環(huán)形封閉形式,可以直接布置在機(jī)艙內(nèi)。

(6)BOG管理對(duì)策。本項(xiàng)目選用的C型燃料艙,具有自承壓能力,因此,其可作為一種BOG管理對(duì)策,同時(shí)結(jié)合雙燃料鍋爐的燃料模式,也可燒除多余的BOG。

4.4 輔助系統(tǒng)

(1)加熱介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用獨(dú)立的乙二醇水加熱循環(huán)系統(tǒng),其主要由乙二醇水循環(huán)泵、膨脹水箱、乙二醇水加熱器和溫度控制閥組成,采用雙燃料鍋爐的蒸汽加熱。在所有換熱過(guò)程中,因冷源溫度較低,因此必須選擇冰點(diǎn)較低且不易氧化的傳熱介質(zhì),50%濃度的乙二醇水冰點(diǎn)約為-35 ℃,是極佳的加熱介質(zhì)。蒸汽的熱量通過(guò)板冷傳遞給乙二醇水系統(tǒng),再用乙二醇水加熱LNG。

(2)通風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用30次/h的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng),對(duì)容易存在燃料積聚的圍閉處所和半圍閉處所進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng),形成微負(fù)壓,同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料是否有泄露情況。

(3)消防系統(tǒng)。具體措施如下:LNG加注站采用干粉滅火,燃料處理間采用CO2滅火,LNG燃料艙采用水噴淋滅火,面向LNG燃料艙的相應(yīng)邊界采用A-60絕緣方式。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

LNG燃料作為一種清潔能源,已得到市場(chǎng)的廣泛認(rèn)可,但是,部分船東仍然在觀望,其主要原因還是取決于國(guó)際市場(chǎng)油價(jià)與LNG燃料價(jià)格,因此有必要對(duì)LNG燃料的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估。

假定ME-GI主機(jī)正常航行時(shí),功率點(diǎn)a和燃油消耗率b已知。燃油價(jià)格為X,LNG燃料價(jià)格為Y,見(jiàn)表3。只有當(dāng)ME-GI在相同時(shí)間內(nèi)在燃?xì)饽Ｊ竭\(yùn)行時(shí)所需要的燃料費(fèi)用低于燃油模式運(yùn)行時(shí)所需的燃料費(fèi)用,其經(jīng)濟(jì)性才得以體現(xiàn)。

表3 雙燃料經(jīng)濟(jì)性分析

因此,當(dāng):

X>0.8Y+(0.05～0.08)X

Y/X<1.150～1.187

根據(jù)上述分析過(guò)程得出以下結(jié)論:當(dāng)LNG和燃油每噸價(jià)格比小于1.150～1.187時(shí),采用LNG燃料的經(jīng)濟(jì)性得以體現(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

在全球排放法規(guī)日益嚴(yán)苛的今天,硫氧化物、氮氧化物、溫室氣體和顆粒物的排放在全球受到越來(lái)越多的限制。LNG作為一種清潔能源,其動(dòng)力船必然會(huì)得到更好的發(fā)展。本文著力研究雙燃料設(shè)備選型、LNG燃料艙的設(shè)計(jì)布置、LNG燃料供應(yīng)系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)性分析等方面,形成完整的LNG燃料應(yīng)用設(shè)計(jì)流程。但在LNG動(dòng)力船上還有很多技術(shù)需要進(jìn)一步完善或優(yōu)化,今后將對(duì)LNG動(dòng)力船型進(jìn)一步加大研究和開(kāi)發(fā)力度。