劉秀麗,孫 琦,柳國(guó)勝,高海寧,張永威,李 白
(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司,大連 116600)
LNG燃料推進(jìn)散貨船的開發(fā)技術(shù)
劉秀麗,孫 琦,柳國(guó)勝,高海寧,張永威,李 白
(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司,大連 116600)
近些年,清潔能源已成為主流發(fā)展,尤其是液化天然氣。文章以散貨船為基礎(chǔ),研究雙燃料散貨船的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),通過對(duì)規(guī)范規(guī)則的深入研究和試驗(yàn)論證以及對(duì)相關(guān)廠商技術(shù)的汲取學(xué)習(xí),最終完成了雙燃料散貨船的系統(tǒng)科研工作,針對(duì)該項(xiàng)目的8萬(wàn)噸雙燃料散貨船,已形成了一套完整的設(shè)計(jì)體系,同時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
液化天然氣;雙燃料;儲(chǔ)氣罐;散貨船
隨著全球海事界對(duì)有害物質(zhì)排放要求的日益嚴(yán)格,特別是一些排放控制區(qū)的設(shè)定,促使船東采用各種措施應(yīng)對(duì)國(guó)際上的規(guī)定。目前,主要措施包括使用低硫燃料、安裝氣體吸收裝置和使用LNG燃料。與其他船用燃料相比,LNG燃料最主要的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境的影響較小,排放量最小。據(jù)了解,采用LNG燃料可以減少10%~25%的CO2排放量,90%的NOx排放量,100%的硫化物和顆粒物排放。
從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看,一方面,我國(guó)內(nèi)河航運(yùn)資源豐富,未來(lái)我國(guó)內(nèi)河LNG船數(shù)量會(huì)快速增長(zhǎng)。發(fā)展內(nèi)河LNG船舶對(duì)防治船舶污染,對(duì)保護(hù)江河水域環(huán)境,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。另一方面,國(guó)家加大資金投入推進(jìn)內(nèi)河航運(yùn)發(fā)展,對(duì)LNG船發(fā)展構(gòu)成有力支持。
以LNG雙燃料船作為重點(diǎn),掌握LNG雙燃料船的設(shè)計(jì)及建造關(guān)鍵技術(shù),完成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LNG雙燃料船的基本設(shè)計(jì),形成LNG雙燃料船設(shè)計(jì)指導(dǎo)書,具備船型自主開發(fā)能力,力爭(zhēng)首先在國(guó)內(nèi)LNG雙燃料實(shí)船項(xiàng)目中有所突破是我們的目標(biāo)。通過對(duì)該項(xiàng)目的研究,將填補(bǔ)國(guó)際雙燃料推進(jìn)散貨船技術(shù)空白,并為該類船的設(shè)計(jì)建造提供指導(dǎo),同時(shí)將有效提升我國(guó)在綠色船舶產(chǎn)品的技術(shù)研發(fā)能力,推動(dòng)我國(guó)船舶工業(yè)的整體發(fā)展。
該項(xiàng)目主要從雙燃料主機(jī)和柴發(fā)選型布置與使用,LNG液罐的選型及相關(guān)布置要求,液貨系統(tǒng)配置,供氣系統(tǒng)及排風(fēng)等系統(tǒng)進(jìn)行闡述。該項(xiàng)目形成一型LNG為燃料推進(jìn)的8萬(wàn)噸級(jí)散貨船方案及基本設(shè)計(jì)。具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),滿足最新國(guó)際規(guī)范要求,EEDI指標(biāo)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,在節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。設(shè)計(jì)圖紙通過船級(jí)社審核,具備承接工程項(xiàng)目條件。
船舶主尺度如表 1所示,該船結(jié)構(gòu)吃水為14.50m時(shí)的載重量約為81000t。
表1 船舶參數(shù)
根據(jù)型線設(shè)計(jì)進(jìn)行了船模試驗(yàn),主要試驗(yàn)包括:1)設(shè)計(jì)吃水和壓載吃水下的船舶阻力試驗(yàn);2)設(shè)計(jì)吃水和壓載吃水下的庫(kù)存槳和設(shè)計(jì)槳自航試驗(yàn);3)設(shè)計(jì)吃水、服務(wù)航速下的伴流測(cè)量;4)設(shè)計(jì)吃水、服務(wù)航速下的流線試驗(yàn);5)設(shè)計(jì)槳敞水試驗(yàn)。
圖1 船模試驗(yàn)圖
2.1 雙燃料主機(jī)
本項(xiàng)目配備一臺(tái)雙燃料低速推進(jìn)主機(jī)為航行提供動(dòng)力。詳細(xì)參數(shù)如表2所示。
主機(jī)在燃?xì)饽J较滤杼烊粴鈮毫?5MPa,最大不超過30MPa,溫度為45℃。如圖2所示,ME-GI系統(tǒng)主要包括燃?xì)夤┙o系統(tǒng)、雙壁管通風(fēng)系統(tǒng)、密封油系統(tǒng)、惰氣系統(tǒng)(本項(xiàng)目采用氮?dú)猓┖涂刂葡到y(tǒng)。
安裝在供氣系統(tǒng)的氣體燃料總閥(V1),可從機(jī)艙集控室以及駕駛室控制站關(guān)閉。當(dāng)發(fā)生規(guī)范規(guī)定的有關(guān)故障時(shí),氣體燃料總閥能自動(dòng)關(guān)閉以切斷氣體燃料供應(yīng)。每個(gè)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的氣體燃料供應(yīng)管路上還應(yīng)安裝1只人工操作關(guān)閉閥(V7),以保證進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)時(shí)的安全切斷氣體燃料。在切換至燃?xì)饽J角昂颓袚Q為燃油模式后,需關(guān)閉 V7、V4、V3,打開V6、V5用惰氣沖洗管路。
表2 主機(jī)參數(shù)
圖2 雙燃料主機(jī)燃?xì)庀到y(tǒng)
2.2 雙燃料發(fā)電機(jī)
本項(xiàng)目配備兩臺(tái)雙燃料發(fā)電機(jī)和一臺(tái)燃油發(fā)電機(jī),發(fā)電機(jī)配置表如表3所示。
表3 發(fā)電機(jī)配置表
雙燃料發(fā)電機(jī)在燃?xì)饽J较滤枞細(xì)鈮毫?.5MPa~0.6MPa,溫度為20℃。使用燃?xì)饽J较?,用MDO點(diǎn)火。
在供氣室和發(fā)動(dòng)機(jī)之間應(yīng)設(shè)置氣體閥門單元(GVU)。氣體閥門單元可以是一個(gè)獨(dú)立的房間或一個(gè)氣密的密封筒。本項(xiàng)目采用一個(gè)布置在機(jī)艙內(nèi)的密封筒的型式。該密封筒必須保證每小時(shí)通風(fēng)30次,并應(yīng)布置氮?dú)獯迪垂苈?。氣體閥門單元應(yīng)盡可能靠近燃?xì)夤苈反┩傅呐摫诓贾?,并且距雙燃料發(fā)電機(jī)最大距離不超過10m。
圖3 雙燃料發(fā)電機(jī)氣體閥組單元供氣原理圖
圖3中,燃?xì)夤苈烽y門V03、V05和惰氣管路閥門V07是失效關(guān)閉型,通風(fēng)閥V02、V04是失效打開型。當(dāng)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在燃?xì)饽J较峦C(jī)時(shí),氣體閥門單元需關(guān)閉燃?xì)夤苈凡⑶覟楣苈吠L(fēng)。燃?xì)忾yV03、V05關(guān)閉,通風(fēng)閥V04打開。當(dāng)應(yīng)急停車時(shí),通風(fēng)閥V02會(huì)打開,并且氮?dú)忾yV07會(huì)在一定報(bào)警情況下打開以惰化氣體閥門單元與發(fā)動(dòng)機(jī)之間的管路。
3.1 LNG液罐的選型
傳統(tǒng)的 LNG貨艙通常采用薄膜型和球艙型(MOSS型),廣泛應(yīng)用于大型LNG船,建造工藝復(fù)雜,造價(jià)昂貴。不適應(yīng)小型LNG船和儲(chǔ)氣罐短程運(yùn)輸經(jīng)濟(jì)便利的要求。對(duì)于小型LNG船的貨艙和LNG儲(chǔ)氣罐的技術(shù)更接近于LPG船和乙烯船,一般采用獨(dú)立式液艙。該液艙可分為A、B、C三型(圖4),它們均非船體的構(gòu)成部分,呈自持式。A、B、C液艙的對(duì)比特點(diǎn)如表4所示。
C型LNG儲(chǔ)氣罐建造容易,設(shè)計(jì)成本最低,裝置簡(jiǎn)單,操作管理方便,適用于沿海短航程運(yùn)輸。該船型稱之為蓄壓式LNG運(yùn)輸船(pressure build-up type)。C型獨(dú)立艙基于成熟的半冷半壓乙烯船的貨物圍護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝技術(shù),技術(shù)難度較小。
根據(jù)查閱規(guī)范,用于制造液貨艙的耐低溫材料一般為三種,低溫鋁鎮(zhèn)靜鋼,9%的鎳鋼及鉻鎳奧氏體鋼(AISI 304L)。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果綜合考慮材料的許用應(yīng)力、最小設(shè)計(jì)壓力、材料重量、力學(xué)性能、焊接性能、焊接接頭的耐蝕性、力學(xué)性能和價(jià)格等因素,AISI 304L材料是LNG貨艙材料的最佳選擇。
圖4 各類艙型式
表4 不同液貨艙對(duì)比
3.2 LNG液罐的布置
根據(jù)IGF 2.7.3,布置如下:
1)開敞甲板上的儲(chǔ)存。儲(chǔ)氣罐或儲(chǔ)氣罐組的布置在距離船舷至少B/5處。對(duì)于客船以外的船舶,其距離可以低于B/5,但應(yīng)不少于760mm。
2)甲板下的儲(chǔ)存。距離船舷不小于 B/5或11.5m,取其中小者距離底板不小于B/15或2m,取其中小者,距離船殼板任何地方不小于760mm。對(duì)于客艙以外的船舶,其距離船舷可以低于B/5。
儲(chǔ)氣罐設(shè)在開敞甲板A-DECK,高壓泵、高壓蒸發(fā)器、低壓泵、低壓蒸發(fā)器、壓力再建單元和閥門設(shè)置在供氣室內(nèi)。供氣室內(nèi)設(shè)有通風(fēng)系統(tǒng)。高壓泵將LNG泵入高壓蒸發(fā)器,壓力為25MPa~30MPa。高壓蒸發(fā)器將LNG轉(zhuǎn)換成壓力為25MPa~30MPa左右的天然氣,供給 MEGI主機(jī)使用。低壓泵將LNG供給低壓蒸發(fā)器,壓力為0.5MPa~0.6MPa,低壓蒸發(fā)器將LNG轉(zhuǎn)換成0.5MPa~0.6MPa左右的天然氣,并送到天然氣加熱器,將天然氣加熱到發(fā)動(dòng)機(jī)所需要的溫度。乙二醇或者蒸汽可用于氣化LNG,蒸發(fā)器的容積由發(fā)動(dòng)機(jī)決定。
4.1 儲(chǔ)氣罐
LNG儲(chǔ)氣罐是壓力式,滿足IMO國(guó)際法規(guī)。LNG儲(chǔ)氣罐為真空絕緣雙層保護(hù)。中間部分充注珍珠巖,最大程度的隔絕環(huán)境溫度傳熱,內(nèi)部空間貯存LNG,設(shè)計(jì)為可以承受超低溫和壓力的奧氏體不銹鋼材質(zhì)。防止航行時(shí)液體飛濺,內(nèi)部空間設(shè)置了止蕩板。外部殼體為次屏壁與大氣接觸。內(nèi)部殼體間的真空度是非常重要的,會(huì)影響熱傳遞系數(shù)。如果真空度不在充許的范圍,熱量會(huì)傳到LNG儲(chǔ)氣罐引進(jìn)LNG溫度升高導(dǎo)致BOG產(chǎn)生。所以,要定期的檢查真空度,使其在充許的范圍內(nèi)。
4.2 供氣室
供氣室是一個(gè)氣密空間圍繞在LNG儲(chǔ)氣罐上,內(nèi)部有蒸發(fā)器(包括PBU),所有的罐上接口和閥門。供氣室布置成箱體狀,焊接在LNG儲(chǔ)氣罐的外部殼體上,覆蓋上所有的接頭和閥門。這個(gè)空間可以直接監(jiān)測(cè)到氣體泄漏。氣體探測(cè)布置在供氣室內(nèi)。
4.3 蒸發(fā)器和PBU
LNG供氣系統(tǒng)包括一個(gè)加熱器稱之“蒸發(fā)器”。其作用是將LNG氣化為天然氣供給發(fā)動(dòng)機(jī)。熱量從發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)來(lái)。容納乙二醇的殼體部分是奧氏體不銹鋼材質(zhì)。PBU的材質(zhì)是奧氏體不銹鋼316。
PBU(壓力再建單元)的作用是維持LNG儲(chǔ)氣罐的壓力穩(wěn)定的供給蒸發(fā)器。如果發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)燃燒天然氣,內(nèi)殼體的LNG液位會(huì)下降,壓力會(huì)相應(yīng)降低。然后,PBU將恢復(fù)正常的工作液位,調(diào)整壓力。當(dāng)內(nèi)部的壓力接近設(shè)定壓力值時(shí),信號(hào)會(huì)輸送到控制閥調(diào)整LNG的流速。
穿過圍蔽處所的供氣管路應(yīng)采用雙壁管路或?qū)Ч芡耆h(huán)圍。
氣體燃料管路應(yīng)安裝在通風(fēng)的導(dǎo)管內(nèi)。氣體燃料管路和導(dǎo)管內(nèi)壁之間的氣室應(yīng)安裝機(jī)械式抽風(fēng)通風(fēng)機(jī),其每小時(shí)至少換氣30次。若導(dǎo)管內(nèi)裝有氣體探測(cè)設(shè)備,當(dāng)探測(cè)到發(fā)生泄漏時(shí),導(dǎo)管內(nèi)自動(dòng)充灌氮?dú)?,該低壓通風(fēng)能力可減至每小時(shí)換氣10次。風(fēng)扇電機(jī)應(yīng)符合安裝區(qū)域的防爆保護(hù)要求。通風(fēng)口應(yīng)設(shè)置保護(hù)屏,保護(hù)屏應(yīng)布置在無(wú)可燃燃?xì)獾奈恢谩?/p>
雙壁管路或?qū)Ч墉h(huán)圍的要求同樣適用于發(fā)動(dòng)機(jī)上的氣體燃料管系,直到氣體被注入汽缸(如果氣體進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸前是處于低壓狀態(tài),且在發(fā)動(dòng)機(jī)附近設(shè)有氣體探測(cè)器的條件下,對(duì)進(jìn)氣管可免除雙層管道的要求。
二氧化碳和水可用來(lái)控制LNG產(chǎn)生的大火,但不是滅火。如果將水噴到液態(tài)天然氣的表面,會(huì)使LNG的蒸發(fā)率增大,從而使LNG的火勢(shì)增強(qiáng)。因此,不能用水來(lái)直接噴淋到LNG或LNG蒸氣上。用水的目的主要是將尚未著火而火焰有可能經(jīng)過的地方弄濕,使其不容易著火。
最常用的控制LNG火焰的方法是利用水霧吸收熱量。安裝噴淋系統(tǒng),需要像安裝滅火系統(tǒng)一樣,要涵蓋整個(gè)所需要的區(qū)域。然而,與滅火系統(tǒng)的目的不同的是,水噴淋系統(tǒng)主要用來(lái)減低溫度、減少空氣、控制燃燒、保護(hù)財(cái)產(chǎn),整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)便、可靠。
化學(xué)干粉滅火是通過干粉與火焰接觸時(shí)產(chǎn)生的物理化學(xué)作用滅火。干粉顆粒以霧狀形式噴向火焰,大量吸收火焰中的活性基團(tuán),使燃燒反應(yīng)的活性基團(tuán)急劇減少,中斷燃燒的連鎖反應(yīng),從而使火焰熄滅。干粉噴向火焰時(shí),像濃云似的罩住火焰,減少熱輻射。干粉受高溫作用,會(huì)放出結(jié)晶水或產(chǎn)生分解,不僅可以吸收火焰的部分熱量,還可以降低燃燒區(qū)內(nèi)的氧含量。
根據(jù)IGF第三章,水霧系統(tǒng)用于冷卻和防火,水霧系統(tǒng)應(yīng)能用于保護(hù)甲板上方儲(chǔ)氣罐的暴露部分(圖5)。水霧系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成可覆蓋上述所有區(qū)域,其噴水率對(duì)水平防護(hù)表面為10L/min·m2,對(duì)垂直防護(hù)表面為4L/min·m2。
圖5 LNG儲(chǔ)氣罐的水霧噴淋
燃料充裝站區(qū)域內(nèi)應(yīng)設(shè)置固定式干粉滅火系統(tǒng)或大型推車式干粉滅火設(shè)備,其應(yīng)覆蓋所有可能的泄露點(diǎn)。其滅火能力應(yīng)至少確保能以容量至少3.5kg/s的速率釋放45s。系統(tǒng)的布置應(yīng)使其能從安全位置手動(dòng)釋放。燃料充裝站附近還應(yīng)設(shè)置1具手提式干粉滅火器。
在該項(xiàng)目的消防上采取的措施是在LNG儲(chǔ)氣罐上設(shè)置了水霧噴淋,在加注站內(nèi)采用了化學(xué)干粉滅火,并設(shè)置1手提式干粉滅火器。
本船與其它常規(guī)船不同之處是主機(jī)、發(fā)電機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)采用雙燃料機(jī)型。供氣系統(tǒng)管路采用雙壁管,內(nèi)管為供氣管,雙壁管之間為通風(fēng),使內(nèi)管滲入到此空間的燃?xì)獗慌棚L(fēng)機(jī)及時(shí)排出。作為供氣系統(tǒng)安全保障的重要環(huán)節(jié),供氣系統(tǒng)的通風(fēng)是不可缺少的。包含如下通風(fēng)系統(tǒng):
7.1 主機(jī)供氣管路通風(fēng)系統(tǒng)
主機(jī)采用高壓供氣系統(tǒng),供氣噴射閥設(shè)在氣缸頭,供氣管及噴射閥集全部采用雙壁形式,通風(fēng)用排風(fēng)機(jī)設(shè)在供氣管進(jìn)機(jī)艙前的管路上,空氣的進(jìn)口由主機(jī)掃氣雙壁管出機(jī)艙處引出??諝獾倪M(jìn)氣口位置的布置要保證新風(fēng)能從安全區(qū)域吸入,且其高度滿足相關(guān)規(guī)范的要求。風(fēng)機(jī)的排出口的位置及高度也要滿足相關(guān)規(guī)范的要求(圖6)。根據(jù)船級(jí)社規(guī)范規(guī)定此空間(含雙壁管中間空間及閥集的空間)的通風(fēng)循環(huán)次數(shù)應(yīng)不小于30次/小時(shí),風(fēng)機(jī)應(yīng)為防爆型風(fēng)機(jī),電機(jī)不可置于風(fēng)道內(nèi)。
圖6 機(jī)艙管路通風(fēng)
7.2 發(fā)電機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)供氣管路通風(fēng)系統(tǒng)
發(fā)動(dòng)機(jī)采用低壓供氣系統(tǒng),在燃?xì)膺M(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)之前設(shè)有燃?xì)忾y單元,所以通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量應(yīng)滿足這些空間30次/小時(shí)的換氣量。在設(shè)計(jì)通風(fēng)系統(tǒng)原理時(shí),考慮到這兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)屬并聯(lián)通風(fēng),為使每臺(tái)機(jī)供氣管的空氣循環(huán)量滿足規(guī)范要求,因此在每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)新風(fēng)入口加一只風(fēng)量調(diào)節(jié)閥,調(diào)節(jié)進(jìn)入每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)供氣管通風(fēng)空間的空氣量??諝獾倪M(jìn)氣口位置的布置要保證新風(fēng)能從安全區(qū)域吸入,且其高度滿足相關(guān)規(guī)范的要求。風(fēng)機(jī)的排出口的位置及高度也要滿足相關(guān)規(guī)范的要求。風(fēng)機(jī)為防爆型風(fēng)機(jī),電機(jī)置于風(fēng)道外(圖7)。
圖7 燃?xì)忾y單元通風(fēng)
7.3 供氣室通風(fēng)系統(tǒng)
供氣室是一密閉空間,內(nèi)置有與儲(chǔ)氣罐相連的所有閥、供氣系統(tǒng)的所有處理裝置等。此空間檢查及維修時(shí)需要有人進(jìn)入,因此在此空間設(shè)一個(gè)排風(fēng)系統(tǒng),將閥及設(shè)備滲漏到此室內(nèi)的燃?xì)饧皶r(shí)排出。空氣的進(jìn)氣口位置的布置要保證新風(fēng)能從安全區(qū)域吸入,且其高度滿足相關(guān)規(guī)范的要求。風(fēng)機(jī)的排出口的位置及高度也要滿足相關(guān)規(guī)范的要求。換氣次數(shù)為30次/小時(shí),風(fēng)機(jī)為防爆型風(fēng)機(jī),電機(jī)置于風(fēng)道外(圖8)。
圖8 供氣室通風(fēng)
該項(xiàng)目是基于成熟的優(yōu)化船型的基礎(chǔ)上研發(fā)的雙燃料特色船型,在節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性方面達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,設(shè)計(jì)圖紙通過船級(jí)社審核,具備承接工程項(xiàng)目條件,有助于我們?cè)谛碌脑齑h(huán)境處于技術(shù)領(lǐng)先位置。81K LNG雙燃料船舶的開發(fā),進(jìn)行了技術(shù)上的驗(yàn)證,LNG雙燃料船是新生的技術(shù),也是預(yù)測(cè)未來(lái)技術(shù)的發(fā)展方向,但是現(xiàn)階段正處在技術(shù)的發(fā)展階段,該項(xiàng)目具備了一定技術(shù),后續(xù)將進(jìn)行技術(shù)推廣。
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Liu Xiu-li, Sun Qi, Liu Guo-sheng, Gao Hai-ning, Zhang Yong-wei, Li Bai
(COSCO SHIPYARD GROUP CO., LTD., Dalian 116600, China)
Recently, clean energy becomes the main trend, especially the LNG. This paper introduces the relate key technologies of dual fuel bulk carriers based on bulk carriers. Through deeply analyzing the related rules and relate technologies and testing, finally it finishes the studies on dual fuel bulk carriers. Aiming at 80000T dual fuel bulk carriers, it sets up an integrated design system and all the indexes reaches the international level.
LNG; dual fuel; gas container; bulk carrier
U674.13+4
A
1005-7560(2014)01-0009-05
劉秀麗(1971-),女,輪機(jī)高級(jí)工程師,主要從事輪機(jī)設(shè)計(jì)管理工作。